開展人工調(diào)蓄工程建設(shè) 修復(fù)滄州地下水環(huán)境

袁淑芳,姚洪敏,楊 惠

(1.河北省滄州市水務(wù)局,河北 滄州 061000;2.邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處,河北 邯鄲 056002)

1 滄州地下水環(huán)境現(xiàn)狀

滄州是我國水資源嚴重短缺的地區(qū)之一,全市多年平均水資源量為 12.3億m3(1956～2005年)[1],人均水資源占有量僅為 180 m3,為全國平均值的8%,河北省平均值的60%。為維持本地區(qū)人民的正常生活和生產(chǎn),自20世紀70年代以來,主要依靠超采深層地下水,年均超采約5億m3。由于大量開采深層地下水,地下水位逐年下降,形成了大面積“漏斗群”,同時致使地下水降落漏斗快速發(fā)展,2009年底漏斗中心水位埋深達82.94 m,埋深大于80 m的封閉面積為299.7 km2,較2008年同期增加30.7 km2;埋深大于60 m的封閉面積為 5418.0km2[2],較 2008年同期增加93.0km2;并引發(fā)了地面下沉、機井報廢、工程設(shè)施遭到不同程度破壞、地面積水、排水不暢、地下水環(huán)境惡化等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。

面對水資源緊缺的嚴峻形勢和由此引發(fā)的不良后果,滄州多年來進行了大量的工作和探索研究。按照統(tǒng)籌規(guī)劃,綜合治理原則,在統(tǒng)籌規(guī)劃滄州各種水源和節(jié)約用水的前提下,減少超采區(qū)地下水開采量,合理安排滄州地下水替代水源和開展地下水庫及深層地下水回灌工程建設(shè),以修復(fù)地下水環(huán)境[3]。

2 修復(fù)地下水環(huán)境的措施

2.1 地下水庫建設(shè)

2.1.1 地下水庫地點的選定

建造地下水庫的區(qū)域須具有理想的蓄水孔隙和底部隔滲層,具有充沛的回補水源和良好的入滲途徑等條件,即滲得進、蓄得住、采得出[4]。按區(qū)域地質(zhì)的成因類型及物質(zhì)來源,滄州可劃分為3個水文地質(zhì)區(qū),即西部的沖洪積平原區(qū)、中部的海陸交互相沉積區(qū)、東部的濱海平原區(qū)。東部和中部地區(qū)砂層發(fā)育不及西部地區(qū),西部為滹沱河與沙河古河道發(fā)育而成。該區(qū)域砂層發(fā)育,并有全淡水區(qū),底板埋深30 m,含水層以細砂為主,少數(shù)為中砂,厚度5～12 m。多年來由于該區(qū)大量開采地下水,致使地下水位大幅度持續(xù)下降,地下調(diào)蓄庫容不斷增大,達 7億m3,為地下水庫建設(shè)提供了良好的儲水空間。該區(qū)域調(diào)蓄含水層透水性強,單位涌水量2.5～5.0 m3/(h? m),利用原有的取水設(shè)施即可將儲存的地下水采出供生產(chǎn)、生活用。因此,建設(shè)地下水庫較為理想的區(qū)域為肅寧大部、獻縣、河間、任丘西部,水庫面積為3211 km2。

2.1.2 地下水庫調(diào)蓄水源分析

調(diào)蓄水源主要依靠天然降水和引蓄外來水,外調(diào)水有剩余的情況下可直接補入地下水庫。

1)天然降水入滲補給量。根據(jù)水文氣象資料,該區(qū)多年平均降水量為 549.5 mm,P=50%的降水量為527.9 mm,P=75%的降水量為428.4 mm。大氣降水入滲補給量為

式中,W入為入滲補給量,億 m3;P為多年平均降水量,mm;T為入滲補給系數(shù),取0.20;F為計算面積,km2。

2)調(diào)節(jié)儲水量。地下水庫調(diào)節(jié)儲水量為

式中,W為調(diào)節(jié)儲量,億m3;F為計算面積,取 3211km2;_為平均給水度,取0.035[5];ΔH為水位變幅,取平均值14.5[5]。

通過調(diào)節(jié)計算,該地下水庫可調(diào)節(jié)儲量為16.97億m3,而天然入滲補給量僅為3.53億m3,僅靠天然降水的入滲補給不能達到修復(fù)地下水環(huán)境的目的,必須有充足的外來水源做補充才能實現(xiàn)修復(fù)地下水環(huán)境。滄州于 2001年修建“王大”引水渠,肅寧、獻縣、河間連續(xù)多年引水灌溉,引水量 0.77億m3;根據(jù)引黃西線遠期規(guī)劃,為獻縣、河間和任丘供水或通過白洋淀調(diào)蓄后向任丘供水;南水北調(diào)配套工程的沙河干渠為肅寧、河間、任丘、獻縣輸水;這些外來水源在滿足當(dāng)?shù)赜盟枨蟮那疤嵯?可通過引渠、滲井等工程,回灌至地下水庫,以修復(fù)地下水環(huán)境。

2.2 深層地下水回灌工程

2.2.1 回灌水源

由于滄州基本上無地表水,回灌水源主要有淺層淡水、外調(diào)水和汛期來水、降水。淺層淡水直接受降水補給,易采易補,根據(jù)淺層淡水的分布和開采量不同,選擇適當(dāng)時機,可將其作為深層地下水的回灌水源。隨著引黃線路和水量的不斷增加(2010年,滄州在原有位山引黃線路的基礎(chǔ)上,又開辟了潘莊引黃線路,同時做好了小開河引黃線路前期工作),外調(diào)水量將越來越大,在滿足當(dāng)?shù)赜盟那疤嵯?可將適量外調(diào)水進行深層回灌,作為回灌水源。滄州位于九河下梢,汛期上游來水和本地降水集中,通過河渠聯(lián)網(wǎng),聯(lián)合調(diào)控,充分攔蓄上游來水和本地降水,經(jīng)處理達標后,可作為回灌水源。

2.2.2 回灌方法

1)淺、深井聯(lián)動

在深井旁邊 10 m左右打一淺井,用導(dǎo)管把深、淺井連接起來,在中間安裝離心泵或真空泵。具體做法：在淺井一端的導(dǎo)管,放到距井底 1～2 m處,深井一端的導(dǎo)管深度在大于淺井井深4～5 m處,用離心泵或真空泵在淺井中抽水或抽氣,當(dāng)導(dǎo)管中過水后,停止開泵。在深、淺井水位差的作用下,淺井水流向深井,開始自流回灌,如圖1所示。

2)利用深井自身回灌

深井自身回灌是在打深井下井管時,在淺層地下淡水層部位把下實管改為下濾水管,經(jīng)坑塘、洼淀攔蓄的洪瀝水入滲地下淺層含水層后,就會經(jīng)濾水管自動流入深井,補充深層地下水。

3)SPD法回灌[6]

SPD補給系統(tǒng)就是在人工補給地下水的過程中,不是將回灌的地面水直接通過回灌井回灌入深層地下水含水層中,而是首先利用地面水補給淺層含水層,再把經(jīng)過潛水含水層凈化過濾了的淺層地下水補入深層地下水含水層中,如圖2所示。

深層地下水埋藏較深,與外部的水力聯(lián)系較差,補給深層地下水只能采用回灌井注水法。但該方法又存在以下問題：一是回灌井容易產(chǎn)生淤堵,影響回灌效率;二是深層地下水一旦污染,極難恢復(fù),對補給水源的水質(zhì)要求較高;三是一般利用地表水、大氣降水等作為廉價補給水源,但為了符合回灌水質(zhì)要求,須對其進行凈化處理,提高了成本。因此在選擇回灌方法時要因地制宜,根據(jù)不同的回灌要求,不同的補給水源,選擇與之相應(yīng)的回灌方法,以達到最佳效果。

圖1 回補承壓水模式示意圖

3 結(jié)語

通過地下水庫的調(diào)節(jié),可改變地下水補給量與開采量在數(shù)量上和時間上的不適應(yīng)性,促使大氣降水、地表水盡量轉(zhuǎn)化為地下水,以利于開發(fā)利用。同時,由于地下水庫蓄水,增加土壤含水量,能改善土壤墑情,逐步修復(fù)地下水環(huán)境。通過深層地下水回灌,將優(yōu)質(zhì)地表水、大氣降水、汛期來水及外調(diào)水回注到地下,使深層地下水位埋深減少,增加深層地下水補給量,減少超采,有效遏制地下水位持續(xù)下降、降落漏斗面積擴大趨勢,緩解地面沉降,改善區(qū)域地下水水質(zhì),使地下水環(huán)境逐步得到修復(fù)。

圖2 SPD補給系統(tǒng)

[1]滄州市水資源調(diào)查評價[Z].滄州市水務(wù)局.

[2]付學(xué)功,等.2009年滄州市水文勘測報告 [Z].滄州水文水資源勘測局.

[3]張桂平,等.南水北調(diào)滄州受水區(qū)地下水環(huán)境綜合治理研究 [C].//滄州市水務(wù)局.地下水保護行動專題成果,2010.

[4]李少華,李巖,李少貞,等.滄州區(qū)域雨洪資源綜合利用模式研究與實現(xiàn)[J].節(jié)水灌溉.2010(2).

[5]胡榮花.建設(shè)地下水庫促進滄州水環(huán)境良性循環(huán) [J].水科學(xué)與工程技術(shù).2005(S1).

[6]賀屹,等.深層地下水 SPD人工補給系統(tǒng) [J].地球科學(xué)與環(huán)境,2006,28(1).