对地下水库基本概念的一点认识

董伟科 栾 琦 刘 阳

（大连北方基础工程有限公司 辽宁 大连 116037）

0 前言

据世界“水组织”最新估算，淡水资源占地球总水量的6%，减掉冰盖、冰川等，那么地下水几乎占有了淡水资源的全部。地下水泛指充分饱和了的土层和地质层中的地下水位以下的水体。大气降水是地下水资源最基本来源之一，由于陆域上各种因素的影响，导致大气降水系分布的不均匀性，因此，陆地水资源在时空领域分布上亦不均衡。地表径流（面状、线状、常年性和季节性等）和各类地下径流的存在，造成很大程度上的水资源浪费，如何利用各种工程手段，有效的拦截这些径流取之利用，成为现今专家、学者广泛观注的课题。“地表储水体系”即地表水库，成为迄今为止水利工程建设的主体。对于地下水库的概念，世人之今还比较陌生，工程实例也较少，仅在国内及少数省份以探索、研究的方式开发利用，缺乏根本性的认识。

国外一些学者经过系统的研究分析，将地下水库称之为“环保型水资源开发工程”。近几年这类工程，国外发展速度很快，日本、以色列、美国、荷兰、前苏联、法国等国家，早在上个世纪二、三十年代就已开始这方面的工程实践。我国在20世纪80年代后也相继在北京、河北、山东、大连等地试验性的建设了一批不同类型的地下水库（见表1），取得了宝贵的经验。

表1 我国已建的部分典型地下水库

目前还有一批滨海河谷型地下水库正在辽东半岛和山东半岛孕育施工，有力地显示了这种环保型水资源开发方式的强大生命力，尤其在水资源贫乏海水入侵严重的滨海地区，实践意义更为重大,不失为一种即可充分地开发地下水资源又可有效地防止海水入侵的可靠的地下水开发模式。

笔者根据我国的部分省、市成功的建成这类工程实例，在我公司以往研究成果的基础上，就地下水库其本概念和有关的几个基本问题取得了一点认识与同行学者一起共同探讨。

1 地下水库基本概念与分类

1.1 地下水库基本概念

地下水库是以岩石天然空隙为储水空间并在人工干预作用下形成的储存水资源和调蓄能力的一种地下水开发工程之一。所谓天然储水空间就是指地下含水层，包括天然状态下坚硬岩石存在的裂溶隙、溶洞和松散堆积物中的空隙、孔隙等。从大的“水文循环”理论到专门水文地质学科来说，这些天然含水层在地壳内，由外动力地质作用下形成了很多形式不一的储水构造，如：冲洪积扇、冲积平原、洪积锥、岩溶储水构造、断裂储水构造等，这些储水构造无论充水与否都构成了巨大的储水空间，被水文地质学家称之为“天然地下水库”。地下水库与地表水库相比，二者都是以储存和调节水资源为基本目的，但是由于它们处地貌和地质体的不同位置和不同的空间及所处的不同的水文地质环境，因此存在着较大的差异性：

其一，它们拦截方式和储存水的对象不同。地表水库主要拦截地表径流，以大气降水为主要来源储存对象，形式上比较直观易见；地下水库是通过某一区域大气降水入渗拦截地下径流，它的储存对象和赋存方式来源于地下，因此客观上比较隐蔽和复杂。

第二，地表水库将水储存在人工修建的地表空间中（如峡谷、洼地等），仅是水的单相运转体系；地下水库将水储存在天然的地下含水（储水构造又称“蓄水空间”）介质中，形成“地下水运移—调蓄”完整体系。

第三，地表水库必须要有地表拦水坝和平面上的蓄水空间，这是水库的主体，渗漏、决堤、污染等问题是它的敝端；地下水库仅需地下截水坝，平面上不需占地空间，天然的岩、土体成为它的良好绿色屏障，有利阻止地表污物和海水倒灌等污染问题。

第四，地下水库需有辅助性的人工补给系统实现库容内的蓄水（天然含水层除外），如连通井、引渗渠、沟等，将大气降水引入地下含水层中，这是实现调蓄的基本条件之一；地表水库不需要这种工程，地表拦截和引进天然地表径流自然汇入即可。

第五，地表水库的很多功能如航运、发电、养殖、旅游等是地下水库所不具备的，地下水库也有一些特殊功能如储能功能。

1.2 地下水库的分类

地下水库的分类是一个比较复杂的问题，可以从很多角度进行分类。曾有的学者以有无地下水坝的角度将地下水库分为两大类，即：①天然地下水库；②人工地下水库。又有人提出以地方性分类方案，还有人按地下水库规模的大小以大型-中型-小型来划分，总而言之，众说分云。笔者认为在实践中不必过多的拘泥于复杂的分类，实际应用中结合地区水文地质条件和地貌特点进行分类，重点考虑地下含水介质、地貌成因和所处位置及开采状况等因素，以这种方式分类，地下水库不外乎有如下五种基本类型，即：①调蓄型；②开采漏斗型；③河谷型；④陆地岩溶型；⑤滨海岩溶型。它基本函盖了目前我国已应用的地下水库的全部类型。

2 地下水库的基本组成

根据我公司在大连地区勘察设计（含可行性研究）和建设龙河地下水库、三涧堡地下水库、三官庙地下水库、青云河地下水库等和外省市地下水库的建设经验，笔者认为地下水库的组成应包括四个基本功能部分：一是，具有天然储水构造的有效库容；二是，拦截地下径流的围帷坝（隔水边界完整的储水构造可省略）；三是，地表拦水和引渗功能系统；四是，地下水开发利用工程。当然，在地下水库实际应用中，还需一些辅助性工程与之相匹配，如地表排污处理、滨海区库内残留咸水体的处理和地表海水拦截及管理监测系统等。众所周知，理想的水资源开发模式是：中上游建“地表水库”，中下游建“地下水库”，实现地上、地下全流域绿色的地表水库-地下水库联合开发的理想模式，地下水库是实现这一模式的重要组成部分，而上述主体工程和辅助工程的确立，正是地下水库绿色、良性运转的保证。

2.1 确立地下水库库区

地下水库的库区既边界条件清楚的储水构造。地下储水构造是指在一定的地质、地貌、地质构造和水文地质条件下形成的蓄水空间和三维边界条件的总和。评价地下储水构造的特征有这样几个方面：一是，通过地质勘察确定储水构造的三维边界和几何特征；二是，确定组成储水构造的天然含水层的空隙率（孔隙率、裂隙率、岩溶率），确立天然含水层组成的地下水库的库容量（地下水储存能力）；三是，勘察研究、分析地下储水构造的边界条件和边界性质（流量边界、隔水边界、混合边界、水质边界等）；四是，确定地下水储水构造含水层的渗、流场特征以及其它与之相关的特性。

2.2 修筑地下拦水坝

地下拦水坝是拦截地下水径流的主体工程，也是地下水库的人工隔水边界。作为地下工程，其施工方法一般有：明挖施工法、地基改良施工法（灌注施工法）、预制防渗材料施工法、地下连续墙施工法、钢板桩法、排列桩法等，这些都是借用了岩土工程的施工方法和手段实现的。作为隔水边界它的隔水作用是双向的，即可阻止库区内地下径流的外排，又可阻止库区外地下径流的侵入（如海水入侵），还可以在提高库区地下水位的同时，提高包气带含水量，改善土壤墒情。

2.3 地表水拦截和引渗

这是实现地下水库调蓄的一项关键性工程。一般情况下，对库区表层透水性较差的岩、土层进行改良，以增大地表水的入渗能力和延缓地表径流速度。地表水通过引渗、拦截将更多的地表水灌入库区地下含水层中，人为增加地下水的补给量（也称为“人工补源”）。实际上这一举措目的就是建立地表径流与库区内主要含水层间的密切水力联系，改善径流通道，人为增大径流通道的渗透系数，提高入渗率和入渗效应。地下水库经人工补源后，对天然含水层来说形成了新的人工补给点和补给面，而对天然补给量来讲这又是一种扩大的补给量，可称之为第二补给量，其补给量一般可以通过野外原位试验的方法测定。

实施这种引渗、拦截的方法，目前大多采用开挖法（回填反滤层）建设引渗坑、引渗槽（垂直地表径流方向）、引渗沟等，对深部含水层要修筑人工回灌井（井深≥含水层的顶板）。在引渗、拦截整体工程中，应注意回灌水质的检测，其标准根据地区性用水的目的不同而定，我国一般采用饮用水质标准进行处理回灌。目前国外个别国家对回灌水也采用二度处理法进行回灌（荷兰）。

2.4 地下水开采工程（取水工程）

实际是指通常的地下水开采方法，除了各种类型的取水井外，对于含水层埋藏较浅、水资源丰富的较大型地下水库，更适用于集水廊道的开采模式，其特点供水途径明了简便、快捷，便于输水线路维护，适宜现代化大型工、农业生产所需的集中供水、经济效益优越等条件。

2.5 辅助性工程

2.5.1 地表排污处理

是保障地下水库绿色环保的重要措施之一，它是将地下水库库区的各类废水、废液和工、农业及生活垃圾等集中起来，排到区外或废水、废品处理厂，防止人为污染地下水和含水层。

2.5.2 残留咸水体处理

滨海地区的地下水库近海地段，通常已受到不同程度的海水入侵，在原有的含水层中残留一定量的咸水体，无疑它的存在，造成库内水质变坏。缓解或根治这一污染的方法：一是，采用药物分解排出法处理，这种方法只在极少数国外小型地下水库中应用，成本高且易造成二次污染，笔者不建议采用；二是，大流量强抽水的方式进行往复疏干排放处理，在库区内形成疏干—重畜水过程的自然溶解淡化，特别是在海水集中污染的区域，这种处理方法效果鲜而易见。以我公司已建的龙河地下水库为例，由库区内三口监测井水质分析资料不难看出，1999年一次疏干-畜水过程完成后，Cl-由1675.6mg/L变为502.18 mg/L，减少了三倍以上，2000年疏干—畜水取样分析，Cl-由502.18mg/L变为282.41mg/L，减少了近二倍，经过三年的取水—畜水自然溶解淡化过程，现今Cl-含量基本已达到饮用水质标准。

2.5.3 地表拦潮工程

滨海河口拦潮工程是为了防止海潮侵入地下水库库区修建的地表水利工程，如翻板拦河闸、橡胶坝等，这种地表水利工程虽然简单，但有其特殊的功能要求，主要起到拦潮、拦截地表水和泄洪的三种功能。

2.5.4 管理监测系统

它的确立对地下水库的信息采集、处理、控制和反馈致关重要，曾有学者称之为“地下水库的灵魂”。应该指出这一系统的研究对象，除了包括地下水相关信息外，如水位、水质、水温、开采量，还应对水文、气象相关信息的采集，如降雨量、蒸发量、河流径流量、河流水质及其它污染信息等。地下水库控制中心和区域地下水库管理中心将对采集的信息，直接或间接的反馈到管理者或面向用户，以提省当前地下水库所处的状态，达到控制地下水库良性运转的目的。从水地质环境的角度看，地下水位过高和过低都将导致环境水文地质问题的发生，例如：含水层疏干、沼泽化、盐渍化、咸水入侵等。因此，控制系统的基本功能是控制地下水位、开采量、回灌量、水质等，实现我们所需要的地下水可持续开发利用，显然控制系统的实现是要以信息反馈为前提。

3 地下水库的发展前景与存在问题

3.1 发展前景

在水资源保护和可持续开发利用地下水资源的今天，地下水库是继地表水库之后所拓展出的一种替代性和补充性的水资源调蓄形式，它以巨大的环保效应和可持续充分利用水资源开发效应将成为新世纪的最重要的水资源开发模式之一，因此，展现出一系列发展前景：

①不动迁居民，原则上对地面其它建筑影响很小，因此建设成本较低；

②安全性较高，没有跨坝和洪水决堤的危险以及水库诱发地震的发生，也没有岸边侵蚀和再造等次生环境地质问题；

③库区内地下水蒸发损耗小，建库条件比较简单，尤其提高了水资源可调蓄空间，为地表水、地下水联合调度提供了基础条件；

④绿色环保和城乡建设环境效果明显，无需占地，有效的利用土地资源，在滨海地区减小海水入侵等一系例污染问题。

3.2 存在问题

尽管地下水库有它诸多不可比拟的优越性，但在我国目前地下水库理论研究和实践方面也还处于初级发展阶段，许多问题尚在探索之中如：

①地下水库的资源量计算相对困难，误差亦较大；

②库区选址勘察精度高，工作量大、运转使用周期较长，地下坝工程检测技术和方法较复杂；

③管理中的社会问题较多，补给、开采和水位必须处于受控状态，需要建立一个较完整的综合利用、开采规划系统。

4 结论

地下水库被称为环保型水资源开发工程，在水资源可持续开发战略日受关注的今天，在水资源开发应用中的作用十分重要。地下水库利用天然储水空间，扩大储存水资源是一种新的地下水开发模式，它具八个功能组成部分，其中四个为基本组成部分，包括库区、拦水坝和引渗回灌及地下水开采工程。地下水库即有其它的优越性和也存在一定的问题，但它将以“环保型水资源开发工程”显现其广阔的发展前景。

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