天水城區(qū)地下水補(bǔ)給途徑研究

姚建明 路亮 孫小玉 常興

摘?要：地下水是水資源的重要組成部分，地下水補(bǔ)給是關(guān)乎社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民福祉的重要措施。本文以天水市地下水資源補(bǔ)給為目的，從天水市自然環(huán)境條件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況出發(fā)，并分析各種地下水補(bǔ)給方法的利弊，為天水市地下水資源補(bǔ)給提供具備可實(shí)施性的建議，為天水市發(fā)展海綿城市提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地下水；雨水滲透；透水鋪裝；雨水花園；滲井

水是重要的自然資源和戰(zhàn)略資源，是人類(lèi)生存所需要的最基本資源。地下水是水資源的重要組成部分，在維持農(nóng)業(yè)發(fā)展、保障人民日常生活、維護(hù)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平衡方面起著十分重要的作用［12］。近些年，為保障民生、支撐經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)模逐年增加，作為水資源的重要組成部分，由于過(guò)量開(kāi)采引發(fā)的一系列問(wèn)題也日益凸顯［3］。地下水資源的過(guò)量開(kāi)采使得含水層疏干，導(dǎo)致諸如地面沉降、地表地裂縫、巖溶塌陷、地下水水質(zhì)惡化、海水入侵、濕地萎縮、土地荒漠化等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的發(fā)生，嚴(yán)重影響地下水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展［2，4］。

地下水補(bǔ)給是指地下含水層或含水系統(tǒng)從外界獲得水量的過(guò)程［5］。在干旱和半干旱地區(qū)，地表水資源匱乏，且由于降雨稀少且具有高度時(shí)空非均質(zhì)性，地下水是重要甚至唯一的供水水源［6］。解決好地下含水層的補(bǔ)給問(wèn)題，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，為西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活水平提高提供重要保障。

天水市地下水資源相對(duì)貧乏，雨水時(shí)空分布不均，隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)、生活需水量增加，水資源供求矛盾日漸突出，已經(jīng)成為制約天水市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素之一。探求對(duì)天水市地下水資源的科學(xué)管理和行之有效的地下含水層補(bǔ)給方法，對(duì)天水市水資源的優(yōu)化配置有著重要意義。

1?天水市概況

天水市位于甘肅省東南部，總面積1.43萬(wàn)平方千米。天水市跨長(zhǎng)江黃河兩大流域，以西秦嶺為分水嶺，北部地區(qū)為黃河流域渭河水系，面積11695km2，占全市面積的81.7%，南部為嘉陵江水系，占全市18.3%的面積。屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，西北高，東南低，平均海拔1100m，多年平均氣溫11.3℃，年無(wú)霜期185d。全市行政區(qū)包括秦州區(qū)、麥積區(qū)、清水縣、秦安縣、甘谷縣、武山縣及張家川回族自治縣。土壤以黃綿土、黑壚為主，土層深厚山塬開(kāi)闊［7］。截至2021年，天水市常住人口295.65萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值750.33億元。

2?天水市地下水資源概況

2.1?天水市地下水資源總量

根據(jù)甘肅省水文局《水資源綜合規(guī)劃水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》，天水市全域劃分為山丘區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)類(lèi)型，地下水資源量的計(jì)算采用排泄量法，河川基流量采用基流切割法計(jì)算，河川基流切割站選用武山、甘谷、秦安、社棠、天水、永寧河站。全市多年平均地下天然水資源量為5.15億m3/a，其中黃河流域?yàn)?.44億m3/a，長(zhǎng)江流域?yàn)?.71億m3/a。地下水凈資源量（與河川徑流不重復(fù)的地下水資源量）為0.29億m3/a，均處渭河流域。各區(qū)縣地下水資源量見(jiàn)下表［8］。

2.2?天水市地下水資源補(bǔ)給量

張凌鵬在對(duì)天水市地下水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，將天水市分為河谷區(qū)和山區(qū)計(jì)算天水市地下水天然資源補(bǔ)給量。河谷區(qū)分為黃河流域和長(zhǎng)江流域2個(gè)區(qū)域，經(jīng)計(jì)算，黃河流域地下水天然資源補(bǔ)給量為4.37×108m3/a，占河谷區(qū)地下水補(bǔ)給量總體的98.12%，長(zhǎng)江流域地下水天然資源補(bǔ)給量為0.08×108m3/a。按照渭河流域山區(qū)和嘉陵江流域山區(qū)分別計(jì)算地下水資源天然補(bǔ)給量，結(jié)果為：渭河流域山區(qū)地下水資源補(bǔ)給量為1.73×108m3/a，嘉陵江流域山區(qū)地下水資源補(bǔ)給量為1.03×108m3/a。計(jì)算得出天水市地下水資源補(bǔ)給總量為7.21×108m3/a。

2.3?天水市地下水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

天水市城區(qū)用水主要以地下水為主，開(kāi)采對(duì)象為耤河及渭河河谷地區(qū)第四系松散巖類(lèi)孔隙水，此外還有分散式農(nóng)田灌溉機(jī)井的季節(jié)性開(kāi)采，地下水開(kāi)發(fā)利用程度較高。天水市地下水含水層變化幅度大，補(bǔ)給不足且與地表水交替強(qiáng)烈，調(diào)節(jié)能力差。分布在基巖山區(qū)、溝谷區(qū)的地下水主要作為分散村社的人畜飲用水源，只有少數(shù)相對(duì)寬闊的溝臺(tái)地上通過(guò)截引泉水或開(kāi)采淺層地下水灌溉；城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)密集分布的河谷平原區(qū)，城市生活、工業(yè)及部分農(nóng)業(yè)灌溉用水均開(kāi)采地下水，目前全市城市供水除張家川縣城由地表水供水以外，中心城區(qū)及其余縣城均由地下水水源地供水。

由于供水水源長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采和受連年干旱少雨等因素影響，各縣區(qū)地下水源地水位下降，產(chǎn)水能力連年大幅減少，部分城區(qū)存在水壓偏低或白天無(wú)水夜間等水的情況，供水量不足嚴(yán)重影響到城市經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展和居民的正常生產(chǎn)生活，制約了城市的可持續(xù)發(fā)展。天水市水資源開(kāi)發(fā)利用不平衡，部分水源地水資源豐富地段地下水資源開(kāi)發(fā)利用率低，水資源貧乏地段開(kāi)發(fā)利用率高，出現(xiàn)貧水區(qū)更加缺水的現(xiàn)象，且由于環(huán)保意識(shí)的匱乏，城市污水未經(jīng)處理直接排入水體，影響地下水質(zhì)。

3?天水市地下水資源補(bǔ)給途徑

地下水補(bǔ)給是通過(guò)深層包氣帶向下運(yùn)移最終到達(dá)含水層補(bǔ)給地下水的過(guò)程。地下水的補(bǔ)給來(lái)源分為天然補(bǔ)給與人為補(bǔ)給，天然補(bǔ)給量來(lái)自大氣降水、地表水、凝結(jié)水以及相鄰含水層的補(bǔ)給等，人為補(bǔ)給主要有灌溉水入滲、水庫(kù)滲漏及人工回灌等，為改善地下水資源條件而采取的人工補(bǔ)給地下水的措施近年來(lái)發(fā)展較為迅速。

地下水人工補(bǔ)給指通過(guò)人為手段，將時(shí)間分配不均的供水不穩(wěn)定的地表水源，包括泉水、河流、水庫(kù)棄水、雨洪水、處理后的再生水等轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的、可持續(xù)利用的地下水資源的地下水補(bǔ)給方式［9］。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著社會(huì)發(fā)展，對(duì)于資源的需求也日益增長(zhǎng)，促進(jìn)了世界各國(guó)地下水人工補(bǔ)給研究的發(fā)展。根據(jù)補(bǔ)給途徑及功能的不同可分為分散補(bǔ)給型、渠道補(bǔ)給型、入滲井補(bǔ)給型、過(guò)濾型、雨洪型及城市管網(wǎng)型6大類(lèi)［10］。

結(jié)合上述人工補(bǔ)給技術(shù)，對(duì)其中應(yīng)用到的補(bǔ)給方式進(jìn)行匯總，可以將地下水人工補(bǔ)給方式分為兩大類(lèi)，直接補(bǔ)給法和間接補(bǔ)給法［11］。本文主要介紹直接補(bǔ)給法中的地面入滲法。

地面入滲法指的是通過(guò)人工挖鑿水塘、滲透池等地面集水設(shè)施或天然存在的洼地、河道等作為場(chǎng)地，使地表補(bǔ)給水源借助地表水與地下水間天然水頭差滲入地下含水層，起到增補(bǔ)地下水資源儲(chǔ)量的目的。地面入滲法以較低的工程成本取得不錯(cuò)的收益，充分利用自然條件，運(yùn)營(yíng)管理簡(jiǎn)便，一些地面入滲建筑，如雨水花園等在進(jìn)行地下水補(bǔ)給任務(wù)的同時(shí)還可以作為景觀使用，美化環(huán)境。天水市城區(qū)綠化率低且微地形較為復(fù)雜，地下管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)偏低且多為無(wú)組織排水，根據(jù)天水市自然條件以及工程造價(jià)等方面因素考慮，雨水花園、雨水滲井和透水鋪裝是較為適合作為天水市地下水人工補(bǔ)給的設(shè)施。

雨水花園于20世紀(jì)90年代首創(chuàng)，通過(guò)對(duì)該地區(qū)建立的花園的監(jiān)測(cè)和分析，表明雨水花園既有經(jīng)濟(jì)效益又有生態(tài)效益。雨水花園具體是指通過(guò)人工干預(yù)或者利用現(xiàn)有地形在城市未硬化路面通過(guò)設(shè)計(jì)一定的匯流比和適宜性植物、高效填料等，收集城市降雨徑流通過(guò)蓄水層中植物和土壤作用，實(shí)現(xiàn)雨水洪峰滯后、水質(zhì)凈化及地下水補(bǔ)給等功能［1214］。

雨水花園的構(gòu)造一般由內(nèi)到外分為五層：礫石層、砂層、種植土壤層、覆蓋層和蓄水層。根據(jù)是否有雨水回用，在礫石層中埋置集水穿孔管用于收集雨水再就近排入市政管網(wǎng)，選用適合天水地區(qū)的植物配置，如油松、小葉萬(wàn)壽菊與芍藥搭配，可廣泛應(yīng)用于城市廣場(chǎng)以及公園空間，在增加雨水入滲量的同時(shí)改變居民居住環(huán)境。

城市環(huán)境中充斥著大量灰色基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致在降雨發(fā)生時(shí)，大量的雨水無(wú)法下滲，且雨水在土層中的下滲具有速度慢、效率低的特點(diǎn)，使得大部分降雨無(wú)法滲入地下水層，地下水補(bǔ)給量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于消耗量。

雨水滲井是我國(guó)海綿城市建設(shè)技術(shù)體系中的一種滲透類(lèi)雨水設(shè)施，具有促使雨水迅速入滲，削減徑流總量與峰值，緩解排水壓力等作用。在土層中埋置豎向滲透性透水混凝土濾芯作為過(guò)水通道，降雨發(fā)生時(shí)，雨水由地表快速下滲至多孔混凝土濾芯中，再由濾芯向四周土體中滲流，大幅提高雨水的下滲能力［1516］。雨水滲井選址前應(yīng)進(jìn)行水文地質(zhì)勘察，分析地層穩(wěn)定性與承載力，避開(kāi)濕陷性土壤以防出現(xiàn)滑坡等后期問(wèn)題，滲井匯水范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免徑流污染嚴(yán)重區(qū)域，防止對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生不良影響。

（a）

（b）

雨水花園示意圖

結(jié)語(yǔ)

天水市城鄉(xiāng)居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源為地下水，但天水市境內(nèi)水資源相對(duì)匱乏，降雨時(shí)空分布不均，地下水補(bǔ)給量嚴(yán)重不足，導(dǎo)致地下水位連年下降，水資源的供需矛盾已經(jīng)成為制約全市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響人民群眾生活質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題。

根據(jù)天水市自然條件與經(jīng)濟(jì)條件的因素考慮，在天水市城區(qū)布設(shè)雨水花園、雨水滲井等LID措施，可以增加水資源利用率，延緩地表徑流的產(chǎn)生，增加地表水補(bǔ)給量，對(duì)天水地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：姚建明（1980—?），男，漢族，甘肅武山人，本科，工程師，研究方向：水資源管理、節(jié)約用水管理。