日本冲绳地下水库情况介绍王彦军,雷俊(中国灌溉排水发展中心,北京100053)摘要:日本冲绳地区受地质条件的限制,地表水资源匮乏。
为了稳定农业生产、增加农业产值,政府根据当地的情况,积极开展地下水库建设。
对日本冲绳地下水库的建设方法、适用条件、地下水库的优缺点等作了简单介绍。
关键词:日本;地下水库;地下水坝1 冲绳的基本情况冲绳县位于距离日本首府东京1 560 km 的西南部,主岛冲绳是一个东西窄、南北长的岛屿。
冲绳由161 个大小不同的岛屿组成,其中112 个岛屿无人居住,49 个岛屿有人居住。
总面积2 266 km2 ,约占日本国土总面积的1 % ,其中耕地面积4. 14万hm2 ;人口128. 7 万,约为全国人口的1 % ,其中农业人口81 760 人。
冲绳以农业为主,主要种植甘蔗和热带、亚热带水果,其中甘蔗种植面积占农地面积一半以上。
冲绳县属亚热带海洋性气候,年平均气温为23. 1 ℃,冬天气候温和,平均气温16.8 ℃。
年平均降雨量2 000 多mm ,超过日本本岛,但降雨量主要集中在梅雨季节和台风季节,所以不同年份、不同季节的降雨量差别很大。
冲绳县境内琉球石灰岩分布广泛,在这种地区很难形成天然河流或建设人工河。
降雨的40 %渗入地下,经过透水性很强的琉球石灰岩流向大海,50 %被蒸发掉,仅10 %的降雨留存地面被利用,农作物产量很不稳定。
为此,国家实施了系列开发农业水资源工程措施保证农业生产,包括建设水坝、渠首工程、地下水库等,取得了很好的经济效益和社会效益,其中比较成功的工程案例是地下水库的建设。
日本在世界上具有领先的地下水库建设技术与经验。
2 地下水库的开发利用所谓地下水库是指沿海地区通过在河流入海附近兴建地下拦水坝形成的。
地下水库通常有两种用途,一是拦蓄地下潜流,提高地下水位,保证农业灌溉的稳定性;二是防止海水入侵。
日本冲绳修建地下水库的目的主要是为了提供农业灌溉用水。
其地下水坝的厚度一般为50 cm ,是一堵防水性很强的地下墙体,坝长依地下水文地质条件而定,坝基通常至不透水岩层以下50 cm 处。
由于水坝建在地表以下,墙体两边均有土层支撑,所以对水坝坝体本身的强度要求不高,通常为10 kg/cm3 。
冲绳的地下水库建设始于1977 年,到目前为止国家和冲绳县共投资兴建了10 座地下水库(包括几座正在兴建之中的水库) ,其中最大的坝体长度达2 612 m ,最大的地下水库储水容量为345 万t 。
已建水库为当地的农业经济发展做出了很大贡献。
世界上其他地区也建有地下水坝,但与日本的比较起来规模要小得多。
2. 1 建设地下水库需要的条件地下水库的成功建设需要符合一定的水文地质条件,首先是有地下谷和适宜的含水层存在,地下谷应该由高透水、高孔隙率的含水层和不透水的粘土层组成。
冲绳琉球石灰岩一般埋深在40～70 m ,孔隙率达到10 % ,这种地形条件很适合建设地下水坝。
地下水坝不仅适合琉球石灰岩地形,也适合河床下面是冲击层和火山碎料的地质情况。
二是要有充足的地下水补给源,水量越充足,建筑地下水坝的效果越明显。
地下水库的主要补给水源是降雨,如果当地降雨量稀少,那么地下水库永远也不能储存足够的水量。
第三是水坝建成后,可以形成较大的储水容量,如果在建设地下水库之前,地下水位就比较高,那么水坝建成后的效果会更好。
第四,在建设以防止海水入侵为目的的水坝时,海水入侵量一定要小,否则很难将已入侵的海水转变为淡水。
第五是含水层中没有软土层或软土层很少。
如果含水层中的软土太多,在抽取地下水时,软土会被脱水压缩,地面物质就可能进入地下水库,造成地面下沉。
另外,除了上述5 个条件外,有时还需考虑当地的社会经济因素。
2. 2 地下水坝的施工方法地下水库的建设有4 种方法(见图1) :大开挖法、地下完善法(用机器钻进,然后喷入混凝土,形成不透水的墙体) 、不透水体法(也称灌浆潜入法) 和隔水墙法。
在日本冲绳主要采用隔水墙施工法,本文仅对该种施工方法作简单介绍。
隔水墙法即为现场搅拌土壤形成混合墙的方法(见图2) ,这种施工方法比其他几种方法要经济。
施工过程分为单轴钻进和三轴钻进两部分。
单轴钻进包括3 个步骤,一是设置作业面。
在这个过程中,需要设立工作平台和导向墙,用于安装固定钻探设备、保证钻进的精确度。
导向墙通常为钢筋混凝土结构,尺寸为0. 5 m×0. 5 m;工作平台为混凝土结构, t = 0.2 , B = 9. 1 m。
二是套管钻孔过程。
为了提高钻探的垂直精确度,在钻探时把直径为600 mm 的钻头放进直径710 mm、长20 m 的套管中作业,将井孔钻至作业面以下20 m 的地方。
所钻井孔在同一条直线上,井孔与井孔的中心间距是900 mm。
三是先行钻孔过程。
在所钻的井孔中下套管,并继续推进钻头,直到到达设计的深度。
所钻井孔成为三轴钻进中单个钻头的引导管。
三轴钻进也包括三个步骤,一是三轴削平过程。
在这个过程中,三轴螺旋钻将所钻井孔间残留的突起部分削平,以形成溢流断面。
二是三轴搅拌施工过程,即钻孔形成(隔水墙) 土壤混合墙的方法。
完成削平挖掘工作后,继续推进三轴钻头,钻掉井孔间的土壤,将所有的井孔连接在一起。
至计划钻进的深度后,一边提升钻头时,一边注入固化用的注入液(水泥乳状液) ,注入液与钻下的石灰岩碎屑混合搅拌,形成隔水墙。
三轴钻孔将先前所钻的井孔重叠连接起来,形成连续的墙体。
三是溢流断面过程。
隔水墙建成后,注入混凝土形成坝顶,混凝土硬化后,填埋碎石,形成溢流断面。
图1 地下水坝的施工方法2. 3 施工过程管理地下水坝是通过衔接在一起的井孔形成的,如果井孔错位,就形成不了连续的墙体,起不到防渗的作用,水库也就不可能达到储水目的。
因此在钻井施工过程中,严格监测、控制井孔的垂直精确度是十分重要的步骤,这个过程是通过安装在钻机上的监控设备将数据传输到计算机上实现的。
监测传输的数据包括井孔深度、钻井时每米钻深所注入的注入液的容量、提升钻杆时每米钻深注入的固化液的容量、每5 m 钻深的倾斜度( X 轴和Y 轴) 、操作时间与日期、钻井速度、注入液的总容量、钻机的电流强度、钻机末端的偏差及钻井末端位置图。
当三轴钻进至设计深度时,在钻机末端的每根钻杆上插入内置式倾斜表测量井轴的偏差,将数据输入计算机后绘制出不同井孔深度的轴线图,可以明显的检查出井孔的连续性。
井孔的倾斜率应控制在±5 %以内,否则需要对倾斜率太大的井孔进行调整或重新钻新的井孔。
冲绳的钻井经验表明,深度超过40 m的井孔约有20 %需要调整,深度在40 m 以内的井孔约有5 %需要调整。
深度越大,需要调整的井孔比率也越大,保证墙体连续性的难度也越大。
目前,日本建坝技术也只有70 m 井深的经验。
图2 隔水墙施工过程流程2. 4 地下水库的优缺点建设地下水库的投资相对于同等规模的地上水库来说要少很多;建设地下水坝不占用土地,地下水库建成后地面仍然可以用来耕种作物。
由于地下水库是在地下,即使水坝坝体出现问题,也不会像地面水坝那样形成危害人们生产生活的洪涝事故。
地下水库没有蒸发损失,建设地下水库也不会对下游生态产生影响,所以说对环境的影响远远小于建设地面水坝对环境的影响。
但是建设地下水库的前期勘探工作量较大、时间较长。
地下水库建成后,很难对其储水容量进行精确的估算。
另外建设深层地下隔水墙需要先进的钻探技术和施工监测技术,否则墙体之间不能很好的衔接在一起,难以达到预期的储水目的。
地下水库建成后,需要用水泵抽水灌溉,所以运行成本相对较高。
2. 5 建设地下水库应注意的事项建设地下水库应做好前期勘探工作,充分了解当地地下水文地质条件,选择建设地下水坝的最佳位置,尽可能降低水坝的长度,保证能够充分拦截、储存地下水。
在施工过程中,需要用计算机进行实时监控,保证钻孔的垂直精确度。
另外,在建设地下水库时,水坝上端离地面要保持一定的距离,设置溢流断面,防止地下水位过高时,出现地面滞涝现象。
水坝建成后,在水坝上下游离坝体5 m 处每隔50 m 设置一个观察井,用来观察上下水位变化,以了解坝体是否处于正常工作状态。
2. 6 地下水库对冲绳的贡献地下水库的建设为农作物生产提供了稳定的灌溉水源,促进了冲绳地区农业产量的稳定与增收,减少了旱灾所造成的损失,如在1993 年,冲绳县石垣市发生干旱,年降雨量大大减少,但由于有地下水库做保障,当年的甘蔗产量并没有因此而减少。
目前,冲绳灌溉用水依赖地下水库提供水源的趋势正在增加。
试验研究表明,经过灌溉的甘蔗产量每公顷比灌溉前增加了1/ 3 。
据统计,1971 年每公顷土地的甘蔗产量为163. 2 t ;有了地下水库后,灌溉水源有了保障,在加上其他农业措施,1993年每公顷甘蔗的产量提高到793 t 。
有了可靠的灌溉水源后,农业生产结构也发生了改变,从单纯的种植甘蔗向种植蔬菜、花卉、水果、烟草以及草场(喂养牲口) 等高附加值的产品发展。
3 地下水库在我国的应用及发展前景我国北方许多城市严重缺水,但许多地方水资源的利用率却又较低。
北方地区降水时间集中,每年7～9 三个月的雨季几乎集中了全年降水的70 %～80 % ,雨季水量的大量过剩,不但浪费了极其宝贵的水资源,还导致地表的盐碱化和洪涝灾害的加剧。
针对这种情况,山东省济南市从该市的卧虎山水库经玉符河放水0. 1 亿m3 ,通过济南市地区的强渗漏带渗入地下,并在这一地区的24 个强渗漏带建立了53 个地表水拦截坝,拦截了南部山区每年白白流失的数亿立方米的地表水,使其经过渗漏带时渗入地下水库,这项工程的成功实施使消失多年的趵突泉焕发了新的生命。
这项工程完全建成后,还可望每年增加地下水补给量0. 35 亿m3 ,使济南城区的地下水位枯水期保持在26. 8 m 以上,其他季节水位保持在27. 5 m 以上。
据测量,烟台黄水河“地下水库”自建成以来,附近地下水位回升2. 96m ,年增加可利用水资源0. 2 亿m3 。
到目前为止,山东省已建有6 座地下水库。
山东的经验表明:在地质条件适宜、水源补给充足的北方城市,通过建设地下水库拦截地下入海潜流,丰蓄枯用,提高水资源的利用率,是缓解城市用水紧张局面的途径之一。
作者简介:王彦军(19642) ,男,高级工程师。
摘自《中国农村水利水电》2005 年第3 期。