黃水河流域地表水地下水聯合調度分析

柳新厚，王明波，劉建興

（龍口市水務局，山東 龍口 265701）

水既是重要的自然資源,又是重要的自然環境要素,是可持續發展的基礎與條件,是環境問題與發展問題的核心。隨著經濟與社會的迅速發展，水資源的短缺，水資源供需矛盾日益嚴重，地表水地下水聯合調度越來越被人們重視。因此,綜合考慮社會、經濟、生態環境等制約因素,進行水資源可持續利用前景分析,開展地下水與地表水的聯合優化調度研究,科學的優化和開發水資源,促進國民經濟可持續發展已成為現在水資源戰略研究的方向[1]。

1 黃水河流域地表水地下水聯合調度的必要性

1.1 黃水河流域自然地理位置

黃水河流域位于山東半島北部，發源于棲霞市的主山，自東南向西北經龍口市境內流入渤海，流域內總的地形是東南高、西北低，南部為低山丘陵，北部為平原，平原面積約占流域總面積的20%。流域呈殘葉狀，南北長約 50km，東西寬約 30km，干流全長 55.43km，流域面積 1034.47km2。

1.2 黃水河流域水文氣象與水資源供需情況

黃水河流域內多年平均 (1983～2003年)降水量為613mm，降水量年內分配不均，71.4%的降水集中在6～9月份，僅 7～8月份降水量即占全年的 50.6%，而3～5月份降水量占全年的13.6%，10～11月份占全年的9.9%。降水量年際變化亦很大，1964年降水量1046.2mm，1989年僅為329.4mm，極差716.8mm。降水地域分布不均，南部山區降水量較大，北部平原區降水量較小。

根據相關資料，對黃水河流域龍口市境內各水平年的可供水量和需水量進行了預測，預測結果見表1。

表1 龍口市境內供需水量預測 （單位：萬m3）

從表1中可以看到從2005年到2030年缺水量越來越大，屆時水資源問題更為突出。由于黃水河流域總的地形特點，每年汛期都有大量的水成為棄水入海,因此有必要開展地表水與地下水的聯合調度增加可利用水資源量。

2 黃水河流域地表水地下水聯合調度的可行性分析

2.1 聯合調度的理論基礎

習慣說的水循環是指水文循環,它發生于大氣水、地表水和地殼巖土體空隙中的地下水之間,在太陽輻射和重力作用下以蒸發、降水和徑流等方式周而復始地進行。它通過不斷循環轉化來保證水質水量的不斷更新,并在其再生速度水平上滿足生物的永續利用。目前人力無法改變海洋與大陸之間的水文大循環,但卻可以通過調節大陸內部的水文小循環條件,改善局部水資源狀況。當天然條件下的水資源更新再生不能滿足人類的需要時,不可避免的人們就要在一定范圍內改造它。黃水河流域地表水地下水聯合調度研究即是利用了水資源的系統性、流動性、可恢復性和調節性,結合其實際條件而進行的人類干預水文小循環改善水資源狀況的探索。

地表水系統、地下水系統有各自的獨立性,又有不可分割相互聯系性。受各自系統補給條件影響,各自在系統內部的水量時空分布的不均性方面相對獨立,同時兩者都是水文循環的一部分,又可通過補給、徑流和排泄等各種關系相互轉化,即通過水的運動過程表現出相互聯系性[2]。

2.2 聯合調度的工程基礎

2.2.1 地表工程條件分析

黃水河流域內現有水庫、塘壩577座，其中大型水庫1座，即王屋水庫，其總庫容為1.21億m3，興利庫容0.725億 m3，死庫容 600萬 m3，控制流域面積 320km2，具有多年調節功能；在黃水河主干河道中下游的側高、呂家、西張家、妙果、黃河營等地修建了7座水力自控式鋼筋混凝土翻扳攔河閘，對地表徑流進行梯級攔蓄，與補源滲井工程相配合，組成地表水、地下水復合促滲系統。7座鋼筋砼翻板攔河閘一次性最大攔蓄地表水的能力為 390.5萬 m3，可回水總長度為 13610m(見表 2)。這些工程的實施，不僅增加了河道的多余洪水利用功能、改善了河道工程面貌和生態環境，同時為實現地表水和地下水的聯合調度奠定了基礎。

表2 攔河閘指標及控制井數

2.2.2 地下工程條件分析

伴隨著經濟的快速發展，工業及生活用水量迅猛增加，各行業對水的需求不斷加大，導致地下水開采強度增加，地下水位大幅度下降，疏干漏斗不斷擴大，地下水位低于海平面的負值區面積最大達到225km2，出現了生態平衡的破壞，環境質量下降，海水向內陸侵染加劇，68km的海岸線上幾乎全部出現海水入侵，最大入侵面積達113.5km2。

為了解決上述問題，利用黃水河下游良好的地下蓄水庫容修建了有壩地下水庫，地下水庫系統工程包括補源滲井、工業廢水排放系統、翻板攔河閘、地下擋水壩、供水工程、三水監測系統六部分組成[3-5]。這系統工程增加了地表水與地下水聯系。地下水庫工程投入運行后，有效地改善了黃水河流域的水環境，在緩解水資源供需矛盾、保障經濟建設和城鎮生活用水等方面發揮了積極作用。

3 黃水河流域科學利用水資源

通過數學模型、最優化技術、計算機網絡技術等先進的科研成果,建立地表水地下水聯合調度模型,以達到全流域生產生活用水優化分配、科學利用。

對于地表水體可依據來水、需水調節能力等特征參數,用生態經濟的方法和水量平衡方法決策使用方案,以期達到最佳運行效益。對于地下水可以建立地下水數值模擬模型進行預測，在保證好生態環境的前提下，通過預測結果采取科學的開采方案，既可以降低地下水位，騰出庫容使豐水期的多余洪水入滲地下，又可以使排泄掉的地下水資源轉化為可利用的地下水資源。

要解決上述問題，一方面需要修建新的入滲補源工程，尤其是在地下水集中開采的地段，這些地段由于開采量較大、地下水降深大，有較大的騰空庫容。同時，由于持續開采有較大復蓄能力，因此，在這些地段修建新的補源工程，補源效果會更明顯；另一方面，要充分發揮地表水攔蓄工程的調節作用，這種作用既表現在可以將豐水期來水攔蓄起來，供枯水期用水之需或用于地下水人工補源，還表現在可以對流量較大來水進行調節，控制下泄流量，使部分水量通過人工措施引到支渠或斗溝中補源或自然滲漏補給地下水。除此之外，還可通過加強用水管理，制定應急對策及預備方案等措施來調節地下水開采量。應急預備方案為第一、第二枯水年，削減地表水供水量，第三、四個枯水年時，采取壓縮工農業生活以及非生產用水，削減地下水開采量5%～10%，為城區供水儲備應急用水。

采取應對措施后，依據所建立的地下水量優化模型，對四枯一豐的地下水庫調蓄調控周期重新進行了模擬，結果見表3。經計算，豐水年可使地下水人工補給量達到原設計值，枯水年則可增加地下水入滲補給量300萬m3，要達到此目標，需要在現有集中開采地段及其它河流渠道修建新的人工補源工程，補給能力約5萬m3/d。由此可見，地下水庫在新的運行方式下，4個枯水年超采量在一個豐水年基本能得到補償，超采部分不超過多年平均開采量的15%，不會導致地下水位大幅下降。

表3 黃水河地下水庫豐枯調蓄調控模擬結果（單位：萬 m3/a）

4 黃水河流域地表水地下水聯合調度潛力分析

上述工程系統經過多年運行，減少了多余洪水入海量，地下水位上升，許多農業開采井復活，增加了水資源可利用量，緩解和避免了因水資源緊缺、水質惡化而引發的各種社會矛盾，促進了社會安定，產生了良好的社會效益。但是也存在一些問題，從而使黃水河流域地表水地下水聯合調度具有一定潛力：

（1）龍口市境內地表蓄水工程大部分在上世紀60～70年代修建，由于當時的施工條件和技術條件限制，出現了不少病危險庫，一些輸水渠道標準低，滲漏水較多，許多工程老化，存在著質量隱患。需要經過科學計算，抬高汛限水位，盡可能在保證安全情況下多蓄洪水資源，以利于聯合調度。

（2）回灌補源工程是入滲雨洪水的一項關鍵工程，目的是為了加大地表徑流的入滲，尤其是雨洪水向地下水的轉化，主要包括布置在河床上的滲溝、滲渠、滲井等措施，與地下含水層溝通，加快雨洪水入滲補給地下水的速度，進而增加入滲補給量。經過多年運行，可能有些堵塞失去應有功能，需要重新布置。另外，隨著經濟發展，人們需水量增多，需要重新調整開采布局。所以要調整聯合調度方案。

（3）浪費水的現象仍比較普遍，居民生活、公共設施、工業、農業不同程度上都存在著浪費水的情況。不合理的用水結構也浪費了大量水資源。所以應該建立黃水河流域地表水地下水聯合調度管理系統。

[1]孟慶偉,劉繼朝,苗長軍,等.豫北平原地下水與地表水聯合調度初探[J].地下水,2004,26(4):232-235.

[2]王大純,張人權,史毅虹,等.水文地質學基礎[M].北京:地質出版社,1995.

[3]劉溱蕃,孟凡海,張樹榮.龍口市濱海地下水庫系統工程[J].勘察科學技術,2003,(6):47-52.

[4]徐征和,陳吉亭,劉健勇,等.地下水回灌補源生態修復技術研究[J].地下水,2006,28(3):78-81.

[5]劉青勇,張保祥,張 欣,等.山東半島地下水庫建設與研究進展[J].地下水,2007,29(5):33-36.