毕业论文（设计）地下水库设计理论初探[C]13273.doc

地下水库设计理论初探李旺林1，3 束龙仓2 殷宗泽1（1.河海大学土木工程学院 南京 210024； 2.河海大学水资源环境学院 南京 210024； 3.山东省水利勘测设计院 济南 250013）【摘要】 探讨了地下水库的基本概念和建立地下水库的基本条件，介绍了地下水库的分类方法，探索性提出了地下水库设计的基本理论框架。介绍了山东王河地下水库的设计实例。【关键词】 地下水库 定义 分类 地下水库工程学0 前言地下水库不同于地下水人工补给，它不是地下水资源超采后的一种补救措施，而是一种有目的、主动性的储存、调节和利用地下水资源的一种工程措施。本文在总结山东地下水库实践的基础上，并结合国内外其它的地下水库，分析探讨地下水库的基本问题，初步构造了地下水库设计理论框架，最后简单介绍了山东王河地下水库的设计情况。1 地下水库的发展简史地下水库的发展离不开地下水人工补给的历史，美国、荷兰、俄罗斯等国家自二十世纪三十年代就开始了大规模的人工补给地下水实践。如美国加州沿海岸线一带的注水井，每年回灌处理后的几十亿方地下水，阻止了海水的继续入侵。荷兰阿姆斯特丹的滨海砂丘人工补给设施，利用洪水季节淡化莱茵河水，注进天然入渗井和大井，年回灌量达4000万立米。俄罗斯编制了地下水回灌系统设计及工程运行指南。可以说国外地下水人工补给的技术是比较成熟和先进的。我国大规模的地下水人工补给始于二十世纪六十年代，上海为解决地面沉降问题，进行了深井回补地下水的实践。随着地下水人工补给的发展，地下水库由设想变为现实。日本于1972年在长崎县野母崎町桦岛建成了第一座地下水库，尽管仅9000立方米的库容，毕竟是世界上早期的地下水库。1975年在河北省兴建的具有深井回灌系统和开采系统的南宫地下水库，却标志着我国地下水库的开始。近年来，我国北方地区为解决干旱和海水入侵问题，又兴起了建造地下水库的高潮，北京进行了西郊地下水库的试验，山东从1990年开始，先后兴建了黄水河地下水库、王河地下水库和大沽河地下水库等，辽宁省也修建了龙河地下水库、三涧地地下水库，南方贵州省也兴建了普定县马官地下水库等。可以说我国的地下水库建设技术和水平达到和超过了世界先进水平，地下水库将是我国继地表山区水库、平原水库之后兴起的又一类重要的蓄水水利工程。2 地下水库基本概念和分类2.1 地下水库的基本概念在国外上，地下水库(groundwater reservoir)是一个水文地质学术语，除指地下水库意思外，还含有地下含水层(aquifer)的意思，地下水库(groundwater reservoir)与地下含水层（aquifer）具有相似的意思。而我国早期的“水文地质学”中，没有地下水库的概念，只有含水层、含水构造等专业术语。我国学者提出的地下水库定义：林学钰1984年提出“地下水库是一个便于开发和利用地下水的储水地区，具有多种功能，包括水的供给、储存、混合和输送”1。赵天石2002年提出：“地下水库是利用地壳内的天然储水空间,储存水资源的一种地下水开发工程。”2。杜汉学2002年提出：“地下水库就是指存在于地下的天然大型储水空间。”3。水文地质术语中，将地下水库定义为地下储水层。而有些学者认为：将一些地区的厚大含水层或大型储水构造应命名为“地下水库”。可见，国外没有将地下水库和地下含水层的概念区别开来，国内虽将地下水库与地下含水层的概念区别开来，但没有一个严格的定义，有时又将地下含水层与地下水库混为一谈。地下水库的概念是相对地表水库而言的。地表水库不同于地表湖泊，在于地表水库具有人为地拦蓄和调节地表水流的功能。与此类似，地下水库不同于地下含水层，在于人为地干预了地下水流的天然调节能力和扩大了地下含水层的蓄水能力。笼统地将厚大含水层或大型储水构造命名为“地下水库”是不科学的，从水利工程的角度来讲，可将天然的厚大含水层或大型储水构造命名为地下湖。从水利工程定义地下水库的概念：地下水库是利用天然地下储水空间兴建的具有拦蓄、调节和利用地下水流作用的一种水利枢纽。这个地下水库的定义包含三层意思：一是地下水库位于天然地下储水空间中，这里的天然地下储水空间一般指地下含水构造，地下储水空间由岩体和松散堆积层中的孔隙、裂隙和溶隙组成；二是强调地下水库具有人为地拦蓄和调节地下水流的作用；三指明地下水库是一种水利枢纽，说明地下水库是具有多种用途的水利工程。2.2 地下水库的分类我国地下水库的分类，最初由林学钰按工程构筑形式将地下水库分为有坝、无坝和混合类型三种。赵天石结合辽宁省的特点，根据地下水库的介质、地貌成因、位置、人为开采情况将辽宁省的地下水库划分为五种类型：调蓄型、开采漏斗型、河谷型、陆地岩溶型、滨海岩溶型。下面提出另外几种分类方法。从地下水库分级管理的角度，按地下水库有效库容的不同，可将地下水库分为大型（大于1亿m3）、中型（0.11亿m3）、小型地下水库（小于0.1亿m3）。应该强调这里的库容指有效地下库容，即地下水库中参与调节的那部分地下库容。与地面水库不同，地下储水空间的深度可超过几百米，深层地下水有可能占据大部分库容，而从经济、环境和生态学的角度出发，仅能让有限深度内的地下水参与水库的调节，用总库容难以真实地反映地下水库的实际规模。根据储水介质的不同，可将地下水库分为松散介质、裂隙介质、岩溶介质和混合介质地下水库。这是强调的是，由于储水介质的不同，地下水的分布特征也不同，地下水动力性质也不同，所采用的地下截渗、回灌、开采工程也会不同。如对于松散介质地下水库，库区内含水层分布相对均匀，一般采用板墙、防渗膜截渗，对回灌及开采工程布局限制较少；对于裂隙介质地下水库，库区内含水层随断裂构造分布，灌浆截渗、回灌及开采工程布置受限于断裂构造；对于岩溶介质地下水库，库区内含水层分布由岩溶发育特点决定，一般采用级配灌浆、筑坝（地下河）截渗，回灌及开采工程布置受限于岩溶构造。根据地下水埋藏条件，又可将地下水库可分为潜水、承压水和潜水承压水混合地下水库。这是考虑地下水压力水头的差异会影响到地下水回灌工程和地下水开采工程。此外，还可以根据地下水库的用途进行分类等。综上所述，从不同的角度，地下水库分类也不同，但按照储水介质进行分类，最能反映地下水库特征，具有实用性，上面提到山东、辽宁已建成的地下水库大部分属于松散介质地下水库，而贵州马官地下水库则属于岩溶介质地下水库。3 建立地下水库的基本条件建立地下水库最基本的条件有两个：一是需要有足够的天然地下储水空间；一是需要有充足的水源。这也是建立地下水库的两个必要条件。此外，还应考虑可持续条件、环境条件和生态条件等，特别是环境条件有时会成为建立地下水库的决定因素。地下储水空间构成地下水库库容，天然地下储水空间一般指各种地下含水构造，如洪积扇、冲积扇、地下岩溶等，地下水库的库容由库区内岩体和松散堆积层中的孔隙、裂隙和溶隙等组成。地下水库库区由库区边界所围成的相对封闭的地下空间组成，库区边界包括进水边界、泄水边界以及由地下水分水岭、地下坝或不透水带组成的隔水边界。水源是形成地下水库的决定性条件。水源通常指本流域或跨流域调水引来的没有污染的地下水、地表水，以及由废水的再利用得到的中水、矿坑排水等。地下水库最主要的特征就是实现了人工调节地下水流，它包括三种调节措施：一是通过建造地下截渗工程抬高地下水位，截住和多蓄地下水；二是通过人工入渗补源工程，增强了地表水转化为地下水的能力；三是通过地下水开采，预留了地下蓄水空间，相应地增大了地下水的蓄水量。环境因素是决定地下水库能否兴利的重要因素，它包括两方面，一方面指库区污染、地表水回灌等环境因素对地下水水质的影响，被污染的地下水库是没有经济效益的；另一方面是指建立地下水库后地下水位变化是否带来不利的环境问题，地下水过高、过低都会影响库区内作物的生长，地下水位的大幅降低会产生地面沉降等。可持续条件是指建立地下水库不是一次性的，应满足可持续发展的要求。生态条件指建立地下水库是否会对植物、生物的生存带来不良的生态问题。3.1 地下水库设计理论框架地下水库的设计理论可称为地下水库工程学。它是研究如何利用地下储水构造蓄水、兴利和防止灾害的一种水利工程学。水利工程学、地下水动力学、水文地质学、地下水水文学等学科的发展为地下水库工程学的建立奠定理论基础，国内外陆续兴建的地下水库工程为地下水库工程学的建立提供了丰富的实践基础。地下水库工程学是水利工程学、地下水动力学、水文地质学和地下水水文学等专门学科在地下水库领域的应用和发展，既有别于各专门学科而自成系统，又不能代替各专门学科作用，更不能完全脱离各专门学科而单独发展。地下水库工程学的设计理论框架有：（1）地下水库的建库理论。主要研究适宜建造地下水库的储水构造、水源，以及研究适宜建库的环境、生态、可持续发展条件。（2）地下水库地下水水文学计算理论。主要研究地下水的形成和运动规律，地表水、包气带水和地下水的三水转化规律，地下水的动态特征和水均衡理论，地下水资源的计算和评价。（3）地下水库回灌和开采理论。回灌理论主要研究地下水回灌的机理、地下水回灌优化理论、回灌量的计算理论、回灌补给条件下地下水动态的规律等。开采理论主要研究地下水的开采机理、地下水开采优化理论、地下水开采量计算理论、开采条件下地下水动态的规律等。（4）地下水库建筑物设计。包括地下截渗工程，又称地下坝，用于截断地下潜流，形成库区不透水边界，可采用各种地下防渗墙、地下防渗薄膜、灌浆帷幕（岩体灌浆），筑坝（对岩溶地下河而言）等方法进行截渗。地表水回灌工程，主要指渗井、渗渠、回灌池（坑）和其它形式的入渗建筑物。地下水开采工程，主要指开采井和集水廊道等。地表水拦截工程，主要指闸、堰、坝等挡水建筑物。地下水泄水工程。主要指用于排泄库区内多余地下水和残留物等。地表排污工程。潮水拦截工程。库内残留咸水体的处理工程。地下水监测设计等。（5）地下水库环境影响和生态保护设计。包括库区环境因素评价，因建立地下水库而引起的生态、环境问题评价，如地表水回灌对地下水水质的影响等。（6）地下水库经济效益分析和评价。3.2 地下水库设计实例王河地下水库位于山东莱州市王河下游，是依王河兴建的松散介质地下水库，建库的主要目的是补给持续消耗的地下含水层，防止海水入侵和三山岛镇城市供水。地下水库组成详见图1。图1 王河地下水库工程布置图建库条件分析：库区内分布的冲洪积形成砾质粗砂层形成地下储水空间，穿过库区的王河是地下水库的主要补给水源。地下水库的组成：（1）、地下坝，包括地下截渗西坝、北坝和副坝，全长13.6公里。（2）、回灌工程包括三部分：由王河河道内机渗井、人工渗井渗渠组成的河道地下回灌工程，由引水渠道内机渗井、回灌坑（尹家人工湖）组成的渠道地下回灌工程，由西由闸、院上闸和过西橡胶坝组成的河道表面蓄水入渗工程。其中机渗井为穿透整个含水层的滤水管井，人工渗井渗渠为挖穿表层弱透水层的井渠组合，回灌池为一废弃的砂石坑。（3）、地下水开采工程由两部分组成：沿库区分布的灌溉用机井和水源地井群。（4）、地下水监测系统由两部分组成：用于监测地下坝防渗效果的地下水位测压管和用于监测库区地下水位、水质状况的监测井。王河地下水库是松散介质地下水库的典型代表。它包含了地下水库最主要的四个组成部分：即地下截渗工程、地表水回灌工程、地下水开采工程和地下水监测系统。4 结语以上初步讨论了地下水库基本概念、分类、建库基本条件，以及地下水库设计理论框架，并通过实例加深了对地下水库基本概念和设计理论的认识。随着地下水库工程实践的日益丰富，人们对地下水库的认识会不断深化，地下水库的设计理论也会不断地丰富和完善。参 考 文 献1 林学钰. 论地下水库开发利用中的几个问题J. 长春地质学院学报，1984，2，113-121.2 赵天石. 关于地下水库几个问题的探讨J. 水文地质工程地质，2002，5，65-67.3 杜汉学，等. 利用地下水库蓄水的初步认识J. 水科学进展，2002，13（5），618-622.【作者简介】 李旺林，1964年9月出生，男，山西榆社人，1987年毕业于河海大学岩土工程专业，获硕士学位。现为河海大学岩土工程在读博士，山东省水利勘测设计院工程技术研究员，主要研究方向岩土工程、水工结构和地下水库。Editor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.待添加的隐藏文字内容3The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.