地下水超采治理与地下水库的开发利用

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  【摘 要】 河北省是严重缺水的地区,也是地下水严重超采的地区。河北省地下水每年超采量约50-60亿m3。由于地下水严重超采,地下水位持续下降,部分地区已经造成了海水入侵、地裂缝、地面下沉、水井报废、河道干枯等严重的生态系统退化現象。因此,加大地下水超采治理以及地下水库的开发利用已是当下人们最为关注的问题。本文就地下水超采治理与地下水库的开发利用进行了分析研究。
  【关键词】 地下水超采;地下水库;开发利用
  目前,河北省委、政府决定下大力量对地下水超采进行综合治理,用3-5年时间从根本上解决地下水超采问题。对此,财政部出台了《关于推进河北省地下水超采综合治理的政策建议》,国务院汪洋副总理对此作了重要批示、水利部出台了《关于推进河北省地下水超采综合治理试点的意见》。河北省编制完成了《河北省地下水超采综合治理方案》。以黑龙港及运东地区深层地下水超采区为重点,实施“五大工程”,采取“五大措施”,通过采取调水、节水、挖潜、治污、管理等综合措施,到2017年全部建成引江、引黄等地下水压采替代水源工程,节水能力大幅提升,地下水超采状况得到有效遏制,地下水超采量减少38亿立方米以上,压采率达到74%;浅层水基本实现采补平衡,深层水超采状况得到极大改善;地下水漏斗中心水位和城市市区地下水位明显回升,区域地下水位下降速率明显变小,丰水年止跌回升。南宫地下水库作为地表、地下水相互转化,水资源可持续利用的大型调蓄工程,充分开发利用这一工程是遏制农业灌溉超采深层地下水的新手段,是高效利用引黄水的新途径,是利用古河道进行调蓄的综合性示范工程,是保障南宫市“五位一体”社会主义现代化建设的重要基础性工程。
  南宫地下水库是我国发现最早,储水量最大的地下水库之一。早在1975年北京大学和河北省地理研究所的专家认为南宫段古河道带可作为地下水库开发利用。1977—1982年,经过两阶段的试验研究工作,基本查明了库区地质、地貌,库区边界,取得水文地质参数、回灌入渗途径及能力等系列成果。专家鉴定意见提出,南宫地下水库建设对解决黄淮海平原水资源和调蓄外调水提出了新的途径,是治水技术的新发展,具有一定的代表性。对今后南水北调,地下蓄水可能性提供了依据。
  一、南宫地下水库概况
  南宫地下水库位于河北省南宫市东南部,距南宫市区大约30公里,在黄(黄河)、清(清水河)、漳(漳河)古河道带上,以古河道带砂岩体作库容。库区南北长约20km,东西宽约10km,面积206km2,库底埋深约34m,蓄水总量4.6亿m3(水位埋深3~34m)。库区范围内涉及段芦头、紫冢、董家庙、垂杨、明化5个乡镇办事处,101个行政村。
  根据物探与钻探资料分析,该库区内地面以下至埋深34米岩性以细、粉砂为主,其次是中细砂和亚砂土、少量粘土,砂体平均厚度约20米左右,是良好的储水构造。34米以下是棕红色的粘土层,厚度为2-7米的块状结构,致密坚硬,是理想的天然库底。水库东、西两侧为亚砂土、亚粘土和粘土,有较为明显的边界;水库上游清河县、下游枣强县同属一条古河道带,根据水文地质试验结果,上下游地下水流速度趋于零,不需要筑坝。
  二、地下水库开发利用的依据
  南宫地下水库自上个世纪七、八十年代发现并开展试验研究,为当时实现地表水、地下水联合调度运用和粮食增产作出贡献。近年来,南宫市依赖超采地下水保障农业生产,亟需外来水补充,但引黄来水与农业用水时间不匹配,需要利用地下水库进行调蓄,实现高效利用,并压减地下水开采量。
  1、南宫地下水库试验研究依据
  1975年,由北京大学和河北省地理研究所的专家在南宫考察古河道时发现,认为该古河道带可作为地下水库开发利用。南宫地下水库位于第四纪以来的全新世时期黄、清、漳河古河道带上,属湖积冲击泛滥平原地貌单元,发育在更新世中晚期的红棕色粘土层上,水库库容主要是古河流相砂岩体。
  1977~1979年,由河北省地理研究所、南宫县水利局共同承担第一阶段试验任务,重点开展了地貌测绘、地质勘探、水文地质参数试验、库容计算、回灌水源初步分析、地下水动态观测等基础条件的试验研究工作,基本确定了水库四周边界,库区面积206km2;库底埋深34m,下为一层厚2~5m的粘土层,是较理想的隔水底板;在水文地质试验的基础上,根据不同岩性的给水度,将含水体分成若干区域利用体积法求出总容积为5.2亿m3,并结合当时的补给水源、入渗、取水等条件确定地下水埋深2~8m作为兴利调节范围,兴利库容0.84亿m3、调节水量1.12亿m3。
  1980~1982年在库区东南10km2的中心试验区进行了三次较大规模的引水回灌试验,重点进行了回灌水源补充分析、灌溉回归试验、回灌前后水土分析、开采量及成本典型分析、降雨对地下水补给量分析、地下水库水资源均衡分析等研究工作,在当时条件下(地下水埋深2~4m)主要结论如下:
  (1)清凉江具有一定的洪量和行洪历时,为近期南宫地下水库引洪灌溉提供了条件。溹泸河水量小,保证率低,实用价值不大;
  (2)在包气带岩性以粉砂、亚粉砂为主的古河道地区,利用渠道、坑塘、荒地等地面回灌入渗方式的稳定入渗率为2~5mm/h,平均入渗率可采用6~13mm/h,回灌影响范围可达回灌水面面积的30~80倍,回灌补给系数为75%左右;
  (3)灌溉回归系数在包气带岩性一定时与灌水定额、灌前地下水埋深、包气带土壤含水率有关。在地下水埋深较大时,包气带蓄水量是很可观的数值,相当于一个土壤水库。包气带岩性为粉砂,地下水埋深在3.0m时,潜水蒸发很小;
  (4)引洪回灌是改善地下水水质的较佳途径,能使水土向有利方向发展,三次回灌前后水土分析对比资料充分说明了这一点。但混入一定的工厂排污水的少量洪水尾水,不宜作为回灌水源。
  (5)通过群井开采所得的给水度μ=0.103~0.109,与单井抽水试验成果μ=0.113很接近,可直接用于类似地区。   (6)降雨多年平均入渗补给系数0.31,汛期多年平均补给系数0.36;
  (7)在天然补给条件下,库区最低静水位控制在埋深8m为宜,可灌溉21万亩农田。若考虑人工补给,效益会更大。
  2、相关政策文件依据
  (1)《河北省南水北调中线一期工程受水区地下水压采实施方案》
  为落实2011年中央一号文件明确提出的到2020年地下水超采基本遏制的目标,结合河北省实际,制定的实施方案要求,……利用部分引黄水替代非城区农业开采的地下水。
  (2)《河北省引黄工程规划》
  《河北省应对缺水方略及近期实施意见》已经河北省政府批准,《河北省引黄工程规划》是其主要专题之一。南宫市为《河北省引黄工程规划》中已实施的引黄入冀工程(位山引黄)受水区。
  (3)《河北省南宫市2010-2020年农田水利建设规划》
  规划提出,按照当地节水、引调客水的原则,在大力发展节水农业的基础上,积极建设引黄灌区,用足用好引黄水。
  三、地下水库开发利用的必要性
  南宫地下水库工程是遏制农业灌溉超采深层地下水的新手段,是高效利用引黄水的新途径,是利用古河道进行调蓄的综合性示范工程,是保障南宫市“五位一体”社会主义现代化建设的重要基础性工程。
  1、地下水库的特点
  南宫地下水库具有:(1)把地下水转化为地上水,地上水转化为地下水,能吞能吐,能采能补的调节功能;(2)蓄水量大,蒸发、渗漏少;(3)水体不易受污染,而且通过沙岩体对补给水可起到过虑净化作用;(4)开发利用该水库工程占地少,不需要拆迁、移民,工程量小,投资少、效益高等特点。
  2、是用足用好黄河水的新途径
  从全省情况看,《黄河流域水资源综合规划》表明:黄河水资源衰减后,河北省与天津仍享有18.44亿m3黄河水量指标。自1993年至2011年,利用位山引黄入冀工程我省共实施引水17次,其中临时引水2次,正式引水15次,共引水32.733亿m3,年均引水量仅1.93亿m3,远低于位山线路年设计引水5亿m3指标。
  从南宫市近几年引黄情况看,2007~2012年共6年时间,南宫市利用位山引黄入冀工程共引水约3400万m3,年引水量约200~1300万m3,远低于设计引水量。
  没有用足用好黄河水的其中一个主要原因为引水时间与灌溉时间不匹配,又缺少经济合理的调蓄工程。
  调蓄工程可分为地表、地下两种方式,地表水库占地多、投资大、管理维护费用高、蒸发损失大、抵御自然灾害等风险能力较低;而地下水库具有蒸发损失小、占地少,基本没有淹没、溃坝问题,投资少、安全性高等优点。
  地下水库是利用地下的天然储水空间储存、调蓄水资源的一种地下蓄水工程,主要包括天然储水构造组成的地下水库库区、引渗工程、地下水开采工程三部分。在国外发展较快,美国、日本、法国等国家和地区,从上个世纪二三十年代就已经开始这方面的工程实践,我国地下水库建设起步相对较晚,从六七十年代開始,北京西郊、山东龙口、大连旅顺等地区陆续建设地下水库调蓄工程,并取得宝贵经验。
  南宫地下水库位于古黄(河)、(大)清(河)、漳(河)故道上,经1977~1982年试验研究,具有较好的入渗、储水、开采条件,需要很好地开发利用。
  3、是农业灌溉超采深层地下水的替代方案
  2011年南宫市总人口为47.5万人,工业增加值为26亿元,南宫市现有耕地面积89.6万亩,有效灌溉面积为66.9万亩。用水总量为8840万m3,其中城镇生活用水247万m3,占总用水量的2.8%;农村生活用水421万m3,占4.8%;工业用水825万m3,占9.3%;农业用水7247万m3,占82%;生态用水100万m3,占1.1%。
  2011年南宫市供水总量为8840万m3,地表水为200万m3,地下水为8640万m3,其中深层地下水开采量为7652万m3,占总用水量的86.7%。由于长期超采深层地下水,使地下水采补严重失衡,导致地下水位持续下降,形成以南宫焦旺为中心的南宫漏斗,截止2011年底,漏斗面积达140km2,漏斗中心埋深83.15m,并仍有不断扩大加深的趋势。
  经分析可知,南宫市农业灌溉水量7247万m3,基本靠超采地下水维持,地下水位持续下降,导致机井报废,造成地面沉降、塌陷等环境隐患。
  地下水库的开发利用将有效缓解农业灌溉长期超采深层地下水的局面,从而遏制水生态环境不断恶化的趋势。
  4、开发利用的外部条件
  4.1引黄入冀工程
  上世纪80年代末,在国家农业开发项目的支持下,为缓解河北省黑龙港地区农业缺水局面,于1991年12月确定修建位山引黄入冀工程。
  引黄入冀工程渠首位于山东省聊城市,利用聊城市现有位山引黄灌区输水系统,经位山三干渠、小运河至临清市南,通过穿卫枢纽,在临西县刘口附近进入河北省,接新开渠、二支渠、东干渠、新清临渠,于张二庄闸上入清凉江。供水范围涉及河北省黑龙港及运东地区的邢台、衡水、沧州三市23个县(市),主要用于农业及生产生活用水,引水时间为冬四月,入境水量指标为5.0亿m3。
  南宫市引水口位于引黄干渠清凉江张二庄节制闸上游500m处,利用清凉江扬水站引水入清西干渠。由于引水时间与用水时间不匹配,工程不完善等原因,自2007年至2012年,利用位山引黄入冀工程,南宫市共引水约3400万m3,年引水量约200~1300万m3,远低于引水能力。
  4.2引黄入冀补淀工程
  《引黄入冀补淀工程项目建议书》已通过中资公司组织的评估,充分肯定了项目建设的必要性,目前正在开展可行性研究的编制工作。
  引黄入冀补淀工程渠首位于河南省濮阳市,利用濮清南灌区输水系统,经穿卫倒虹吸进入河北省,沿新开渠入留固沟、东风渠、南干渠、支漳河、老漳河、滏东排河、北排河、献县枢纽段、紫塔干渠、陌南干渠、古洋河、韩村干渠、小白河东支、小白河和任文干渠最终入白洋淀,线路全长397.556km。为白洋淀和沿线黑龙港、大清河淀东地区农业灌溉供水。
  引黄入冀补淀工程为南宫地下水库提供了又一可能水源,自东风渠引水,经老沙河、东风四分干,最终至水库范围内的溹泸河,实现自流引水。可用于应急备用,亦可用于远期规模扩大。
  4.3各级领导的大力支持
  为了解决华北平原因超采地下水引起的一系列环境生态问题,各级领导均高度重视。2013年4月水利部李国英副部长专程到南宫地下水库进行考察提出:南宫地下水库开发利用工程作为地表、地下水相互转化可持续利用水资源的全新课题,是雨洪资源利用、外调水地下调蓄研究、地下水超采综合治理的性示范项目一定要做好。
  综上所述,以上为开发利用南宫地下水库奠定了坚实基础。
  总之,开发利用南宫地下水库就是充分利用区域内古河道发育、地质单元较为封闭完整的优势,通过兴建引水、回灌、取水及配水等工程构成南宫地下水库工程系统,提高外调水特别是引黄水的利用效果,解决引黄水与区域内农业用水时间不匹配问题,增加区域内水资源供给,减少深层地下水开采,从而遏制地下水位持续下降的趋势。
  作者简介:
  杜和景,1959.5,男,高级工程师,农村水利技术推广应用,身份证号码132201195905080019
  石宏恩,1975.10,男,汉族,河北省南宫市水务局,助理工程师,农村水利技术推广应用,身份证号码132201197510100491
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