王從榮，尤愛菊，束龍倉

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

地表水庫與地下水庫在水資源調(diào)控領(lǐng)域都發(fā)揮著較大作用，其中地下水庫可通過將部分多余地表水轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行多年調(diào)節(jié)，達(dá)到以豐補(bǔ)欠、調(diào)節(jié)水資源時空分配不均，進(jìn)一步提高水資源利用效率的目的[1]。相比于地表水庫，地下水庫具有不占用土地資源、庫區(qū)蒸發(fā)損耗小、受污染風(fēng)險較低等優(yōu)點(diǎn)，對缺水地區(qū)而言，在水資源開發(fā)利用中有較大的挖掘潛力。

1 地下水庫研究現(xiàn)狀與分類

地下水庫相對于地表水庫具有減少蒸發(fā)損耗、水質(zhì)污染風(fēng)險低等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外都有較早的應(yīng)用。

早在20世紀(jì)初，日本、美國、荷蘭等國家就開始地下水人工補(bǔ)給的實(shí)踐研究。1972年，為應(yīng)對水資源短缺，海水入侵等問題，日本在長崎縣野畝崎町樺島采用灌漿法建造了世界第一座有壩地下水庫[2]。自20世紀(jì)80年代以來，美國開始實(shí)施“含水層儲存和回采（Aquifer Storage and Recovery，ASR）工程計劃”，該工程通過注水井將水注入合適的含水層中，在需要時，再通過抽水井將水抽取出來以供使用[3]。20世紀(jì)50年代起，荷蘭阿姆斯特丹市引萊茵河水，利用天然風(fēng)積沙丘人工補(bǔ)給地下水[4]。

我國水資源缺乏并且時空分布極不均勻，國內(nèi)學(xué)者很早就提出地下水的人工補(bǔ)給和調(diào)蓄的概念，許多省份都積累了利用地下水庫來調(diào)蓄利用水資源的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1975年，在河北南宮利用古河道河床相砂層厚度大，透水性好的地下儲水空間修建的僅有深井回灌系統(tǒng)的南宮地下水庫，標(biāo)志著我國地下水庫發(fā)展的開端[5]。山東省修建的地下水庫多用于攔蓄調(diào)節(jié)地下水和防止海水入侵，具有代表性的地下水庫有：八里沙河地下水庫[6]、王河地下水庫[7]等。東北也是我國修建地下水庫最早的地區(qū)之一，比較典型的有大連市的龍河地下水庫[8]。我國南方一些巖溶地區(qū)依托地下巖溶建設(shè)地下水庫，如貴州省普定縣馬官地下水庫[9]。

我國目前地下水庫分類有2種：林學(xué)鈺[10]根據(jù)工程構(gòu)筑形式將地下水庫分為有壩、無壩和混合型3類；趙天石[11]根據(jù)地下水庫的介質(zhì)、地貌成因、位置和人為開采情況將地下水庫分為調(diào)蓄型、開采漏斗型、河谷型、陸地巖溶型及濱海型5種。第一種分類比較簡單、直觀，可以清楚地反映有無地下壩，但無法反映地下水流的特征，而地下水流的特征影響著地下水庫回灌和開采工程的布置等；第二種分類可較好反映不同地域特色，但分類依據(jù)較多。2種分類方法都無法概括所有的地下水庫。為克服以上缺點(diǎn)，李旺林等[2]采用儲水介質(zhì)分類法將地下水庫分為松散介質(zhì)地下水庫、裂隙介質(zhì)地下水庫、巖溶介質(zhì)地下水庫和混合介質(zhì)地下水庫，考慮同一類儲水介質(zhì)的地下水庫特性上的差異，由此再進(jìn)行二級分類（見表1）。

表1 地下水庫儲水介質(zhì)分類法表

2 地下水庫的主要研究內(nèi)容

在我國，地下水庫的研究主要集中在地下水庫的調(diào)蓄庫容分析、地下水庫回灌技術(shù)、地下水庫防滲技術(shù)以及地下水庫選址適宜性分析等方面。

2.1 調(diào)蓄庫容分析

在地下水庫庫容分析方面，一般認(rèn)為隨著儲水介質(zhì)不同，庫容確定方法也有較大差別。在巖溶介質(zhì)地下水庫，由于對喀斯特滲流場進(jìn)行勘察測試較困難，計算地下庫容時，存在信息不全、誤差較大等問題。為克服上述缺點(diǎn)，張禎武等[12]利用示蹤探測方法計算巖溶介質(zhì)地下水庫，示蹤劑因擴(kuò)散規(guī)律而對滲流場具有遍歷性、因質(zhì)量守恒而對流場充水空間具有可測性，所以計算的巖溶介質(zhì)地下水庫庫容較為接近實(shí)際。鄭德鳳等[13]采用蓄水空間幾何形態(tài)概化法對擬建地下水庫不同水頭高度的水庫庫容進(jìn)行計算。蓄水空間幾何形態(tài)概化法就是將巖溶管道概化為柱體形狀，將巖石空隙概化為三角錐體形狀，然后將柱體體積與三角錐體體積相加求和即得巖溶介質(zhì)地下水庫庫容。在松散介質(zhì)地下水庫，庫容計算誤差主要來自于給水度的確定，束龍倉等[14]討論了在給水度均值不變的情況下，庫容均值和均方差都隨給水度均方差的增大而增大；在給水度均方差不變的情況下，隨給水度均值的增大，庫容均值隨之增大，同時，庫容均方差也隨之增大，但增大的趨勢逐漸變緩。這些結(jié)論為地下水庫的合理規(guī)劃、人工回灌水量的準(zhǔn)確計算提供依據(jù)。

2.2 回灌技術(shù)

在地下水庫回灌方法方面，不同學(xué)者從不同角度進(jìn)行闡述。歸納起來，主要有池塘法、淹灌法、溝渠法和注水法。回灌時應(yīng)結(jié)合引滲地段的特點(diǎn)進(jìn)行選擇，同時應(yīng)考慮土壤類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形條件、有效補(bǔ)給面積、水質(zhì)狀況、水流特性、地下水流向、埋深及動態(tài)等[15]。在回灌技術(shù)方面，應(yīng)該考慮回灌區(qū)域的地理特性、降雨時空分布、多種灌溉方式結(jié)合等因素。一般而言，地表水回灌體系需要在短時間內(nèi)最大限度地將洪水回灌到含水層，此時需要考慮多種灌溉方式結(jié)合，注重點(diǎn)面結(jié)合、平面均衡布置、淺層與深層相結(jié)合等[16]。

2.3 防滲技術(shù)

在地下水庫防滲技術(shù)研究方面，不同學(xué)者從不同層面進(jìn)行闡述。例如：在地下水滲漏勘察方面，傳統(tǒng)巖溶庫區(qū)滲漏及壩基滲漏勘察往往需要投入大量人力、財力，而利用地下水示蹤技術(shù)，難度小，易操作，投入低，可以為查明滲漏途經(jīng)和發(fā)展趨勢提供直接幫助[17]。在地下水庫防滲處理技術(shù)方面可歸納為修筑圍堰、澆筑截水墻、帷幕灌漿、截滲壩等[18]。在充分查明地下水庫地貌、水文、氣候、巖性、水動力條件、地質(zhì)構(gòu)造條件后，采取有針對性的防滲措施。

2.4 選址適宜性分析

在地下水庫選址方面，由于含水層空間自然條件復(fù)雜多樣、不確定性因素較多，通常選擇邊界條件清楚的天然儲水構(gòu)造，在建立地下水庫之前必須對庫區(qū)的水文地質(zhì)條件做出系統(tǒng)、準(zhǔn)確、全面的評價[19]。主要觀點(diǎn)可總結(jié)為：一是以地下水作為供水水源，選擇水文地質(zhì)條件優(yōu)越、含水層富水性強(qiáng)、水質(zhì)良好、補(bǔ)給條件好、具有多年調(diào)蓄功能的地下水庫作為地下水水源地；二是遵循豐補(bǔ)旱采，以豐補(bǔ)歉的原則，保證在枯水年有足夠的儲存量可以借用，在豐水年有足夠的水量可以儲存；三是地下水和地表水聯(lián)合調(diào)蓄的原則，充分利用本區(qū)優(yōu)良的地表水入滲條件及充足的調(diào)蓄水源，實(shí)施地下水和地表水聯(lián)合調(diào)蓄[20]。

3 地下水庫現(xiàn)狀研究的不足

從1975年南宮地下水庫建成至今，我國對地下水庫的應(yīng)用和研究已有40多年的歷史，然而還存在一些問題和不足。

3.1 研究類型具有局限性

多數(shù)文獻(xiàn)研究的地下水庫主要為巖溶地下水庫和松散介質(zhì)地下水庫，在庫容計算、水庫回灌、水庫防滲和水庫選址方面遇到的問題、所用的方法和得出的結(jié)論主要適用此類型。上述2類地下水庫是基于自然構(gòu)造形成的，而基于人工構(gòu)造的可蓄水工程如坑道，尚未納入地下水庫的研究對象中?？拥涝谖覈鴱V泛存在，原有功能主要用于運(yùn)輸?shù)V石、廢石、材料、設(shè)備以及通風(fēng)排水和行人等。近年來，對坑道在蓄水方面的利用需求日益增長，但是目前針對該類型地下蓄水工程的相關(guān)研究較少。

3.2 回灌水源的影響分析較少

回灌水源問題包括水質(zhì)問題和水量問題，水源對地下水庫的功能發(fā)揮影響較大，但國內(nèi)關(guān)于回灌水源的相關(guān)分析研究較少?；毓嗨此|(zhì)問題主要是回灌水對地下水環(huán)境的影響、地下水環(huán)境對回灌水源的影響以及回灌水在地下水庫存儲的過程中水質(zhì)的變化情況等?；毓嗨此康膯栴}主要是如何做到以豐補(bǔ)欠，能否通過建立水量調(diào)度模型調(diào)節(jié)水資源時空分配不均，提高水資源的利用效率；當(dāng)回灌水源為區(qū)域調(diào)水時，水源成本因素分析等。

3.3 環(huán)境效益研究相對較少

從相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，地下水庫工程建設(shè)評估多數(shù)是以其經(jīng)濟(jì)效益為主要指標(biāo)。地下水庫工程雖具有不占用土地資源等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是否會帶來其他環(huán)境問題，目前國內(nèi)關(guān)于地下水庫影響評價研究較少，地下水庫的環(huán)境效益風(fēng)險性研究尚不多見。

3.4 水質(zhì)保護(hù)問題

由于地下水庫一旦受到污染，通過自身凈化能力很難將其清除，故其污染防范措施十分重要。目前我國對地下水庫水質(zhì)監(jiān)測以及水庫受到污染后的應(yīng)對措施研究較少。

4 地下水庫研究方向探討

4.1 坑道型地下水庫關(guān)鍵技術(shù)研究

坑道型地下水庫相關(guān)研究包括庫址選擇、庫區(qū)建設(shè)、水資源調(diào)蓄、水質(zhì)監(jiān)測等方面。庫址選擇可從地質(zhì)條件、供輸水工程布局、環(huán)境生態(tài)效益等方面考慮；庫區(qū)建設(shè)可從庫區(qū)勘探、庫區(qū)防滲等方面考慮；水資源調(diào)蓄可從地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄、跨區(qū)域水源調(diào)蓄等方面考慮；水質(zhì)監(jiān)測可從水源水質(zhì)以及庫區(qū)地下水存儲期間水質(zhì)變化等方面考慮。

4.2 回灌水源的水質(zhì)、水量保障技術(shù)研究

水源水質(zhì)是地下水庫效益評價的重要因素。在水庫回灌過程中，應(yīng)充分考慮回灌水源水質(zhì)是否滿足要求，如不滿足，應(yīng)考慮相關(guān)的凈化技術(shù)。開展回灌水對地下水環(huán)境的影響研究，尤其是含水層對回灌水水質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制。建立地下水庫及周圍地下水水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測地下水水質(zhì)的變化。進(jìn)行回灌水水量評估與分析，建立水庫調(diào)度與供需水平衡分析模型，通過優(yōu)化調(diào)度，最大限度提高水資源利用效率。

4.3 地下水庫環(huán)境效益評價技術(shù)

綜合考慮修建地下水庫對環(huán)境造成的影響，例如：地下水庫會不會引發(fā)庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害；地下水庫會不會造成庫區(qū)日夜溫差發(fā)生變化，改變庫區(qū)的氣候環(huán)境；由于地下水位抬高，會不會造成土壤鹽堿化，影響庫區(qū)農(nóng)作物生長等。

4.4 地下水庫水質(zhì)污染防范技術(shù)

保護(hù)地下水庫水質(zhì)不受污染可從治理污染源、控制污染途經(jīng)以及實(shí)施地下水污染防治措施等方面進(jìn)行。在污染源方面，可以調(diào)整工、農(nóng)業(yè)廢水排污點(diǎn)位置，納污水體設(shè)置截留工程等；在污染途經(jīng)方面，采取防滲措施、減少污染面積等；在防治措施方面，可以建立地下水庫環(huán)境評價體系和監(jiān)控機(jī)制等。

5 結(jié) 語

地下水庫作為一種環(huán)保型水資源開發(fā)工程，可以通過地表與地下水的聯(lián)合調(diào)蓄，達(dá)到以豐補(bǔ)欠、調(diào)節(jié)水資源時空分配不均。地下水庫不僅可以有效解決生態(tài)環(huán)境惡化和海水入侵，還可以緩解水資源短缺等問題。同時，地下水庫在坑道型地下水庫方面還未深入研究；回灌水源的水質(zhì)、水量是地下水庫建設(shè)與管理的關(guān)鍵；地下水庫環(huán)境效益評價可分析地下水庫建設(shè)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，避免修建地下水庫對環(huán)境造成負(fù)面影響；地下水庫水質(zhì)污染防范技術(shù)研究可以為地下水庫水質(zhì)提供保障，建立地下水庫環(huán)境評價體系和監(jiān)測機(jī)制是未來深入開展的方向。所以，地下水庫將有十分廣闊的發(fā)展前景。