基于解决华北平原水资源问题的水循环复合系统探索(修改稿)

基金项目 国家重点基础研究发展规划 2010CB428800 地质调查 20023064 12120113102400 第一作者 刘继朝 1972 男 博士 主要从事水工环地质工作 Email zgddljc 通讯作者 石建省 1962 男 河北 研究员 博士生导师 主要从事水文地质评价 Email tiger7886 我们所的刊物 能引用就引用吧 LIU Ji chao SHI Jian sheng GAO Ye xin REN Zhan bing Exploration on compound water circulation system to solve water resources problems of North China Plain J Journal of Groundwater Science and Engineering 2016 Vol 4 3 229 237 基于解决华北平原水资源问题的水循环复合系统探索 刘继朝 石建省 高业新 中国地质科学院水文地质环境地质研究所 河北石家庄 050803 摘要 本文以华北平原作为研究区 从城市除涝 地表水系枯竭问题 中东部咸水问题三方面分析探索 基于解决华北平原水资源问题的人 自然水循环复合系统 结果表明 城市建设区具备实现雨水径流量零 增加的技术方法 地表水系枯竭问题可以通过弃水与河水分离方法解决 中东部咸水问题可以通过加强开 采促进雨水入渗的技术方法进行解决 为从根本上解决华北平原水资源问题提出了一个新思路 为水文 地质学科发展提供了一个探索研究方向 关键词 华北平原 水资源 咸水 雨水 水循环 复合系统 1 引言 随着社会经济的高速发展 华北平原水资源供需矛盾日益突出 许等 2009 华北平 原地区正在面临着水资源不足的问题 雨水作为一种宝贵的资源 已经成为重要水源 田 刘 2012 然而 由于降水时空分布不均 城市弱透水下垫面增加 河流枯竭 浅层咸 水问题等原因 许多地方大量雨水无法形成有效的水资源 却带来了城市内涝 沿河线状 污染 土壤盐渍化等一系列问题 南水北调中线一期工程的正式通水 虽然大大缓解了北京 天津 河北 河南等地区 的严重缺水问题 但并不能根治 河北省人民政府新闻发布会上 河北省水利厅介绍 河 北年均水资源缺口 50 108m3 如果考虑到生态用水 年缺水量将达到 100 108m3多 急 需开展水资源开源研究工作 以根除华北缺水问题 雨水是地球上一切可更新水资源的源泉 黄等 2011 科学合理地开发 利用雨水资 源将成为解决21世纪水问题的重要途径 李等 2013 国内外学者先后开展了降水资源化 利用研究与实践 取得了较为丰富的经验与成果 贾等 2014 按照地理位置来说 华北 平原不属于干旱地区 而且多年平均降雨量在500毫米以上 也不属于缺水区 因此 要从 根本上解决华北平原地区面临水资源短缺问题 在于顺应水循环自然规律 开展人类活动 对自然水循环影响的恢复性研究 建立起新的有利于人类与自然协调发展的人工 自然复 合水循环系统 提高雨水利用率 从中获取更多的水资源量 2 主要研究内容 2 1 区域背景华北平原主要属于黄河 海河及滦河流域 松散沉积物广泛发育 华北 平原海拔不超过 100 m 地形坡降多为 0 1 1 华北平原地势自北 西 南三个方面向渤 海湾倾斜 地形地貌对地表径流 地下水的运移和富集具有重要的控制作用 华北平原多年平均降水量一般为 500 600 mm 华北平原降水量的季节分配不均 年 际变化大 地区分布不均的特点 全年降水量的 80 左右集中在汛期 6 9 月 而汛期的 降水量又主要集中在 7 8 两个月 甚至更短时间之内 2 2 城市雨水管理 在华北平原 随着人类活动对自然界改造的增强 局部水循环发生了改变 原有的水循环 2 平衡被破坏 雨水入渗地下的途径受阻 地表径流增加 内涝雨灾的事件时有发生 并呈 逐年加剧的趋势 传统方法由于对雨水资源性质认识不够 未充分认识到城市雨水的资源 性与可宝贵性 把强降雨作为灾害 一味地想办法快速排走 一方面要花大量的人力和物 力将雨水排走 白白浪费大量淡水资源 另一方面却又面临严重的水资源短缺问题 芦等 2011 原位渗透技术作为管理暴雨径流的管理措施日益广泛应用 Davis 2008 研究工 作从 近自然水循环 角度出发 采用因地制宜 就地滞留和下渗的方法 以包气带作为 雨水容纳目的层通过建设雨水入渗补偿性通道构建雨水入渗体系 解决降雨时间集中与地 表水向地下水转化过程中的 肚大口小 的问题 尽可能地将雨水就地滞留并下渗 最大 限度地减少因人类活动而产生的额外的地表径流 达到减少人类活动对自然界水循环的影 响 让降雨接近自然水循环规律进行入渗 参与地下水循环才是根本上解决雨灾问题的良 好方法 也是对华北平原水资源不足的重要手段 2 2 1 雨水汇集区划分 当雨水从天空中掉落到地面时 有一部份会经由土壤表面的孔隙往下渗透 其余的部 份则在地面上顺着地表的高低起伏 逐渐由高处往低处流动 要实现雨水的合理利用必须 通过合理控制集水区 在雨水汇集成不可控径流前加以疏导利用 宏观的集水区人类活动 很难改变它 人们能改变的只能是微观集水区 城市雨水汇集区的划分 一方面要考虑地形地貌 土地用途及归属权等因素 另一方 面还要与地下水运储空间相适应 为便于实现就地入渗目标 雨水汇集区的划分宜管理责 任清楚 雨水汇集区的划分还应与气候 植被 地貌特征 地层岩性等因素相适应 雨水 汇集区的划分还要符合地层入渗速率及地下库容等因素基本情况 综合考虑认为 城市雨 水汇集区应以特定设施及主要效益设定集水区 如 城市公益集水区 街道集水区 道路 集水区 庭院集水区 2 2 2 降雨滞留量 为了使人类活动顺应自然 建设后的降雨径流量不应高于建设前的降雨径流量 建设 项目应对建设区的雨水进行就地有效滞留和利用 避免雨水径流量增加 平原区降雨原地滞留量主要受气候 地形 地貌 植被 土壤等因素控制 其中土壤 是其中的主要控制因子 以干土层 含水量在 10 以下 的厚度表示干旱程度 按土壤滞 雨能力估算滞雨量 一般来说 消除 3cm 左右的干土层需要 5 10mm 的降雨量 消除 5cm 10cm 的干土层需要 15 20mm 的降雨量 一般 华北平原耕作层厚 15cm 20cm 若 把整个耕作层都看做干土层 就需要 30 50mm 的降雨量 以此估算 滞雨量应在 30 50mm 以上 GB50400 2006 建筑与小区雨水利用工程技术规范 中将配建雨水调蓄设施 的具体配建标准定为 每 104m2硬化面积配建不小于 500m3的雨水调蓄设施 若地表起伏 较大 还应根据实际情况增加调蓄设施容量体积 2 2 3 降雨入渗面积 雨水入渗量是时间的函数 当降雨历时较长 降雨量较大时 单靠调蓄池无法满足入 渗问题 可通过增加入渗面积的形式来实现 其方式可以是在原地人工弱透水地面下铺设 多孔强透水介质 也可以是在同一集水区内清除透水性较弱盖层 增加强透水性下垫层面 积 在降雨历时 t 时段内的入渗量 VP可按下式计算 VP K JAS 3600t 式中 K 渗透系数 m s J 水力坡度 若地下水位较低 J 1 AS 有效渗透面积 m2 由入渗量计算公式可以明确看出 在入渗量相同的情况下 有效渗透面积与渗透系数 3 成反比 渗透系数应以实测为准 在无实测资料时 可以参考表 1 或规范选用 表 1 黄淮海平原区渗透系数经验值表 岩性渗透系数 m d 岩性渗透系数 m d 砂卵石80粉细砂5 8 砂砾石45 50粉砂2 3 粗砂20 30亚砂土0 2 中砂卵石22亚砂 亚粘土0 1 中砂20亚粘土0 02 中细砂17粘土0 001 细砂6 8 注 源自 水文地质手册 第二版 685 页 2 2 3 雨水管理的常用技术措施 大量的城市雨水开发利用研究工作取得了丰硕的成果 苏等 2012 并提供了实用范 例 如天津市某大学校园雨水利用工程使用了下凹式绿地 花坛式渗滤净化技术 景观湖 净化系统等雨水生态化利用技术 孙等 2013 基于多年的雨水利用成果 应用经验 总 结雨水管理主要的常用技术措施如表 2 所示 车等 2010 表 2 雨洪控制利用的常用技术措施 项目常用技术措施 收集输送植被浅沟 渗透管渠 普通雨水管渠 截污弃流截污滤网装置 挂篮 滤网 格栅 初期弃流装置 植被缓冲带 雨水沉 淀井 池 浮渣隔离井等 净化处理措施砂滤 土壤渗滤系统 前置沉淀池 前置塘等 滞留暂存雨水贮存池 景观水体 雨水塘 湿地等 入渗渗透下凹式绿地 雨水花园 透水性铺装 渗透沟渠 渗透池 塘 渗透井 清除入渗性较弱盖层 人工弱透水地面下铺设多孔强透水介质等 需要指出的是 技术措施分类并不是绝对的 具体分类视其利用目的而定 例如 渗 透沟渠既可作为一种收集输送的辅助措施 也可作为一种渗透利用的关键单元措施 国家 标准 建筑与小区雨水利用工程技术规范 GB50400 2006 的颁布实施标志着雨水利用工 程的设计 施工 验收等已经成熟 在此不再就其设计施工进行叙述 2 3 浅层劣质水改良 2 3 1 劣质水概况 按地下水质量分级标准 在华北平原分布有较大面积的不宜直接饮用的浅层地下水 类浅层地下水分布面积 41083km2 它主要分布在山前平原与中部平原交界地带及南部大 部分地区 矿化度一般在 1000 2000mg L 之间 总硬度一般在 450 550mg L 之间 主要 是氯化物 硫酸盐型水 总硬度 矿化度 氯离子 硫酸根普遍超标 地下水水位埋深大 多在 2 5m 到 6 5m 之间 局部地下水位埋深达到 8 0m 以上 类浅层地下水分布面积 65365km2 它主要分布于华北平原中东部地段的滨海平原地区 矿化度大于 2000mg L 总 硬度大于 550mg L 主要是氯化物型水 矿化度 总硬度 氯离子等严重超标 水位埋深 大多在 0 5m 到 3 5m 之间 很显然 华北平原有一半以上的浅层劣质地下水具有改良的潜力 也有一半以上的降 雨利用率有待提高 不妨简单地计算下 天然条件下 华北平原降水入渗系数一般都在 0 2 左右 年降雨量在 500mm 以上 如果能在现有的基础上多留存 100mm 降雨量 正常的入 渗量 1km2就是 106t 的水 构建改良浅层劣质水微观水循环复合系统 若能将 类分布 区四分之一的入渗量利用起来 将增加约 200 108m3的水资源量 华北水资源问题将会得 4 以缓解 2 3 2 地下水控制性关键水位 地下水水位是通过构建复合水循环系统改良浅层地下水的关键指标 可以采用地下水控 制性关键水位来进行表征 它是受年内降水和地下水补排状况等影响的一系列水位值 在一 个水文年内不同时间 不同水文条件下 控制性关键水位将随着水位的变化而变化 因此 控制性关键水位是随着复合水循环系统变化的动态指标 控制性关键水位以临界蒸发深度 为主要因子划分为正常水位 警示水位 警戒水位 正常水位指地下水处于 健康 的地 下水循环过程中 在该水位状态下 一般不会产生地质环境问题 有利于接纳雨水 警示 水位指地下水处于 亚健康 的地下水循环过程中 在该水位和高于该水位状态下 有可 能会产生地质环境问题 在这种状况下 应适度加大地下水开采强度 利用采补结合的方 式进行局部水循环改良 加强监测 防止向地质环境恶化的方向发展 警戒水位指地下水 处于 不健康 的地下水循环过程中 在该水位和高于该水位状态下 地下水将会造成地 质环境问题 在这种状况下 应加强开采 阻止入渗 加强监测 防止向地质环境进一步 恶化的方向发展 据以往临界蒸发深度研究 一般认为华北平原大部分地区地下水蒸发深度约 4 6m 因此本文采用地下水位埋深 6m 做为控制性关键水位临界值 4 6m 做为警示水位 4m 做为警戒水位 为了有足够的空间容纳集中而来的雨水 有必要在雨季之前对警示水 位区和警戒水位区 按鼓励性开发利用的原则进行开采以取得必要的雨水容纳空间 华北平原 类浅层地下水分布区 地下水水位多处于控制性关键水位警示区 宜按鼓 励性开发原则进行管理 对于地下水位处于警示水位以浅的 宜适度加大地下水 开采量 将超过天然径流量的地下水开采出来 扩大雨水入渗的储存空间降雨将通过天然补给入渗 至地下储存空间 起到利用改良水资源的作用 2 3 2 水质改良相关技术分析 长期以来 华北平原劣质水利用方式以灌溉为主 包括直接灌溉 咸水和淡水混灌 咸水和淡水轮灌等 王等 2015 但是 劣质水灌溉并不能将水中盐分排走 容易造成盐 分积累 Qian and Mecham 2005 当前 不但常用的化工 电力等工业冷却水及城镇日 常生活分质供水等方式开发利用的劣质水可以异地外排 而且一种新兴的技术 水冷地温 空调技术 在华北地区的广泛推广应用也可以使劣质水外排从而增大了改良劣质水的可行 性 水冷地温空调技术对水质要求很低 类水均可为其所用 并且在劣质水地区其 采用开路排水技术 不将水回灌地下进行循环使用 更有利于解决地下热岛问题 因此 人们只需要修建弃水的排放管道即可能实现开发利用地下水的同时将盐份随弃水排走 华北平原中东部许多地区 潜水含水层一般较薄 采用管井开采较为困难 因此针对 面积大 区域广 含水层较薄及开发深度只需大于临界蒸发深度的特点 采用真空点井技 术进行面状开采 真空点井群可以大量抽取地下水 形成人工降落漏斗 便于雨季接纳雨 水 理论上真空点井可适用于一个大气压地下水位埋深的开采 实际应用中比其略浅 生 产中常用的降水深度为 6m 7m 最适用的渗透系数范围 0 5 50m d 含有大量砂性 土的地层 如果需要开采更深的地下水 则要适当降低井管和抽水设备的埋置面 降低井 点系统顶面标高 水量的调节主要依靠增加点井的数量形成环状井点增加开采量 为降低 成本可使用 PVC U 塑料管供水管井技术 该技术已在黄河中下游地区广泛应用 并已形 成地方性规范 使用真空点井群取水方法 可在雨季之前配合水冷空调 在拟降水区将多根较细的 PVC 井点管埋入含水层内 其下端装有滤管 上端通过弯管与总管连接形成管路系统 利 用装在管路系统上的抽水设备将地下水通过真井点管抽出 该方法既可使水冷地温空调运 行 又能将原有地下水位降低 为雨水提供容纳空间 5 水冷空调技术正在华北平原推广应用 只要对该技术进行合理的引导 辅以必要的排 水设施 即可在局部构成良性水循环系统 改良浅层地下水 提高雨水有效利用率 长期以来 科技工作者对降水入渗开展了深入的研究 取得了丰富的成果 刘等 2014 通过抽取地下水获取地下储水空间的适宜性可以通过计算进行预判 降雨入渗量可 以依据降水入渗系数进行计算 降雨入渗系数应以实测为准 在无实测资料时 可以参考 表 3 选用 表 3 华北平原中东部降雨入渗系数系列值统计表 水位埋深 m 包气带岩性 8 细砂 粉砂 0 25 0 36 0 36 0 40 0 40 0 28 0 28 0 24 0 24 0 22 粉 土0 14 0 24 0 20 0 28 0 29 0 22 0 26 0 20 0 18 0 16 粉质粘土0 12 0 19 0 15 0 26 0 26 0 18 0 18 0 14 0 14 0 12 粘 土0 11 0 13 0 13 0 15 0 15 0 13 0 13 0 12 0 12 0 11 估算地下水储水空间的可很多种方法 其中以给水度法最为简单实用 计算公式如下 Q i vi 式中 Q 储水空间 m3 vi 储水砂层体积 m3 i 有效给水度 式中储水厚度内有效给水度 i 根据己有研究成果 华北地下水可持续开发利用前 景成果报告 取值 见表 4 为保险起见 取最小值为容水估算值 表 4 储水层给水度系列值统计表 岩性粗砂中砂细砂粉砂粉土 给水度0 18 0 210 15 0 180 13 0 170 09 0 130 06 0 10 考虑到华北平原 类水区面积较大 又多与 类水区相临 可先对 类水区进行水质 改良 再积累经验后 再对 V 类水区进行处理 现实条件下应以收集雨水兴建蓄淡水库为 主要利用方法 2010 年 我国颁布了国家标准 雨水集蓄利用工程技术规范 GB T 50596 2010 对雨水利用工程的设计 施工 验收 管理 经济评价进行了规范 为沿 海雨水利用提供了技术支持 2 4 地表水系枯竭问题 无论是城市弃水还是劣质水改良弃水都需要通过河流排放 它是构建人 自然水循环 复合系统关键环节 华北平原属黄河 海河及滦河流域 此外还有徒骇河 马颊河 河北沿海诸河等直接 入海的小河流 共有大小河流近 60 条 其主要河流特征见表 5 表 5 华北平原主要河流一览表 河流发源地长度 km 流域面积 km2 陡河 20647 6 滦 河河北丰宁县 87744900 潮 河沽源南 2526920 白 河沽源南 2678710 潮白河 45818180 氵 句 河河北兴隆县 1392440 州 河河北遵化县 1122130 蓟运河 30111360 温榆河燕山南麓 186 北运河 972440 洋 河蒙古高原南缘 59418540 桑干河山西高原北部 36425840 永定河 65050800 滹沱河五台山南侧 54026630 滏阳河太行山东侧 37526300 子牙河 70662630 大清河北支太行山东坡 30810000 大清河南支太行山东坡 38022200 大清河 44839600 漳 河山西 41220900 卫 河 35214980 南运河 102149120 随着近二十多年降水量减少及上游水库拦蓄 华北平原大部分河道常年干涸或仅在汛 期短时过流 不再具有承接人类活动弃水的功能 人类排入其中的弃水无法及时得到稀释 或降解并及时排走 而是在干枯的河床上渗入地下或是富集浓缩 汛期短时经过的河水携 带着废弃物补给地下水造成沿河线状地下水污染 根治这一污染必须实施弃水与河水分离 实现弃水与河水分离后 河流功能得以部分恢复 人们可以利用河道拦蓄雨水 改良小气 候 减少扬尘 当前 物资方面 建筑业的砂 石 水泥 钢材及施工机械出现产能过剩 正在想方 设法化解产能 设计施工技术方面 南水北调工程中线建成通水 其施工中积累了丰富的 长距离输水设计施工经验技术 因此 可以说沿河修建人工弃水通道 实现弃水与河水分 离解决枯竭河流输送弃水问题是可行的 3 结果与讨论 水循环复合系统建设是解决华北平原水资源不足问题的基本方法 城市除涝 地表 水系枯竭问题 中东部咸水问题一直困绕着华北平原发展三个主要问题 分析认为这三 个问题可以通过构建人 自然水循环复合系统进行解决 现阶段解决城市除涝问题可行的技术方法很多 但由于与除涝工作相对的水文地质 勘察工作缺失 排水效果不佳 实现城市除涝急需要详细的城市所在流域包气带结构 潜水水位及径流等参数指导就地入渗工作的设计与施工 开采深层水解决华北平原中东部劣质水问题不是长久之计 华北平原中东部潜水本 身具有可用性 随着新技术的应用 通过水循环改良水质 可以从根本上解决问题 开展 这一工作 需要通过调查潜水以浅的地层结构 水在开采条件下的径流参数及水中盐份 来源 地表水系枯竭问题造成了其承载人类弃水功能的丧失 引发了部分河段沿河两岸地下 水无法正常取用 在无法给其补充水源恢复河流基本流量的前提下 只能修建弃水专用通 道代替河流运输人类弃水的功能 弃水通道建设不但需要建材 设计施工技术 还需要 7 弃水规划量 河道行洪措施等一系列参数 在人类活动遍布全球的今天 企图将人类活动影响的水循环系统恢复到自然平衡状态 是不现实的 人们只能通过认识其自然规律 顺应自然 构建人 自然水循环复合系统 使其向着有利于人类生产 生活的方向发展 研究工作仅从城市雨水入渗恢复 河流枯 竭条件下弃水输送及利用雨水入渗改良劣质水水质三方面探讨了一些因素 分析认为基本 具备了构建人 自然水循环复合系统的条件 它仅从部分因素技术层面进行了浅显的分析 未进行经济效益对比分析 更未对工程实施后可能产生的后果进行分析 人 自然水循环 复合系统是一个多因子复杂条件下的工程 并随着环境因素的改变而不断改变 它需要人 们不断地提高认识进行实践与研究 4 结论 人们只有研究认识自然界水循环规律 顺应自然 从系统论出发构建人 自然水循 环复合系统才能从本质上解决人类活动产生的水资源问题 本文仅从有限的几个因素出 发初步探讨了华北平原人 自然水循环复合系统的构建 为从根本上解决华北平原可利 用水资源不足提出