王興超

(煙臺市城市水源工程管理局,山東 煙臺 264000)

水問題是困擾我國城市發(fā)展的突出問題,許多城市人水關(guān)系不和諧，水生態(tài)不平衡,普遍存在著缺水、水污染、內(nèi)澇頻發(fā)等問題。雨水管理是城市水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)[1],通過海綿城市、地下水庫建設(shè)等管理好雨水能有效促進(jìn)水循環(huán)的良性發(fā)展[1-3],是解決城市、缺水地區(qū)與邊遠(yuǎn)海島等水資源貧乏區(qū)域水問題的有效方式之一[4-6]。

1 地下水庫簡介

1.1 概念

天然地下儲水空間包括平原地區(qū)普遍存在的地下含水層[7],按照埋深可分為潛水含水層和深層承壓水含水層。天然地下儲水空間一般是由松散介質(zhì)的孔隙組成的空間,比如土、砂、礫卵石地層;還包括山區(qū)普遍存在的巖體介質(zhì)的空隙組成的空間,分為地下斷裂巖層形成的裂隙和巖溶形成的溶隙[8],典型的如地下喀斯特溶洞等。此外,還有一類地下儲水空間是人造的,比如地下蓄排水管廊,采礦留下的洞庫等。一些巖溶地下水庫及人造地下儲水空間甚至如地表水庫一樣具有水力發(fā)電和航運(yùn)等功能[9]。地下水庫就是利用天然及人造地下儲水空間作為儲水主體而修建的便于儲存、回采和調(diào)蓄水資源的一類水庫。從概念上可以得知,地下水庫不單純是利用地下儲水空間儲備水資源,亦不單純是地下水開采,還應(yīng)有回補(bǔ)、取用和調(diào)蓄功能,以確保地下水資源的采補(bǔ)平衡與可持續(xù)利用,因此,地下水庫應(yīng)具備補(bǔ)源設(shè)施和回采取水設(shè)施,這是其區(qū)別于地下儲水空間的重要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1.2 分類

按儲水主體所利用的地下儲水空間是天然還是人造空間,可分為天然和人造地下水庫。按是否有地下截滲壩,可分為有壩和無壩地下水庫。一般來說,自然條件下,如果地層周圍和底部具備隔水邊界條件或者含水層降落漏斗區(qū),可以不建地下截滲壩;如果不滿足隔水條件或沿海地區(qū)為防海水入侵則可以建地下截滲壩。地下水庫按地下水埋藏條件不同可分為潛水、承壓水和混合型地下水庫；按地下儲水空間介質(zhì)的不同,可分為松散孔隙介質(zhì)、基巖裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)以及混合介質(zhì)地下水庫;按工程規(guī)模[7]可分為大(1)型、大(2)型、中型、小(1)型、小(2)型地下水庫。

1.3 工程實(shí)踐

1964年,松尾氏較早系統(tǒng)而具體的提出了修建地下水庫的設(shè)想。日本在建設(shè)有壩地下水庫上有較多先進(jìn)的工程實(shí)踐,1972年在長崎縣野母崎町樺島建成了世界上第一座有壩地下水庫。美國在20世紀(jì)80年代以后大規(guī)模實(shí)施的含水層儲采工程(aquifer storage and recovery,ASR)以及荷蘭的人工回補(bǔ)汲水系統(tǒng)(artificial recharge-pumping systems,ARPS)均屬于結(jié)構(gòu)較為簡單的松散介質(zhì)地下水庫。美國還將地下水庫列為21世紀(jì)水資源調(diào)控的最主要手段。此外,中東、歐洲、加拿大、澳大利亞、印度等也開展了相關(guān)建設(shè)和研究[10-11]。

我國北方環(huán)渤海地區(qū)為解決干旱缺水和海水入侵問題,開展了一批地下水庫的建設(shè),在松散介質(zhì)地下水庫方面走在前列。1975年河北省建成的南宮地下水庫,具有深井回灌和開采系統(tǒng),標(biāo)志著我國地下水庫建設(shè)的開始。1981年,北京開展了西郊地區(qū)地下水庫試驗(yàn)研究。煙臺、大連、青島等地先后建設(shè)了一批地下水庫。貴州、廣西、湖南則利用巖溶地貌修建了一些地下水庫。表1為我國已建設(shè)的有代表性的地下水庫。

2 可行性分析

2.1 海綿城市的內(nèi)涵和要求

對應(yīng)于海綿的物理特性,海綿城市應(yīng)具有3個(gè)層面的內(nèi)涵:一是彈復(fù)性,指城市面對水災(zāi)害所體現(xiàn)的魯棒性,要求城市在遭受洪澇、干旱、水污染、水生態(tài)破壞等水災(zāi)害面前具有足夠的韌性、緩沖、抵抗力和自修復(fù)能力;二是保水性,城市應(yīng)具有足夠的收集、調(diào)蓄、儲備水資源的功能;三是濾凈性,城市對雨污水應(yīng)具有足夠的過濾、涵養(yǎng)、自然凈化和防止水污染的能力[12]。

海綿城市建設(shè)所遵循的六字方針為“滲、滯、蓄、凈、用、排”[13],這要求城市洪澇災(zāi)害的治理思路由傳統(tǒng)的“快排防洪澇”向新型的“蓄滯防旱澇”轉(zhuǎn)變,讓城市的河湖水系、綠地、土壤等均能夠發(fā)揮對雨洪徑流的自然積存、滲透、凈化和緩釋作用[14],也就是說海綿城市應(yīng)當(dāng)既能夠與雨洪和諧共存,不發(fā)生洪澇災(zāi)害,又能使降雨被積存、凈化、回用或入滲補(bǔ)給地下水,合理地資源化利用雨洪水,同時(shí)還能維持良好的水文生態(tài)環(huán)境,使城市建設(shè)和發(fā)展能夠與自然相協(xié)調(diào)[15]。地下水庫充分利用疏干的地層作為海綿體,調(diào)蓄、凈化水資源,從結(jié)構(gòu)、特性與目標(biāo)來看,地下水庫與海綿城市高度契合。

2.2 地下水庫在海綿城市建設(shè)中的優(yōu)勢

地下水庫在海綿城市建設(shè)中的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面:①增強(qiáng)城市水資源調(diào)節(jié)能力。地下水庫強(qiáng)化了城市地表水與地下水的水力聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度地表和地下徑流,增強(qiáng)了城市應(yīng)對洪澇災(zāi)害的彈性。在豐水期將雨洪資源儲存在地下儲水空間,待枯水期取用,增強(qiáng)了城市海綿體多年調(diào)節(jié)水資源的保水性。②提高水資源利用率。我國北方干旱地區(qū)非汛期地表水庫蒸發(fā)損失極大,年蒸發(fā)量超過1 000 mm,甚至超過降水量。而地下水庫儲水主體位于地下,不受日照和風(fēng)力的直接作用,儲存過程中的蒸發(fā)損失極小[16]。③改善城市水生態(tài)環(huán)境。地下水庫屬于生態(tài)水利范疇,建設(shè)地下水庫不會發(fā)生潰壩、崩塌、滑坡、誘發(fā)地震等地表水庫常見地質(zhì)災(zāi)害,泥沙淤積問題不突出,也不破壞魚類洄游的生態(tài)環(huán)境[17-18]。建設(shè)地下水庫可恢復(fù)地下水位,消減因超采地下水形成的降落漏斗、地面沉降、塌陷、地裂縫,沿海地區(qū)還可阻止海水入侵[17],恢復(fù)濕地和河川基流,改善水文地質(zhì)條件,修復(fù)水生態(tài)功能[18]。最重要的是,地下水庫利用地下封閉空間儲水,可較大程度減少地表環(huán)境對地下水體的污染和擾動(dòng),而且地下儲水空間具有強(qiáng)大的自凈和納污能力,增強(qiáng)對雨污水的濾凈性,可作為城市應(yīng)急和戰(zhàn)略儲備水源。④節(jié)約建設(shè)、運(yùn)行管理成本。城市土地寸土寸金,而地下水庫不占用寶貴的城市地表土地資源,不涉及征地、拆遷和移民。地下水庫通過基礎(chǔ)處理既可完善防滲邊界條件,與地表水庫建設(shè)攔河大壩相比,建造成本和技術(shù)難度都低得多,有的地下水庫甚至具有天然邊界和儲水能力,而無須修筑地下攔蓄工程,因此地下水庫的建設(shè)及運(yùn)行管理成本很低。

2.3 地下水庫基本原理分析

2.3.1 調(diào)蓄原理

地下水庫將地下儲水空間作為儲存和調(diào)蓄城市雨水資源的主體結(jié)構(gòu),將地表攔蓄系統(tǒng)和陸域雨水收集系統(tǒng)作為輔助結(jié)構(gòu),通過自然入滲和人工回灌補(bǔ)給,把雨洪水及調(diào)引客水儲存起來,在枯水期動(dòng)用地下儲水量,為下一個(gè)豐水期騰空地下儲水空間。地下水庫改變了水資源的時(shí)空分布,可實(shí)現(xiàn)地表與地下水資源聯(lián)合調(diào)度,作為戰(zhàn)略儲備水源地,豐蓄枯采,以豐補(bǔ)歉,多年調(diào)節(jié)。在南水北調(diào)沿線城市還可作為調(diào)水配套工程,將客水儲備起來,增加長距離調(diào)水效益。

2.3.2 凈化水體原理

污染物進(jìn)入地下儲水空間后,包氣帶中細(xì)菌、真菌、藻類等微生物、植物對其進(jìn)行降解、吸收。同時(shí),污染物與地下水及儲水介質(zhì)發(fā)生吸附、過濾、彌散、稀釋、生化反應(yīng)等一系列生物、物理、化學(xué)及其組合作用。例如,污染物通過電引力發(fā)生物理吸附,通過離子交換、氧化還原、分解-聚合反應(yīng)生成不溶物或被分解,以及通過有害微生物自身的衰亡、放射性污染物的衰變、揮發(fā)性污染物的逸出等作用,從而使水質(zhì)得到凈化。松散孔隙介質(zhì)相比基巖裂隙介質(zhì)和巖溶介質(zhì)具有更大的比表面,生物、物理、化學(xué)作用更顯著。松散孔隙介質(zhì)中顆粒粒徑愈小(如粉細(xì)砂及更細(xì)介質(zhì)),吸附、降解、消納污染物能力愈強(qiáng);同條件下地下潛流流速愈慢,地下水與介質(zhì)的作用愈充分,凈化作用愈顯著。

2.3.3 水循環(huán)路徑

地下水庫利用地表攔蓄系統(tǒng)和陸域雨水收集系統(tǒng),將地表徑流通過補(bǔ)源系統(tǒng)及地表攔蓄系統(tǒng)的滲漏補(bǔ)給回灌進(jìn)入地下蓄水系統(tǒng),經(jīng)過多年調(diào)蓄、生物化學(xué)凈化過濾作用,待水體水質(zhì)達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn),再根據(jù)需要通過取水系統(tǒng)取用。以地下水庫系統(tǒng)工程為主導(dǎo)的海綿城市水循環(huán)過程見圖1。

圖1 地下水庫系統(tǒng)主導(dǎo)的海綿城市水循環(huán)

3 海綿城市視角下的地下水庫設(shè)計(jì)

地下水庫工程是一項(xiàng)以自然系統(tǒng)為主體、以人工措施為引導(dǎo)的系統(tǒng)工程,要想其在海綿城市建設(shè)中充分發(fā)揮“滲、滯、蓄、凈、用、排”的系統(tǒng)治理效益,不但要有足夠的地下蓄水空間,還應(yīng)建設(shè)相應(yīng)的配套工程。

3.1 地表攔蓄系統(tǒng)

主要指在城市河道建設(shè)攔河閘壩工程,如橡膠壩、溢流壩、翻板閘等,對應(yīng)于六字方針中的“蓄”“滯”“排”。應(yīng)因地制宜根據(jù)城市自身的水系格局和水資源稟賦,合理設(shè)置閘壩堰等壅水工程及旁側(cè)湖等滯洪工程。在滿足防洪要求的前提下梯級攔蓄地表水,使枯水期斷流的城市河流能夠保證基流生態(tài)需水量,將汛期雨洪水轉(zhuǎn)存到地下儲水空間,既可充分?jǐn)r截入海棄水,有效增加地下水入滲補(bǔ)給量,又為下游城市減輕了防洪負(fù)擔(dān)。應(yīng)充分利用河道周邊采砂坑、牛軛湖等建設(shè)河道旁側(cè)湖、漏水水庫和沼澤濕地,形成瓜蔓式流域結(jié)構(gòu),增加城市水域面積率及防洪滯洪能力。設(shè)置生態(tài)浮島、人工噴泉、曝氣設(shè)施,合理調(diào)節(jié)壩體溢流,形成的人工瀑布,既可增強(qiáng)水體的流動(dòng)性和曝氣作用,提高水體自凈能力,同時(shí)也具有很好的景觀效果。

3.2 陸域雨水收集系統(tǒng)

主要指當(dāng)前推行的海綿城市小尺度雨水設(shè)施,對應(yīng)于六字方針中的“蓄”“滯”。通過在建筑屋頂設(shè)置集雨設(shè)施、生物滯留設(shè)施,在廣場、綠地、小區(qū)設(shè)置雨水管渠、雨水罐、蓄水池、調(diào)節(jié)塘、滲透塘等設(shè)施,將雨水資源有效分散蓄滯,是除城市水體以外的雨水收集、轉(zhuǎn)輸和調(diào)蓄設(shè)施,是對地下水庫的地表攔蓄系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。

3.3 補(bǔ)源系統(tǒng)

補(bǔ)源系統(tǒng)是地表水向地下水快速轉(zhuǎn)化的樞紐,是地下水庫發(fā)揮防洪除澇功能、實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行和可持續(xù)利用的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),是海綿城市實(shí)現(xiàn)雨洪資源高效利用、構(gòu)建良性水循環(huán)的核心工程,對應(yīng)于六字方針中的“滲”“凈”。主要采用通過重力自然入滲和加壓回灌兩種方式。自然入滲普遍存在于城市下墊面,只要在城市建設(shè)中避免下墊面隔水化,降雨中部分水資源可直接入滲回補(bǔ)地下水。還應(yīng)在城市廣場、道路、綠地、小區(qū)和水系中設(shè)置透水下墊面,通過設(shè)置透水鋪裝以及滲池、滲渠、滲井、滲管,修建漏水水庫、雨水花園,在河湖水系中設(shè)置生態(tài)護(hù)岸、生態(tài)濕地、滲透塘等,利用地表水和地下水之間的水頭差就地回灌。也可與陸域雨水收集系統(tǒng)對接,將周邊區(qū)域徑流雨洪水消納回灌儲存在地下儲水空間。加壓回灌是近幾年發(fā)展起來的快速回灌技術(shù),在有防洪除澇要求的情況下或在潛水含水層埋藏較深及存在承壓水的地區(qū),通過增壓水泵將雨洪水通過管井、輻射井等深層回灌井集中快速注入地下儲水空間?？刹捎萌∷?回灌兩用井,并利用井群調(diào)控雨洪,不僅不受地形條件限制,而且提高了雨洪徑流的調(diào)蓄容量和調(diào)配靈活性,提高了地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化效率,便于實(shí)現(xiàn)地下水系與地表水系互連互通和聯(lián)合調(diào)蓄,從而完善城市防洪排澇體系。對于大范圍短時(shí)強(qiáng)降雨(3 h內(nèi)降雨量大于30 mm),可采取強(qiáng)排與加壓回灌相結(jié)合的應(yīng)急措施,通過排灌泵站對城市澇洼區(qū)洪澇水進(jìn)行強(qiáng)排入河、加壓回灌入地下水庫,蓄泄并進(jìn),同時(shí)將攔河閘壩坍落泄洪。

3.4 地下蓄水系統(tǒng)

地下蓄水系統(tǒng)是指地下水庫工程的地下蓄水實(shí)體及其庫區(qū)邊界,對應(yīng)于六字方針中的“蓄”“滯”“凈”。如果天然邊界不完整以及有阻隔海水入侵的需要,可通過修建地下截滲壩、隔水帷幕等基礎(chǔ)處理措施來建立邊界條件。當(dāng)前基礎(chǔ)處理及防滲技術(shù)不斷發(fā)展成熟,高噴灌漿、帷幕灌漿、機(jī)械成槽筑防滲墻及土工膜等措施被逐漸應(yīng)用于地下水庫的地下截滲工程。當(dāng)前最為經(jīng)濟(jì)而高效的方式是充分利用城市超采地下水形成的降落漏斗儲水,降落漏斗邊緣即為相對儲水邊界。也可利用采礦留下的礦洞,我國實(shí)踐較多的是煤礦地下水庫[19]。

3.5 取水系統(tǒng)

指用于開采地下水庫中水資源的取水井、集水廊道、坎兒井及取水泵站等多種形式的取水工程,對應(yīng)于六字方針中的“用”，可與泄水系統(tǒng)結(jié)合設(shè)置在地下水庫下游邊界,通過集水廊道明流、自流取水。如果回灌水質(zhì)較好不需要含水層自然凈化,可合并設(shè)置取水-回灌兩用井,不但可節(jié)約成本,對于防止淤堵也有一定作用。城市的地下水庫往往作為供水水源地,配套有供水水廠。水廠根據(jù)開采水質(zhì)狀況及供水要求進(jìn)行凈化處理后供水。

3.6 泄水系統(tǒng)

與地表水庫一樣,地下水庫有自身的蓄水極限,超限蓄水,會造成地下水位過高或過低、沼澤化、土壤鹽漬化等不利影響,因此,應(yīng)配套建設(shè)地下水泄水工程,排掉余水,以滿足庫區(qū)及周邊的生態(tài)安全。泄水系統(tǒng)對應(yīng)于六字方針中的“排”,可單獨(dú)建設(shè)為虹吸式、坎兒井式、機(jī)泵抽排式,也可直接在截滲壩上留有溢流缺口,對超限地下水進(jìn)行排泄,并應(yīng)注意做好反濾措施。

3.7 污水排放及處理系統(tǒng)

指為防止地表、地下水污染而采取的污水收集、處理、排放及中水回用工程,對應(yīng)于六字方針中的“凈”“用”“排”。庫區(qū)內(nèi)如有海水入侵可設(shè)置咸水排放工程。城區(qū)應(yīng)實(shí)施雨污分流工程,對生產(chǎn)生活廢污水,通過專門排污管道,經(jīng)污水處理達(dá)標(biāo)后才能排放入河、入海。

3.8 中央監(jiān)控系統(tǒng)

指基于地理信息系統(tǒng)(GIS)對城市水環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,對地下水庫及其配套工程的“滲、滯、蓄、凈、用、排”進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的中控系統(tǒng)。系統(tǒng)對地下水庫的水質(zhì)、水位、流速、水溫、水壓等水文信息和環(huán)境動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、加工、分析,掌握城市雨洪運(yùn)動(dòng)乃至水循環(huán)基本規(guī)律,為管理人員決策和遠(yuǎn)程控制提供依據(jù)。加強(qiáng)暴雨洪澇預(yù)報(bào)預(yù)警,對橡膠壩工程蓄泄、取水-回灌兩用井抽水和回灌、雨污分流工程排污及水處理進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,從而建立比較完善的地下水庫實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)度管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)城市水系統(tǒng)智能化、網(wǎng)格化、精細(xì)化、集成化管理。

4 結(jié) 語

地下水庫包涵多項(xiàng)系統(tǒng)工程,往往涉及多個(gè)行政主管部門,不易進(jìn)行統(tǒng)一而協(xié)調(diào)的管理,因此,地下水庫應(yīng)用于海綿城市需要城市水務(wù)一體化改革的制度支持,使地下水庫工程成為學(xué)科交叉、部門協(xié)同、產(chǎn)業(yè)集合、科技創(chuàng)新的平臺。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)中央監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)和建設(shè),利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)構(gòu)建海綿城市地下水庫系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng),使之成為智慧城市下的水循環(huán)管理集成系統(tǒng),將傳統(tǒng)的地下水庫管理方式由被動(dòng)管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)管理,由間接管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯庸芾?由經(jīng)驗(yàn)化管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔刍芾怼?/p>

地下水庫作為一種系統(tǒng)而科學(xué)合理的水資源低影響開發(fā)利用方式,推廣應(yīng)用于海綿城市建設(shè)中,對倡導(dǎo)生態(tài)優(yōu)先的海綿城市建設(shè)來說具有不可替代的現(xiàn)實(shí)意義。海綿城市理念豐富和完善了地下水庫結(jié)構(gòu)、功能和理論框架,同時(shí),地下水庫也為海綿城市建設(shè)提供了高效的城市海綿體和符合中國自然條件和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展實(shí)際的建設(shè)思路。隨著地下水庫理論研究的不斷深入和完善以及海綿城市概念理念的拓展和豐富,地下水庫將深度融合于海綿城市建設(shè)中,并發(fā)揮積極而重要的作用。

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