1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。【2014年】華北平原有咸水區雨洪控制利用【水利工程】水利工程論文-華北平原有咸水區雨洪控制利用水利工程論文-華北平原有咸水區雨洪控制利用摘要：華北平原有咸水區，水資源短缺，深層地下水嚴重超采，生態環境惡化。在這個地區開發利用咸水，騰出地下庫容，能夠減少潛水蒸發與雨洪徑流，增大降雨入滲，把時空分布不均的天然降雨轉化為可利用的水資源。該文總結了農村用微咸水灌溉，抗旱增產，調控地下水埋深，增大雨洪回灌，淡化地下水質的經驗。提出了城區雨洪控制利用的建議。 關鍵詞：有咸水區 咸水開發利用 調控地下水埋深 減少雨

2、洪徑流 增大降雨入滲  1 大氣降水與四水轉化特點黃河以北的華北平原，屬季節性干旱半濕潤大陸性季風氣候區。大氣降水到達地面后，在下墊面條件共同作用下，一部分形成地表水，一部分滲入到土壤，在重力作用下，其中一部分形成了地下水，大部分被攔截成為土壤水。大氣水、土壤水、地下水、地表水在一定條件下相互轉化（圖1）。大氣降水與四水轉化關系有以下特點：1.1 年際降水量變化大華北平原多年平均降水量500600 mm。氣候為過渡帶，降水很不穩定，降水量年際變化很大。常有連豐、連枯水年，豐、枯水年交替。少水年，降水可小于400 mm，呈現半干旱甚至干旱地區特點。多水年，降水量可大于800 mm，呈現

3、濕潤氣候特點。海河東部平原南皮縣1956 1986年平均降水量550 mm，最大年降水量1 184.9 mm（1977年），最小降水量262.4 mm（1956年），最大與最小相差4.5倍。1.2 年內降水集中干濕季分明在季風氣候影響下，降雨集中在夏季（7、8月份），其余時間為旱季。南皮多年平均夏季降水量占全年的 73 ；春季（35 月）和秋季（911月）雨量較少，分別占全年降水量的11 和13 ; 冬季（12月2月）雨量稀少，僅占2 。形成春旱夏澇、秋冬又旱、旱澇交替的特點。1.3 蒸發量大于降水量據德州、新鄉、安陽、保定、南皮等氣象站分析，全年蒸發量與降水量之比為3.13.9。南皮多年平均

4、蒸發量2 138.6 mm，為年降水量的3.9倍。最大年蒸發量2 659.2 mm。冬春兩季的蒸發量最大，為降水量的1638倍。1.4 四水轉化運動以垂向排補為主華北平原地勢平坦，大部分平原地下水水力坡降都很小，含水層巖性顆粒較細，地下水、土壤水水平向運動很小，水分運動和交換主要是豎向入滲補給、土壤蒸發、潛水蒸發和人工開采排泄。降雨和灌溉入滲量約占平原淺層地下水總補給量的84 ，若計入河渠側向補給，豎向補給量達94 。總排泄量中人工開采和潛水蒸發的豎向排泄量達99.4 。1.5 包氣帶是四水轉化的主要場所多年平均降水量的8 轉化為地表徑流，20.6 轉化為淺層地下水，71.4 轉化為包氣帶土壤

5、水，若計入潛水蒸發量，則由包氣帶向大氣轉化的水量約為降水量的78 左右。2 開發地下咸水灌溉，增大雨洪利用華北平原東部廣泛分布有>2 g/L的淺層地下咸水（圖 2），總面積8.39萬km2。地下咸水長期棄置不用，占據著淺層地下水的地層空間，影響這個地區蓄納雨水及地表淡水，而且蒸發濃縮，成為土地鹽堿的根源。這個地區長期以來靠開采深層地下水支撐工農業生產，由于嚴重超采，已引起地面沉降、上部咸水層下移、深層地下水質變差等生態環境問題。為了克服水資源嚴重短缺對農業生產的威脅，自上世紀70年代開始開發微咸水發展灌溉。在季風氣候及排水條件下，用微咸水灌溉的連作小麥、玉米，比不灌的旱作可增產12 倍，

6、而并未發生土壤積鹽，地下水還有所淡化。80年代應用咸水灌溉成果，引進聯合國IFAD 貸款，建立南皮農業開發項目區，建設機井灌渠排溝，大面積開發咸水，使灌溉面積增加一倍，鹽堿地面積改好一半，農業產值及人均收入翻了兩番。華北地區已開發利用咸水6.6億m3,其中河北平原為3億m3。咸水大量開發利用，改變了四水轉化條件，使大氣降水更多地轉化為可利用的水資源。開發利用咸水，所以能夠增大雨洪利用，綜合治理旱澇堿咸，促使生態環境良性循環。這是由于：2.1 調控地下水埋深在臨界動態地下水埋深動態是大氣降水、地表水、土壤水、地下水之間消長轉化的集中反映。調控合理的地下水埋深，是增大雨洪利用的關鍵。不同季節需要調

7、控的地下水埋深臨界動態：旱季在防治鹽堿的地下水臨界深度（23 m），盡量減少潛水蒸發，防止土壤返鹽；雨季前在防澇蓄雨深度（46 m），盡量增大降雨入滲，減少地表徑流，增強伏雨洗鹽及淡化地下水的作用；雨季在作物的抗濕深度（0.51 m）, 即在2日內將降雨形成的地表積水排出, 并將因降雨抬高的地下水位回降到作物抗濕深度以下（圖 3 ）。大量開發利用咸水，騰出地下庫容, 能夠調控地下水埋深在臨界動態。南皮項目區建立前地下水年開采量600萬m3, 建項目區后到 1987年達到1 380萬m3。汛前 6月地下水埋深至1988年全部調控在3 m以下，與1985年同期比較，23 m的減少了77 ，46m的

8、增加了53 。19861988年地下水埋深，春季3月在 2.783.73 m，汛前6月在 4.485.03 m，汛后9月在1.152.95 m，已調控到地下水臨界動態指標（圖 4）。2.2減少潛水蒸發潛水蒸發量與地下水埋深密切相關。在輕砂壤土地區，地下水埋深為 1 m時，其潛水蒸發量大于地下水埋深為2.5 m時的 6倍。調控地下水埋深在臨界動態，可以大量減少潛水蒸發。南皮項目區 按19841986年平均水位埋深計算可采量為433.85 萬 m3，而按 1986 1988年 地下水埋深調控在臨界動態（ 2.5 5 m ）計算可采量為1 322.39萬m3，即可從潛水蒸發中奪取888.54萬m3

9、可利用的水資源。2.3 增大降雨入滲降雨滲入地下，除補給土壤水外，其余轉化為地下水成為可利用的水資源。在平水年雨季降水434 mm情況下，降雨入滲補給地下水量最大值相應的雨季前埋深在4.5 m左右。在雨季前地下水埋深2.54.5 m范圍內，每降深 1 m，降雨入滲補給地下水量增加226 mm。雨季前地下水埋深大于4.5 m時，降雨入滲將隨埋深增大而減少。在枯水年及豐水年，降雨入滲補給最大值相應雨季前埋深分別在5.5 m及4 m左右（表 1，圖 5）。 南皮項目區地下水埋深處于臨界動態，增大了降雨入滲對地下水的補給。1986年10月至1987年9月，1987年10月至1988年9月，降雨入滲系數

10、分別達到25 和21 。19861987年盡管由于雨季前干旱，大量開采地下水，但經過雨季降雨補充，地下水位上升1.75 m，扣除當年開采及潛水蒸發水量，可采量模數增加85 230 m3/km2/a，為秋季及來年春季抗旱增補了地下水源。2.4減少徑流流失春季抗旱灌溉，大量提取淺層地下水包括微咸水，能在雨季前騰出地下庫容，增大降雨入滲，減少地表徑流，預防漬澇災害發生。 同時使天然降雨盡多地轉化為可利用的水資源。觀測研究表明，徑流量隨地下水位下降而減少。19741977年，雨季前地下水埋深在1.12.5 m，次降雨量和前期影響雨量（PPa）=156244 mm，徑流深R =1847 mm。19841

11、987年，PPa=88236 mm，R = 030 mm。80年代同70年代相比，地下水埋深增大了1.62.0 m，在PPa=160230 mm條件下，R 減少了1724 mm。雨前地下水埋深在15 m范圍，每降深 1 m，地表徑流減少1225 mm。1987年降水736 mm，為偏豐年，其中雨季降雨509 mm，但未發生澇災。南皮試區1987年8月3日降雨149 mm， R 只有4 mm，大部分補給地下水。8月26日6小時降暴雨189 mm，R=30 mm，地面曾普遍積水，但雨前地下水埋深在3 m左右，又有排水條件，積水很快外排并滲入地下，雨后兩天地下水埋深在1.73 m不澇不漬。南皮北試區

12、，在189 mm這次暴雨前地下水埋深還在4.62 m，降雨后沒有產生地表徑流（表2， 圖6 ）。2.5 汛雨洗鹽排鹽華北平原降水集中在雨季。平水年69月份雨季降水434 mm，占全年降水量73，具有很強的淋洗土壤鹽分的作用。鹽堿地區農民“寧舍青苗，不舍伏雨”， 平地圍埂，淋洗鹽堿。但在無排水條件下，只是暫時把鹽分壓在下面，雨季過后還要上返。在深溝排水條件下，把過去雨澇淹地、澇后返鹽的不利因素轉變為洗鹽排咸的有利條件。在地下水埋深調控在臨界動態的情況下，大面積土壤脫鹽，主要是靠汛雨洗鹽排鹽。南皮試區19741987年有7年排水排鹽，累計排鹽量1 394.5 t/km2。后營試區1964年雨季降水

13、604 mm, 排鹽量1 470 t/km2, 每畝排鹽近1 t (表 3)。由于土壤鹽分大量外排，減少了土壤鹽分淋洗對地下水的補給，也促使地下水逐步淡化。2.6 地下咸水淡化在季風氣候及排水條件下，長期抽汲咸水灌溉，有降雨和淡水補給，土壤鹽分淋洗外排，加強了咸淡水的循環交替，促使地下咸水逐步淡化。南皮咸水灌溉試驗場, 自1980年起用虹吸井提取咸水灌溉，地下水礦化度56 g/L，經過8年，到1988年，按6月同期比較，地下水礦化度降到14 g/L。其中地下水表層礦化度由4.85.1 g/L下降到1.192.96 g/L，5 m礦化度由5.15.3 g/L，下降到1.232.38 g/L，底層

14、（10 m左右）礦化度由5.77.8 g/L下降到3.06 3.83 g/L（表4）。在南皮地下水監測區，從19741988年14年地下水淡化明顯。表層 >2 g/L淡水面積由20 增加到50 。有的地段由表層到8 m原來的咸水變為淡水，淡水體增加639 000 m3，淡水可采量模數增加了 15 000 m3/km2/a （圖 7）。降雨入滲補給是促使地下咸水淡化的主要因素。1987年降雨735 mm，各層地下水不論按旱季（6月）、汛后（9月）同去年同期比較，同一年汛后同旱季比較，還是旱季同上年汛后比較，全部淡化。在1984、1985平水年，以上四種比較中，淡化占72 。1986年為偏旱

15、年，6月、9月同上年同期比較78 礦化。但總趨勢還以淡化為主，淡化占56 72，礦化占23 44 。增大降雨入滲的關鍵是調控適宜的地下水埋深。1977年降雨1 185 mm, 但地下水埋深在1 2 m，不能蓄納全部雨水，淡水大量外排。1987年地下水埋深4.26 m，PPa=236 mm，沒有徑流外排，全部入滲地下。這就是80年代以來，雖然大部分年份偏旱，但地下水仍有淡化，特別是經過1987年偏豐年，是地下水淡化更為明顯的原因。3 城區雨洪控制利用華北平原有咸水區的城市，是工農業用水最為集中的地區。河北平原近20年來深層地下水超采400億m3，形成以天津、滄州、衡水、德州、廊坊等城市為中心的大

16、面積深層地下水位降落漏斗區，引起生態環境嚴重惡化。城區淺層地下水咸水過去不予利用，地下水埋深較淺（雨季12 m，旱季36 m），甚至春季路面還有翻漿現象，難以蓄納雨水。而城區建筑密集、路面不透水，降雨后產生大量雨洪徑流，靠雨污合流全部外排。一方面水資源嚴重短缺，一方面雨洪資源又白白流走，是很大的浪費，而且增加了城區排水負擔。因此，增大城區雨洪控制利用，把當地降雨轉化為可利用的水資源，是緩解水資源危機的有效途徑。如何增大有咸水區雨洪控制利用，是城區增辟水資源的一個新課題。現以滄州市城區（40 km2）為例，提出城區雨洪控制利用規劃的建議。3.1 建設城區咸水中水道，開發利用咸水在城區開發咸水，建

17、立中水道供水系統。在城市工業、農業、生活等領域凡有條件利用微咸水和咸水的不再使用淡水和自來水。1）生活用水，用咸水洗滌、沖廁、洗車等。2）工業用水，工廠冷卻用水、工地沖洗砂石料、制蜂窩煤等。3）環境用水，噴灑道路、消防用水、游泳池、噴水池用水、微咸水澆灌綠地林帶等。4）農業用水，灌溉蔬菜作物，23 g/L 微咸水直接利用，35 g/L 咸水與淡水輪灌或混灌。5）公園湖塘水體養魚用水等。據滄州市實驗，咸水中水道可替代居民生活用自來水的1/2，即每年可少用750萬m3自來水（黃河水）。地下水埋深控制在23 m到56 m, 可抽取水量812萬m3/km2/a。騰出地下庫容，為蓄納雨洪徑流創造條件。隨

18、著咸水不斷抽用，用降雨及地面淡水（包括引黃引江水）補充。年復一年反復抽補，咸水逐步淡化，1520年左右可能變為淡水。3.2 集蓄雨洪徑流，回灌地下水城區雨洪可利用量是在汛期降雨中扣除雨季蒸發、產流前濕潤下墊面損失，可能被攔蓄入滲或集蓄利用的水量，滄州市約為622萬m3。城區雨洪控制利用的途徑與措施如下：3.2.1 屋頂雨水攔蓄利用建立屋頂滲井回灌系統和屋頂人工湖系統。滲井和人工湖結合建筑區草坪統一安排。屋頂人工湖系統直接收集屋頂雨水經過瀘后引入人工湖，補充水體，還可用于澆灌草坪回灌地下水。屋頂滲井回灌系統，是用管道與落水管連接直接收集屋頂的雨水經過瀘后引入滲井回灌地下水。北京市礫質中砂地層直徑

19、3 m、深8 m的滲井，對十年一遇降雨，可消納2 500 m2屋頂上產生的徑流量。滄州市規劃增建城區23 km2，屋頂面積約513萬m2。40的屋頂面積需修建屋頂相應地面滲井1 700個。同時改造15 舊屋頂面積，修建350個滲井。到2010年使城區減少徑流量110萬m3，并入滲回灌地下水。3.2.2 建透水路面增大降雨入滲 1）新建仃車場和廣場地面采用透水材料，增加降雨入滲量。對原有停車場及廣場逐步進行透水路面改造。2）新建人行道鋪裝透水磚，并低于馬路路面，減少徑流流失。現有人行道隨更新翻修，逐步改為透水地面。3）修建道路蓄水入滲回灌系統，收集公路上的降雨徑流，經油水分離、過瀘等處理后回灌地

20、下或存蓄灌溉路邊花壇、草坪、樹木。北京市人行道鋪設透水方磚可減低暴雨徑流速度、流量、延長滯時，汛雨利用率為3540。滄州市到2010年道路廣場用地704 hm2。道路雨洪利用增加地下水補給量平水年為9萬m3，減少徑流量36萬m3。3.2.3 綠地草坪滯蓄汛雨關鍵是增加綠地降雨入滲量，減少徑流流失。北京市低于地面的草坪通過地下 1 m界面的入滲量占降雨與灌水總量的30以上，是與地面持平的草坪的1.6倍，是高于地面草坪的4.9倍。高草坪在平水年汛期有5.6 11的外泄徑流，而平草坪或低草坪無徑流外泄。因此，增大綠地雨洪利用要改高草坪為平草坪或低草坪。滄州市現有綠地面積69 hm2，到2010年新增

21、735 hm2。建新草坪后降雨入滲系數較平草坪和高草坪分別增加0.1和0.2。在大型草坪中結合人工湖滲井系統，補給量及滯洪效果更佳。因此，也改善了生態環境景觀。綠地雨洪利用，到2010年平水年增加地下水補給量76萬m3，減少汛期徑流量190萬m3。3.2.4 增加城市水體城市水體不僅美化環境，增加水體面積還可提高 防洪 能力。實行雨污分流，使雨水排入河道、湖塘，增加淡水，凈化水體。滄州市規劃到2010年在南運河兩側建人民公園、勝利公園，南運河東側建南湖公園并通過南運河互通互游。蓄水容積200萬m3，可調蓄雨洪75萬m3，增加入滲量37.5萬m3。采用以上四項措施，控制利用雨洪，到2010年可削減城區徑流量411萬m3，增加地下水補給量232.5萬m3。4 結語華北平原東部有咸水區，在農村發展井灌井排渠灌溝排，在城市建設咸水中水道及透水路面、滲井、綠地等回灌設施，以開發利用淺層地下水包括微咸水和咸水為基礎，以調控合理的地下水埋深為中心，以土壤及潛水的地層空間作為調節大氣降水、土壤水、地下水、地表水的地下水庫。減少潛水蒸發，增大降雨入滲，減少徑流流失，汛雨洗鹽排鹽