地下水管理的内容

地下水管理的内容因地区和目的的不同而不同。中国幅员辽阔,人口众多。同时,由于气候、水文、地形等自然条件的差异和地质条件的复杂程度,在全国不同地区形成不同的区域水文地质条件。此外,人们的生活和生产活动对地下水环境的影响,都严格控制和不断改变着这些地区地下水的补给、径流、储存和排泄,同时产生各种环境地质效应,构成了不同的地下水管理内容。

为了说明问题,将地下水管理的内容分为两个方面:基本内容和为特殊目的服务的地下水管理内容。

一、地下水管理的基本内容

(一)地下水位的控制和优化

地下水开采引起的一系列正、负环境地质问题以及由此引起的环境、生态、社会、经济状况的变化,说到底,大多是由于地下水位的升降。因此,地下水位优化控制显然是地下水管理最基本的内容,而地下水动态分析是地下水位优化控制的研究基础。

地下水动态研究包括:确定一个地区的补给量、允许开采量和实际开采量;地下水资源多年周期机制的形成及流域总体水平衡和水动态的预测;研究上述量在时空分布上的特征及其对社会经济的后果。区域地下水补给包括天然地下水补给和人工地下水补给。天然补给主要由大气降水入渗补给、地表水(河流、运河、湖泊)渗漏补给、地下径流侧向补给和相邻含水层之间的相互补给组成。对于大多数潜水区来说,大气降水和地表水下渗是最重要的天然补给源。

大气降水入渗补给主要取决于地形和地面坡度、包气带的岩性结构特征和垂直渗透性、植被类型及其需水量、降水及其频率和强度以及温度。当地表水体与地下水有水力联系时,会直接影响地表水体底部和外围沉积物对地表水的入渗速率以及包气带岩性的厚度和渗透性。当地下水丘在地表水体下形成时,地下水丘的水力梯度成为地下水入渗和补给的主要控制因素。

地下水允许开采量是指在不造成开采条件恶化和环境地质问题的前提下,采用合理的技术经济开采方案,单位时间内可从含水层中抽出的最大水量。

在上述计算的基础上,通过对区域总量水平衡和地下水开采条件动态平衡的研究,可以找出地下水资源多年循环机制的形成和水动态发展的趋势。

总之,上述水量平衡增减的结果,最终都会体现在地下水的动态变化上,特别是浅层地下水的动态变化上。

地下水时空动态变化的记录是地下水评价的基础资料。通过对地下水动态研究成果的分析,可以反映地下水开发利用现状,揭示区域内各种环境地质的正、副作用机理,指导今后地下水开发利用和水位控制管理的方向。因此,分析地下水动态,研究地下水位的控制和优化管理,是地下水管理的基本内容。

(二)地下水质量的改善和控制以及优质供水的调度。

随着人口的增加和经济建设的快速发展,在对水资源需求不断增加的同时,地表水和地下水的污染以及水质的恶化也越来越严重。这加剧了已经短缺的水资源危机。因此,为了改善和控制地下水质量,开展地下水管理是非常必要的。

在地下水水质未恶化的地区,地下水管理要重点建立地下水补给区、水源地和水井卫生防护带,控制三废排放和地下水超采。

在地下水已经受到污染的地区,要严格控制地下水开采量和减少三废排放,控制污染源,必要时调整机井布局或人工补充地下水,控制和改善地下水质量和环境地质问题。

在土壤盐渍化分布区,应尽可能将井灌、井排、井排结合起来,合理开发利用地下水,以降低地下水位,促进水盐良性循环,达到改良盐碱地的目的。

在沿海地区,开发利用地下水的同时,需要监测盐淡水混合带(界面)的运移方向和速度,模拟其运移规律,为制定或调整沿海地区布井方案,控制海水入侵提供科学依据。

在有咸水层的地区,如华北平原东部和西部的干旱地区,在充分利用浅层淡水供应和发展微咸水用于作物灌溉的同时,还应注意合理控制各层地下水位,以抓住无效蒸发,防止咸水对淡水资源的污染。

在不同水质并存的供水区,从水资源管理的角度,要加强区内各种水源的合理分配,实行不同水质标准的分级管理,对不同用户实行差别化供水,充分利用区内地表水、地下水、污水、废水、废弃水,最终提高区域之间、上下游之间、工农业之间的用水竞争,缓解和改善缺水危机。

(3)人工回灌和地下水库的建立和储存

人工补给是地表水和地下水的纽带。通过人工回灌和建立地下水库,对地下水进行人工调蓄,以改善和控制地下水超采造成的环境地质问题,增加供水量,特别是为用水高峰或非常时期(地表水停止供水或地表水受到污染)提供应急用水。因此,是地下水管理的基本内容之一。

人工充值的基本方针是力争用最少的资金获得最大的充值效益。回灌工程的类型一般分为漫灌和井灌。通常情况下,补给水源为地表水库水和进口水满足区域用水需求后的剩余水、地表水废弃水、灌溉回水、再生污水和废水、冷却水。

当使用进口水作为回注水源时,由于大多数情况下是长距离调水,因此工程和能源成本昂贵。所以,要做严肃的经济核算,只有在有利可图或者入不敷出的情况下才能使用。

再生水作为灌溉水源时,关键是要监测水质,加强管理,以免危害人体健康和生态环境。目前,国内外普遍采用再生水灌溉。需要喝这种水的时候,要在地面处理达到饮用水水质标准,然后人工回灌,再通过包气带自净后进入含水层,最后取用。

利用地下空间调节水资源在国外已有多年历史。20世纪60年代中期,以色列利用含水层储存区的水资源解决供水短缺问题。1978年,美国加州圣贝纳迪诺水管理区从加州北部多余的地表水人工补充地下水,在含水层中储存了6000多万立方米的水,用于干旱期抽水。据估计(毛,1984),到2000年,世界需增加稳定径流8 500 km3才能满足需水量增长的需要。其中,5 000立方千米的水需要通过地下蓄水层储存。在中国,水资源的地下储存也取得了显著进展。例如,在山东省桓台县,上世纪70年代,利用河流排水使地下水回灌量增加了一倍。洛阳利用河边沙坑分流洛河自流入渗补给量(8×104 m3/d),效果也很显著。可见,建立地下水库,对水资源进行地下储存,是实施水资源管理目标的重要环节,已成为地下水管理的重要研究内容。

一般地下水库的范围最好包括一个或几个完整的水文地质单元。

建立地下水库的地点应尽量避开自然或人为污染源。应采取措施改善和控制水库现有的各种污染源,如生活和工农业废水及可能的海水入侵,以及邻近含水层劣质水的入侵,甚至严格杜绝处理。

地下水库的水质必须符合修建水库所需的水质标准。水库建成后因蓄水抽水引起的各种环境地质问题,包括水质及其演变趋势,都要进行监测和预测。

地下水库开发利用的最佳管理方案是地下水库交替开发方案,即在枯水期或地表停水时取水库地下水,雨季蓄水。为了充分发挥地下水库的作用,在抽取水库水时,其取水量一般可以大于正常开采量,以便为雨季的自然或人工蓄水腾出空间。人工回灌和地下水库调蓄的上述管理目标可以通过建立管理模型来实现,最好与社会经济管理模型相结合,以便对人工回灌和地下水库管理做出最佳决策。

(4)健全的水资源管理机构和合理的水资源法律。

从国内外地下水的开发情况来看,当今世界水资源日益匮乏和各种社会、生态、环境地质问题的出现,主要原因不仅在于缺乏科学的经济技术管理措施,还在于水资源的滥采滥用。因此,只有建立健全水资源管理机构,依法开发利用水资源,才能保证最佳水资源管理目标的实现。

以上是地下水管理的基本内容,出于不同的目的,在地下水管理研究中经常包含或涉及到这些内容。

二,特殊用途地下水管理的内容

特殊用途的地下水管理有很多种,不可能一一列举。下面只讨论几个主要方面。

(A)为城市生活和工业用水提供地下水管理服务

供水水源是城市生活和工业发展的基本条件之一。目前,城市水资源短缺已经成为一个世界性的问题。中国城市缺水现象越来越严重。据不完全统计,全国666个城市中,有400多个城市缺水,日缺水量654.38+0.6万m3,年缺水量约60亿m3,平均每年受缺水影响的工业产值超过2000亿元。考虑到未来人口增加和经济发展,对供水的需求将大幅增加,形势将更加严峻。

地下水在中国北方城市和工业供水中起着非常重要的作用。近年来,由于地表水污染日益严重,南方一些城镇也开始开采地下水作为供水水源。目前,中国约有三分之一的城市人口饮用地下水。这充分说明了地下水在城市水资源利用中的重要地位。

1980年以前,我国城市地下水开采量以10% ~ 20%的年均增长率增长。在此期间,城市用水需求的增长主要通过开发新的水源来满足。

1980以后,由于部分城市及其邻近地区地下水资源的被动利用,地下水开采的经济技术约束日益严峻;与此同时,一些城市过度开采地下水,导致水井出水量减少,部分含水层枯竭,引发一系列环境地质问题。这迫使人们进一步寻求或扩大开采地下水的途径。因此,在这一时期,我国大部分城市主要依靠节水和地下水资源的科学管理来满足用水需求。将城市地下水管理的主要内容总结如下。

1.控制城市发展规模,调整产业布局,合理配置水源。

我国一些城市在制定发展规划时往往忽视对城市供水水源保证程度的论证,产业布局过于集中,水源分布不合理,使得稀缺的地下水在集中超采的情况下出现水危机和一系列环境地质灾害。比如石家庄,是全国以地下水为唯一供水水源的城市之一。从20世纪50年代到80年代初,这座城市从一个中小城市迅速发展成为拥有93万人口的新兴工业城市。当时由于做城市建设规划时缺乏水资源论证,城市布局非常不合理,工业厂矿布局过于集中在市区。根据1985的数据,全市共有570口井,大部分集中在市区及其邻近地区。此外,地下水的滥采和过度开采使浅层含水层大面积流失,造成浅井不断报废的后果。因此,对于这种类型的城市,控制城市发展,调整产业布局,合理配置水源,是解决和缓解城市供水短缺的重要途径。

2.控制地下水超采,开发地下水库,在时间和空间上优化蓄水。

据统计,全国29个主要城市中,有10%的城市出现了含水层部分枯竭,约80%的城市出现了地下水水质恶化,20%的城市出现了地面沉降和塌陷。这些环境地质问题的成因虽然复杂,但都与地下水的过度开采有直接或间接的关系。因此,对于这些地下水严重超采的城市,必须严格控制地下水开采量。在有条件的地区,如我国北方干旱半干旱地区的山前冲积扇区、华北平原、古河道带、山谷、河流带、岩溶泉区等,有良好的蓄水和入渗补给条件,降水集中。因此,在这些地区,可以采取自然和人工回灌相结合的措施,开发地下水库,在多雨年或汛期通过人工回灌将部分洪水和弃水储存在地下,供枯水年或枯水期开发利用。在严重缺水或水危机的城市,也可以从区外调水。在满足城市和工业直接用水后,剩余的水将补充到地下水库,用于枯水季节或年份的应急供水。

3.合理开发水资源努力实施优质供水。

一个城市可能有各种水源,比如地表水(包括进口水)、地下水、循环水、再生水,也可能只有其中一种或几种。城市供水的原则是首先满足居民的饮用和生活需要,然后兼顾城市工业和农业用水。因此,为了充分利用各种水源,实施分质供水是非常必要的。

总的来说,地下水质量优良,不容易被污染。应主要用于满足居民饮用水需求,其余可作为工农业生产用水。

4.严格落实地下水资源保护、开发和利用的监管措施。

到目前为止,中国许多城市的地下水已经受到污染,甚至在一些污染严重的地区,一些水源或水井被迫停产。因此,根据不同的水文地质条件,在地下水补给区设置水源保护区,并对水源和供水井设置卫生防护带是非常重要的。在市区和城市附近,要严格管理污水的排放;对造成水资源和环境污染的厂矿要加强管理,保证城市人民的饮用水卫生,满足城市各类用水的需要。

此外,考虑到城市供水的长远利益,还应注重开源节流、挖潜扩采、提高工业用水重复利用率、净化污水、改善环境、提高再生水资源利用率等措施。

(2)矿区供排水相结合的地下水管理

一般矿区都存在给排水问题。特别是在地下水补给好、富水性强的地下矿区,实施供排水结合的地下水管理是非常必要的。由于矿区地质和水文地质条件的限制,一些矿床直接赋存于富水的地质构造断裂带中或通过这些构造断裂带与附近含水层相通,造成矿床充水,或在开采过程中因挖空减压造成顶底板突水。为了安全和生产,这些地区需要进行矿井排水。根据水质的不同,矿井排出的水有时可以直接用作不同用途的供水,或经过处理以满足用户的用水需求。当矿井排水不足以满足用水需求时,利用井水来满足,既能节约用水,又能满足安全生产和用水的需要。

当然,在供排水结合开发利用矿区水资源的过程中,也要注意健康防护,确保安全供水。

(3)农业用水的地下水管理。

据统计,目前我国用于农业灌溉的地下水占地下水开采量的80%以上。

目前,我国大部分农业灌区灌溉技术落后,灌溉制度和作物布局不尽合理,使得农田灌溉水浪费严重;在一些灌区,有灌无排也造成了干旱、洪涝、盐碱等灾害。因此,农业灌区地下水管理应注意:根据不同作物布局和农业结构,合理布置机井,制定合理的灌溉定额,提高灌溉技术;根据土壤结构、包气带岩性和浅层地下水水文地质条件,建立合理的排灌结合的工程系统;在干旱、洪涝和盐碱灾害并存的北方干旱、半干旱平原地区,应采取地表水和地下水联合开发利用、井灌与渠灌相结合、灌排结合、灌排结合、改水改土等综合措施,控制水盐平衡,取得农业灌溉和农田灾害治理的综合效益。

(四)区域水资源的统一规划和合理配置

区域水资源统一规划的目的是对流域内地表水和地下水(含再生水)、上下游用水、工农业用水、生活饮用水、生态环境美化和文化娱乐用水实施统一规划,以达到合理开发水资源、优化水量分配、提高流域内所有用户用水综合效益的目的。

上述特殊用途地下水管理的内容和要求,都可以通过建立和应用专门的地下水管理模型来达到管理的最终目的。