1、地下水库的概念、分类和分级问题研究第 4 卷第 2 期2008 年 4 月地下空问与工程ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringVo1.4Apr.2008地下水库的概念,分类和分级问题研究米杜新强,李砚阁 2,冶雪艳(1.吉林大学环境与资源学院,长春 130026;2.南京水利科学研究院 ,南京 210024)摘要:地下水库在水资源调控领域里发挥的作用已越来越大 ,地下水库的工程实践也有一定的基础,但在理论研究方面尚处于探索阶段,尚未形成统一的理论体系和工作规范.从概念上理解,地下水库应作为系统工程来对待,并非单一的储水库区;按照储水介质不同
2、可以将地下水库划分孔隙地下水库,岩溶地下水库和裂隙地下水库三大类,进一步按地下水库所处的地貌单元不同划分具体类型;参照地表水库的分级标准 ,将地下水库按照总库容划分为四个等级:特大型,大型,中型和小型.关键词:地下水库;地下水资源;水利工程中图分类号:P641 文献标识码:A 文章编号:167343836(2008)0243209436StudyonConcept,TypesandGradesofGroundwaterReservoirDUXin-qiang-LIYANge.YEXueyan【1.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,
3、Changchun130026:2.NanfingAcademyofHydroScience.Nanfing210024)Abstract:Groundwaterreservoirisplayingamoreandmoreimportantroleinthefieldofwaterresourcesregulation,andtheengineeringpracticesforitsconstructionhadcertainexperiencebasis,butthetheoreticalstudyongroundwaterreservoirisintheprimaryphaseyet,th
4、eirunifiedtheorysystemandworkcriterionhasntbeenformed.Theconcept,typeandgradeofgroundwaterreservoiraretheprimarytheoreticalissuesofgroundwaterreservoir,buttheseissueshavnlbeenstudiedspeciallyandsuchsituationisunfavorabletobuildinganddevelopingthegroundwaterreservoirtheorysystem.Fromtheconceptofgroun
5、dwaterreservoir,suchreservoirisakindofwaterconservancysystenengineeringbutnotonlytheundergroundstoragearea.Accordingtotheundergroundstoragemedia,thegroundwaterreservoircanbeclassifiedintoporousmediagroundwaterreservoir,karstgroundwaterreservoirandfissuregroundwaterreservoirtfilrthermoretaccordingtot
6、hedifferentphysiognomyelementwherethegroundwaterreservoirwasbuild,thereareelevenidiographictypesofgroundwaterreservoir.Basedonthegradecriterionforsurfacewaterreservoir,thegroundwaterreservoirwasdividedintofourgradesasfollows:oversizescale,largescale,nfiddlescaleandIittlescale.Keywords:groundwaterres
7、ervoir;groundwaterresources;waterconservancy修建地表水库一直是水资源人工调控领域中的主流方法,可用于防洪,供水,发电以及灌溉等目的.根据国际大坝委员会(/COLD)1998 对世界大型水库(坝高超过 15m,以及坝高为 515111,库容在 300 万 Hi.以上)的统计资料,全球地表水库总库容约为 6464km.然而,地表水库虽然带来了巨大的社会经济效益,但与之相伴的对环境与社会的影响也日益显现,其主要弊端体现在建库的环米收稿日期:20071122(修改稿)作者简介:杜新强(1977 一),男,黑龙江肇东人,吉林大学讲师,博士.主要从事地下水资源与
8、环境水文地质研究.Email:duxq77163.conl基金项目:水利部科技创新重点项目(SCX200305);南京水利科学研究院开放流动研究基金项目资助(YK90510)2l0 地下空间与工程第 4 卷境和经济成本高,建库风险大,水库运行的环境负效应多等问题;另外,蒸发损失大,贮水周期短,实际蓄水量不高等问题,也使人们对地表水库调蓄水资源的效果产生疑虑.鉴于地表水库的缺点,世界上一些国家开始大力推广利用地下水库储存和调蓄水资源的做法.但由于地下水库调蓄水资源过程缓慢,功能相对单一,不能完全替代地表水库的功能,因此,利用地表水库发电,防洪与调蓄水资源,仍十分必要;与此同时,有必要大力发展地下
9、水库,进行水资源的地下储存与调蓄的研究和实践.1 地下水库概念的界定尽管地下水库的工程实践由来已久,但世界各国对地下水库的理解尚未统一,至今也没有一个能够普遍被接受的科学概念,这对地下水库理论体系的构建与发展是十分不利的.1.1 关于地下水库概念的代表性观点关于地下水库的概念问题,已有较多的学者或多或少地提及.总体上来说,现有对地下水库的定义可以归纳为四类:地下水库就是含水层;地下水库就是蓄(储) 水构造;地下坝是地下水库的关键工程;地下水库是一种水利工程引.1.2 地下水库的本质特征地下水库是继地表水库之后所提出来的一种替代性和补充性的水资源调蓄形式,它存在于地下并起到与地表水库相类似的作用
10、,故称其为地下水库.地下水库的根本作用是在丰水期或用水量少的时候,将地表余水储存于地下,枯水期再将这部分储存量开采出来利用,同时为下一次储水腾出空间.其本质特征可归纳如下:1.2.1 根本目标地下水库要在丰水期将地表余水人为补给到地下储水构造中,改变了水资源的空间分布;丰水期的储存量要在枯水期使用,调节了水资源的时问分布,因此,地下水库是以调节水资源时空分布使其适应人类需求为根本目标.1.2.2 调蓄空间(1)地下水库是利用天然或人工形成的蓄水构造中的岩石空隙(包括孔隙,裂隙和溶穴)为地下水的储存与调蓄空间,这也是地下水库与地表水库最本质的差别;(2)为了能够实现水资源的丰储枯川,作为地下水库
11、的地下储水区必须具有相对封闭的边界条件,这样才能将丰水期的水资源储存住,不致在地下流失.符合以上两条的地下水库的调蓄空间可以认为是由天然或人工形成的地下储水构造.1.2.3 调蓄对象地下水库充分利用和强化地表水与地下水的相互转化关系,既调节了地表水量,也调蓄了地下水量,实现了地表水和地下水的联合利用.1.2.4 调蓄方式地下水库在枯水期或者用水量多的时候进行开采,而在丰水期或用水量少的时候进行人工补给,是一种以丰补歉,调节平衡的水资源开发方式.1.2.5 调蓄措施要高效地实现地下水库的功能,就必须对地下蓄水区进行人工干预,这种干预包括修筑地下挡水坝,进行人工补给和人工开采等.综合以上特点,我们
12、可以将地下水库的本质特征概括为:以岩石空隙为空间的水资源地下人工调蓄系统.1.3 地下水库与相近概念辨析(1)含水层(Aquifer)与蓄(储 )水构造(water咖?agestructure):含水层和蓄(储) 水构造只是建设地下水库的必要条件而非充分条件,即并非所有的含水层都适合作为地下水库的储水空间,必须考虑含水层的地理位置,调蓄空间,调蓄能力以及补给水源的保证程度等一系列限制条件.(2)地下水人工补给(ArtificialRecharge,AR):地下水库是以实现水资源的地下调蓄和实现地表水,地下水联合调度为目的,是地下水人工补给一地下储水一人工开采的统一体.因此,地下水人工补给工程通
13、常情况下只作为地下水库总体工程的一个部分,除此以外,地下水库系统工程中地下水开发利用工程,地下防渗工程,地表排水工程,管理监测系统等一系列的配套工程都是需要考虑的.(3)含水层储存和回采(Aquiferstorageandrecovery,ASR):所谓含水层储存和回采 ,是指在丰水季节将水通过注水井储存到合适的含水层中,当需要的时候,再通过该井将水抽取出来以供使用(Pyne,1995).它通过对含水层进行周期性的采补,有效实现了水资源的地下调蓄功能.从 ASR的运用目的,功能与工程组成上看,它都与地下水库十分接近.但本身的特点决定了它的定义内涵较小,只能做为地下水库的一种类型,其特殊性表20
14、08 年第 2 期杜新强,等:地下水库的概念,分类和分级问题研究 211现为:ASR 目前主要利用中深层水质较差的承压含水层;补给方式为地下井灌;每口补给井同时具有抽水功能.(4)水银行(VatelBank):19871992 年,加利弗尼亚州经历了长达 6a 的干旱,州长 PeterWilSOil 于 1991 年责令成立“干旱行动小组“,该小组的建议之一就是在用水紧缺时实施“水银行“ 项目.“ 水银行 “实质上是一个比喻,指水的一种购买和分配机制,“水银行“ 概念本身 ,包括了水权分配,水量调度和水资源支出等一系列内容.着名的美国 Kern 县水银行,实质上是该县“水务局+公司“ 的联合组
15、织,是按照货币银行的运作方式进行运营的机构,它虽然在运作过程中客观上可以形成一个地下水库(Kern 县地下水库 ),但它对水资源的调节并非是以技术手段来进行的,而是通过水权交易的方式以经济手段调节水市场供需矛盾的,地下水库在“水银行 “中只作为水权交易中的储水实体.因此,尽管它却从表面意义上较好阐述了地下水库的功效,但从科学概念上讲,它不能作为地下水库的替代术语.由于以上概念都不能准确完善地表达地下水库的本质特征,而且地下水库在建设,运行,管理以及功能上具有一定的特殊性,因此,有必要对将地下水库这一概念单独提炼出来,并赋与其相对准确的内涵,以奠定理论研究的基础,规范相关实践活动.1.4 地下水
16、库概念以地下水库的本质特征为基础,综合考虑国内学者对地下水库的理解,给出地下水库的概念以供进一步深入探讨:地下水库是指以岩石空隙为空间,在人工干预作用下形成的具有较强调蓄能力的水利工程.对于这个概念,可以从以下几个方面理解:(1)以岩石空隙为储水空间,这是地下水库与地表水库相比最明显的本质区别,而且岩石空隙的范畴较广,既包括松散岩类的孔隙,坚硬岩石的节理,裂隙,也包括碳酸岩类的溶穴,这一范畴适于在宏观上描述当前已建或拟建的各种地下水库类型;(2)地下水库的调蓄功能并不能自然实现,需要进行人工干预,人工干预不但包括修建地下坝,地下水人工补给和开采等工程性措施,也包括水资源的调蓄规划等非工程措施;
17、(3)能够发挥较强的水资源调蓄功能是地下水库之所以称为“水库“ 的关键 ,它要求地下水库能在丰水期或用水量少的季节储存地表弃水,而在枯水期或用水量多的季节能开采出所储存的水资源;而这一功能的实现也暗含着作为地下水库蓄水区所要求的基本条件,例如,含水层厚度大,介质水力传导能力强,补给水源充沛,补给途径畅通等一系列限制条件.但“较强的水资源调蓄功能 “毕竟还是一个定性标准,在不同地区可以根据具体的实际情况确定地下水库的适宜条件;(4)地下水库最终落脚于“水利工程“,有三个方面的考虑:符合水利工程本身的概念,水利工程是指对自然界的地表水和地下水进行控制,治理,调配,保护,开发利用,以达到除害兴利的目
18、的而修建的工程;强调地下水库是一个系统工程,不但要包括地下蓄水实体,还要包括一系列辅助工程;强调地下水库是水资源开发利用的一种方式,通过对地下水实施以丰补歉,调节平衡的开发方式,实现地表水与地下水的联合开发利用,从这个意义上说,地下水库是含水层地下水资源的最佳利用方式.2 地下水库的分类进行地下水库分类的目的主要有两个:有助于对不同特征地下水库在理论研究与生产实践过程中的经验总结,交流和推广;试图将现有地下水库纳入一个统一的体系之内.地下水库的分类应满足科学合理,普遍适用和实用性强等原则.2.1 现有分类方案现有的地下水库分类方案可以归纳为两类:2.1.1 按地下水库蓄水形式分类:(1)无坝地
19、下水库:指不需要建设地下挡水坝便能形成有效蓄水库容的地下水库;(2)有坝地下水库:有坝地下水库是指当储水区边界不满足封闭条件时,需要修建拦截地下潜流的挡水坝,形成地下水库的调蓄库容.2.1.2 地方性分类方案我国地下水库的建设和研究具有较强的区域性,已建地下水库主要分布在华北平原和环渤海地区,其中辽宁和山东在地下水库的分类方面有一定的研究.(1)辽宁:赵天石 (2002)结合地下水库介质,地貌成因和位置,人为开采情况等划分为五种类型:调蓄型,开采漏斗型,河谷型,陆地岩溶型,滨海岩溶型;(2)山东:山东是我国地下水库建设和研究起步较早的地区,已建和拟建的地下水库类型分为以下三种类型:山问河谷型,
20、滨海平原型,冲洪积扇型2l2 地下空间与工程第 4 卷地下水库.按地下水库蓄水形式进行分类的方案,虽然具有普遍适用的优点,但由于地下坝并非地下水库的必须工程,即地下坝不是影响地下水库功能的本质原因.因此,这种分类方案在实践应用中的指导意义不强.地方性分类方案虽然具有较强的实用性,但由于各地方地质,地貌类型上的差异和限制,又使得其分类方案具有明显的地域局限性,难以做到普遍适用.2.2 一种新分类方案的探讨地下水库大类的划分应体现地下水库在本质特征上的差异;亚类的划分应从实用出发,体现具体地下水库的个性差异.2.2.1 地下水库大类的划分由于地下水库的核心和基础在于储水库区,而库区储水介质类型不同
21、,对于地下水库类型,分布特征,运动规律以及动态特征等均有较大影响,直接影响地下水库在功能,建设和运用上的不同,因此本分类方案主张地下水库大类按蓄水介质类型划分为:孔隙地下水库(松散孔隙介质),裂隙地下水库(基岩裂隙介质), 岩溶地下水库(岩溶介质)三大类.以目前的地下水库建设的具体情况来看,主要是以孔隙地下水库和岩溶地下水库为主.关于裂隙地下水库,由于基岩裂隙水赋存区的岩性,构造及水文地质条件复杂,裂隙水的分布具有明显的方向性,不均匀性和连通程度不一致性,而且地下水补给条件多变,径流条件复杂,这些特征决定了在基岩裂隙水地区建设地下水库具有相当的难度,目前关于这方面的研究和实践很少,因此,关于它的详细分类问题暂不涉及.2.2.2 地下水库亚类的划分关于地下水库的亚类划分,我们要针对每一地下水库大类分别选择亚类划分原则,以便使分类更具有实用性和针对性.表 1 地下水库分类方案Table1Typesofgroundwaterreservoir大类具体类型主要特征工程实例山区山前
