葉 勇,謝新民,柴福鑫,楊麗麗,趙全升

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,北京 100038;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院遙感技術(shù)開(kāi)發(fā)研究中心,北京 100044;3.青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)系,山東青島266071)

北方小流域一般降水集中,汛期短。平原區(qū)受多種條件限制,往往不利于修建地表水庫(kù)。近年來(lái)水污染加劇,生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸現(xiàn),使水資源開(kāi)發(fā)利用更加困難。單純基于地表水利工程的水資源開(kāi)發(fā)模式已不合時(shí)宜。地下水在北方地區(qū)供水中占主導(dǎo)地位[1],然而在長(zhǎng)期的掠奪式開(kāi)發(fā)下,引起了諸多的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[2]。故僅單一考慮水量開(kāi)發(fā)而不注重相關(guān)的水環(huán)境改善與治理及多水源聯(lián)合補(bǔ)給的傳統(tǒng)模式已不能完全勝任現(xiàn)代水資源管理的需求,而聯(lián)合開(kāi)發(fā)地表水與地下水,并采用生態(tài)修復(fù)等輔助措施增加自然生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力,實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用是未來(lái)北方小流域合理開(kāi)發(fā)利用水資源的一種理想選擇。本文以沈陽(yáng)市遼河支流長(zhǎng)河-羊腸河流域?yàn)槔?分析水資源開(kāi)發(fā)利用所面臨的主要問(wèn)題,探討地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)新模式。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沈陽(yáng)市區(qū)東北部,距市區(qū)約13km,總面積為361.8km2,西部平原區(qū)面積為296.2km2,東南部山丘區(qū)面積為65.6km2。區(qū)內(nèi)長(zhǎng)河、萬(wàn)泉河、左小河、新西小河及羊腸河均位于遼河左岸。長(zhǎng)河、左小河為遼河一級(jí)支流,其他為遼河二級(jí)支流,見(jiàn)圖1。流域內(nèi)以農(nóng)業(yè)為主,僅新城子區(qū)有少量企業(yè),有部分污水排放。

該流域內(nèi)主要含水層為第四系沖、洪積地層,平均厚度約40m,以潛水為主,地下水資源比較豐富。北部地下水流向基本與遼河一致,由東北流向西南;南部由東南流向西北,見(jiàn)圖2。地下水位埋深較淺,與地表水有密切的水力聯(lián)系,在水力梯度的作用下二者相互補(bǔ)給。

圖1 研究區(qū)位置及水系分布

圖2 地下水流場(chǎng)示意圖

2 水資源條件及面臨的問(wèn)題

2.1 水資源條件

流域內(nèi)多年平均總徑流量為0.73億m3。通過(guò)區(qū)域均衡法及地下水流數(shù)值模擬2種方法綜合計(jì)算得出地下水資源量為1.09億m3,其中地下水可開(kāi)采量為0.89億m3。

本區(qū)缺乏合理的水利工程,地表水幾乎沒(méi)有得到有效利用。遼河漫灘區(qū)地下水開(kāi)發(fā)相對(duì)較多,主要用于農(nóng)田灌溉。據(jù)2003～2006年統(tǒng)計(jì),流域內(nèi)年均供水量為0.515億m3,其中地表水僅占3.73%,地下水占96.27%。

總體上流域內(nèi)水資源開(kāi)發(fā)利用程度較低,地表水幾乎未得到開(kāi)發(fā),地下水開(kāi)采量?jī)H占可開(kāi)采量的35.94%,尚具有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用的潛力。目前沈陽(yáng)市供水較為緊張,現(xiàn)狀用水需求基本已達(dá)到供水能力,預(yù)計(jì)近期(2010年)需水量將達(dá)到294.6萬(wàn)m3/d,缺水量將達(dá)到50.6萬(wàn)m3/d;遠(yuǎn)期(2020年)需水量將達(dá)到414.0萬(wàn)m3/d,缺水量將達(dá)到170.0萬(wàn)m3/d,未來(lái)沈陽(yáng)市的供水缺口主要由大伙房水庫(kù)輸水工程解決。然而為滿足沈北新區(qū)的進(jìn)一步用水需求,以及增加城市供水保障和為應(yīng)急供水做準(zhǔn)備,規(guī)劃在此建立常規(guī)與應(yīng)急復(fù)合型水源地。

2.2 面臨的主要問(wèn)題

通過(guò)對(duì)區(qū)域水資源條件綜合分析及2008年的實(shí)地調(diào)查,結(jié)果表明水資源開(kāi)發(fā)利用尚面臨諸多難題,主要包括以下4個(gè)方面:

a.水資源時(shí)空分布不均,不利于長(zhǎng)期穩(wěn)定供水。時(shí)間上,受降水時(shí)間分配不均的影響,水資源主要集中于汛期,缺乏合理的水利工程,不能蓄積汛期水資源,導(dǎo)致枯季缺水,難以保障穩(wěn)定的供水需求;空間上,遼河漫灘區(qū)水資源相對(duì)豐沛,階地水資源相對(duì)貧乏。水資源缺乏時(shí)空調(diào)控能力,與未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求不相適應(yīng)。

b.缺乏地表蓄水工程,不能有效利用地表水。本流域以遼河沖積平原為主,地勢(shì)平坦,受地形地貌及水資源條件等綜合影響,不利于修建地表水庫(kù)[3]。1956～2007年的降水統(tǒng)計(jì)資料表明:流域內(nèi)降水主要集中在6～9月,占全年的75%;7～8月降水量占全年的51%,在沒(méi)有攔蓄工程的情況下往往形成較大的洪水,地表徑流得不到有效利用,同時(shí)增加了下游河道的防洪壓力。

c.地下水資源相對(duì)豐富,但未被充分利用。遼河平原區(qū)地下水資源較豐富,含水層補(bǔ)給、排泄及徑流條件均良好。第四系潛水含水層滲透系數(shù)約為42.78～73.54m/d,遼河漫灘區(qū)常規(guī)井單井涌水量可達(dá)8000m3/d,若以現(xiàn)代新型輻射井技術(shù),采用5根輻射管單井涌水量可達(dá)30000m3/d。含水層中的砂礫石層厚度約為20m,給水度為0.18～0.22,具有較好的賦水條件。然而在沒(méi)有合理的地下水開(kāi)發(fā)規(guī)劃的情況下,僅于灌期抽取地下水用于農(nóng)田灌溉以及供應(yīng)生活用水,地下水資源沒(méi)有得到充分利用,更沒(méi)有發(fā)揮出含水層的多年調(diào)蓄功能。

d.地表水與地下水均存在不同程度的污染。據(jù)歷史資料分析及2008年的2次水質(zhì)通測(cè)結(jié)果,以GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評(píng)價(jià),地表水污染較嚴(yán)重,主要超標(biāo)項(xiàng)目有色度、渾濁度、氨氮、錳離子,其中渾濁度與氨氮超標(biāo)最嚴(yán)重;地下水主要超標(biāo)項(xiàng)目為菌落總數(shù)、色度、渾濁度、氯化物及錳離子,其中錳離子及菌落總數(shù)超標(biāo)最嚴(yán)重,見(jiàn)圖3。

圖3 主要超標(biāo)項(xiàng)目平均超標(biāo)倍數(shù)

采用物元可拓法綜合評(píng)價(jià)2次所取水樣[4],結(jié)果表明:地表水質(zhì)總體為Ⅳ類,地下水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類,地表水污染程度大于地下水,見(jiàn)表1。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與上述超標(biāo)情況總體趨勢(shì)基本一致。

表1 2008年2次水質(zhì)綜合分析評(píng)價(jià)結(jié)果

水體較差的原因可以概括為:①部分工業(yè)廢水和城鄉(xiāng)生活污水無(wú)節(jié)制排放,造成河道的較重污染;②大量的農(nóng)村生活垃圾、廢棄物及死亡牲畜等被扔到河中,堵塞河道,污染河水,通常使河水發(fā)綠、發(fā)黑、發(fā)臭,渾濁不堪;③非汛期來(lái)水減少,河水不能及時(shí)被更新及稀釋,在地勢(shì)平坦河段形成局部堆滿污染廢棄物的臭水洼地,只有來(lái)年汛期才能被沖走;④沿河放牧現(xiàn)象普遍,部分牲畜糞便進(jìn)入河道,尤其在部分村落有成堆的糞便堆放在河道邊,成為河流的重要污染源;⑤地表水與地下水具有較強(qiáng)的水力聯(lián)系,地表污水在汛期被引入到地下,是造成地下水水質(zhì)較差的重要原因之一;⑥地下水中錳離子含量超標(biāo)主要受本區(qū)地質(zhì)環(huán)境的影響,該區(qū)域內(nèi)錳離子的天然背景值較高。

3 地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)模式分析

3.1 聯(lián)合開(kāi)發(fā)思路

據(jù)前述分析,研究區(qū)水資源進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用的潛力較大。其面臨的主要難點(diǎn)有:①?zèng)]有工程,缺乏水資源調(diào)蓄,特別是年際間的水資源調(diào)蓄能力弱;②水污染嚴(yán)重,地表水與地下水均受到不同程度的污染。既要發(fā)揮水資源的供水功能,又要解決上述面臨的問(wèn)題,需要選擇適宜的水資源開(kāi)發(fā)模式。

針對(duì)流域內(nèi)的水污染問(wèn)題,雖然從評(píng)價(jià)結(jié)果看污染較為嚴(yán)重,但從主要污染物及導(dǎo)致污染的原因來(lái)看,污染源主要為農(nóng)村垃圾,超標(biāo)項(xiàng)目相對(duì)容易處理。結(jié)合沈陽(yáng)市生態(tài)城市建設(shè)的推進(jìn),擬采用以下措施:從源頭上減少乃至根除農(nóng)村垃圾污染源;采用疏浚等工程措施使河道暢通,防止徑流不暢形成臭水溝;利用人工濕地等生態(tài)修復(fù)措施改善水質(zhì)。針對(duì)水源調(diào)蓄,建設(shè)地表攔蓄工程,截住地表徑流以增加可利用水量;建設(shè)地下水庫(kù)以使水資源能夠多年調(diào)節(jié)。由此以地表攔蓄結(jié)合地下水庫(kù)為水資源調(diào)蓄工程主體,以生態(tài)修復(fù)及人工濕地為手段凈化水體,構(gòu)成地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新模式開(kāi)發(fā)利用水資源,其概念模式如圖4所示。

圖4 地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)模式示意圖

3.2 針對(duì)地表水采取的措施

研究區(qū)生活、灌溉及工農(nóng)業(yè)用水幾乎全靠地下水,地表水基本未被利用,規(guī)劃時(shí)無(wú)需過(guò)多地考慮當(dāng)?shù)赜盟男枨?。由此結(jié)合目前已有的防洪堤,在長(zhǎng)河、萬(wàn)泉河匯流處下游約600m處建立長(zhǎng)約550m、高約1.5m的溢流壩或橡膠壩攔蓄地表徑流,并于形成的約1.22km2的水域建立人工濕地,與在建的溪泉湖濕地結(jié)合可形成5.4km2的地表水域。既通過(guò)攔水壩截留汛期地表徑流,并對(duì)含水層補(bǔ)給,平均每年可增加約0.1239億m3的地下水補(bǔ)給量,又利用人工濕地凈化地表水體。針對(duì)地表農(nóng)村垃圾污染問(wèn)題,在中上游通過(guò)清淤疏浚、護(hù)坡(重點(diǎn)是清除垃圾)等措施,暢通河道、改善水質(zhì);在人工濕地種植蘆葦、養(yǎng)殖河蚌等,利用生態(tài)作用凈化水體。通過(guò)水生態(tài)修復(fù)及小流域環(huán)境治理改善河流水質(zhì),防止引起地下水污染。

3.3 針對(duì)地下水采取的措施

在人工濕地西部遼河漫灘區(qū)利用水源地開(kāi)采形成的降落漏斗建立地下水庫(kù)。通過(guò)地下水庫(kù)的建設(shè)條件分析,在此建立地下水庫(kù)具有相對(duì)充足的補(bǔ)給水源,特別是建立了以人工濕地為主要補(bǔ)給區(qū)后補(bǔ)給水源將更加充足。分析區(qū)內(nèi)67個(gè)鉆孔及7條剖面資料,結(jié)果表明,含水層巖性從上到下可概化為亞黏土、亞砂土、細(xì)砂及砂礫石層,其中細(xì)砂與砂礫石層互層,詳見(jiàn)圖5。采用建立的GMS三維地質(zhì)實(shí)體模型得到含水層不同巖性的體積[5],根據(jù)含水層特征和防止引起生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題綜合確定各特征水位[6-8],再依據(jù)式(1)對(duì)擬建地下水庫(kù)庫(kù)容進(jìn)行估算[9],得出地下水庫(kù)總庫(kù)容為1.65億m3,其中興利庫(kù)容達(dá)到1.09億m3。表明地下水庫(kù)具有實(shí)現(xiàn)水資源多年調(diào)節(jié)的調(diào)蓄空間。

圖5 GMS三維地質(zhì)實(shí)體模型切割剖面圖

式中:V為庫(kù)容,m3;μi為第i個(gè)蓄水體的重力給水度;V*i為第i個(gè)蓄水體的體積,m3;n為不同巖性的蓄水體個(gè)數(shù)。

總之,從含水層條件、地下水補(bǔ)給水源、地下水庫(kù)調(diào)蓄空間、地下水開(kāi)采條件等方面綜合分析可知,建立地下水庫(kù)從而進(jìn)行水資源多年調(diào)節(jié)及開(kāi)發(fā)利用是可行的。

3.4 情景模擬分析

根據(jù)含水層特征參數(shù),以2002～2006年觀測(cè)水位數(shù)據(jù)建立地下水流數(shù)值模擬模型,利用GWMS軟件進(jìn)行參數(shù)識(shí)別、模型驗(yàn)證后,利用上述地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)的思路,設(shè)置不同的情景,模擬地表水與地下水聯(lián)合利用的可行性及分析可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

以不同的開(kāi)采規(guī)模為情景進(jìn)行模擬分析,結(jié)果表明:以10萬(wàn)m3/d的規(guī)模持續(xù)開(kāi)發(fā)不會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題,開(kāi)采穩(wěn)定后形成約6km2的地下水位降落漏斗,漏斗中心水位埋深約13m;若考慮為城市應(yīng)急供水,分別以25萬(wàn)m3/d,40萬(wàn)m3/d,50萬(wàn)m3/d這3種開(kāi)采規(guī)模模擬,其持續(xù)應(yīng)急供水時(shí)間可分別達(dá)到12個(gè)月、6個(gè)月及4個(gè)月。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.受氣候、地形等因素綜合影響,在北方小流域采用地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)的模式開(kāi)發(fā)利用水資源具有較高的可行性。既能較充分地利用地表水資源,又能利用含水層的天然調(diào)蓄功能實(shí)現(xiàn)水資源的多年調(diào)節(jié),對(duì)區(qū)域的穩(wěn)定供水有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

b.地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)模式在沈陽(yáng)市遼河支流長(zhǎng)河-羊腸河流域內(nèi)可行,可持續(xù)提供10萬(wàn)m3/d的可供水量,在應(yīng)急狀態(tài)下可提供更為可觀的供水量,能夠保障當(dāng)?shù)爻鞘械膽?yīng)急供水安全。

c.北方小流域受污染情況較為嚴(yán)重,尤其是流域內(nèi)地表水污染已經(jīng)影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。人工濕地等水生態(tài)修復(fù)措施不僅對(duì)小流域生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義,而且對(duì)地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)的水源水質(zhì)提供保障。未來(lái)可加大利用生態(tài)修復(fù)對(duì)水質(zhì)改善程度的實(shí)證研究。

[1]胡君春,郭純青,徐海振.中國(guó)北方地區(qū)地下水庫(kù)的若干問(wèn)題的研究[J].水文,2009,29(1):69-72.

[2]盛海洋,孟秋立,朱殿華,等.我國(guó)地下水開(kāi)發(fā)利用中的水環(huán)境問(wèn)題及其對(duì)策[J].水土保持研究,2006,13(1):51-53.

[3]李硯閣.地下水庫(kù)建設(shè)研究[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2007.

[4]葉勇,遲寶明,施楓芝,等.物元可拓法在地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水土保持研究,2007,14(2):52-54.[5]謝軼,蘇小四,高淑琴.基于GMS支持下的大慶地下水庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2006(S1):51-54.

[6]李偉,束龍倉(cāng),李硯閣.濟(jì)寧市地下水庫(kù)特征參數(shù)分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2007,18(2):282-285.

[7]戴長(zhǎng)雷,遲寶明.飲馬河中游地下水庫(kù)可行性論證[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2006,36(1):78-84.

[8]束龍倉(cāng),李偉,李硯閣.地下水庫(kù)庫(kù)容不確定性分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006,33(4):45-47.

[9]王宏,田廷山,華顏濤,等.新疆柴窩堡盆地地下水庫(kù)調(diào)蓄能力的初步研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006,33(4):48-51.