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应用海洋水库技术改善区域自然及供水环境研究——以澳大利亚莫瑞-达令盆地(Murray-Darling Basin)为例

张坤珵 郭佩芳 侍茂崇 杨树清 石洪源 陈韶阳

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Citation:

应用海洋水库技术改善区域自然及供水环境研究——以澳大利亚莫瑞-达令盆地(Murray-Darling Basin)为例

    作者简介: 张坤珵(1990-),男,天津人,博士,从事海洋综合管理研究,E-mail:15253257767@163.com;
    通讯作者: 石洪源(1986-),男,讲师,山东滕州人,从事海洋动力学及海洋综合管理研究,E-mail:shihongyuan1234@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB1501901),国家自然科学基金(U1806227),教育部哲学社会科学研究重大课题攻关项目(18JZD059),中国海洋大学资助博士研究生国(境)外联合培养项目(2018年第二批)
  • 中图分类号: P741

Application of coastal reservoir technology to improve regional natural and water supply environment: a case study of the Murray-Darling Basin in Australia

  • 摘要: 澳大利亚的莫瑞-达令盆地具有极其重要的经济、资源、环境和生态价值,两条最重要的河流——莫瑞河(River Murray)和达令河(Darling River)横贯其中。近年来,由于“千年干旱”引发了流域内盐度上升、鱼类大量死亡及土壤酸化等一系列生态环境问题,使得下游阿德莱德地区的淡水资源供应更加紧缺。本文吸取下游亚历山大湖水库设计失败的教训,试图通过应用多用途的海洋水库技术改善区域自然环境及供水环境,使得阿德莱德地区有充足的高质量淡水供应,缓解区域内河流干涸现象,力求实现区域可持续发展的同时恢复区域环境流量。此外,通过研究海洋水库技术,为我国沿海地区的自然环境及供水环境改善工作提供建议,实现我国入海淡水资源的有效管理。
  • 图 1  莫瑞-达令盆地的主要农场分布和莫瑞河流系统图

    Figure 1.  Murray-Darling Basin main crop farms distribution map and Murray River system

    图 2  莫瑞河每年的流量

    Figure 2.  Annual Murray River system inflows

    图 3  海洋水库的结构和多种设计方案

    Figure 3.  Multiple coastal reservoir design plan and its construction

    图 4  两用海洋水库的设计框架和莫瑞河的供水管道

    Figure 4.  The design sketch of dual purpose coastal reservoir in Lake Alexandrina and pipeline from River Murray to South Australia

    图 5  1970—2010年Morgan测站的盐度和Lock 1测站流量的关系(蓝线是盐度,桔红线是流量)

    Figure 5.  Morgan’s salinity and Lock 1’s flow from Jan 1970-Jan 2010 (Morgan’s salinity is blue line and Lock 1’s flow is organge line)

    表 1  1980年至今世界范围内建成的海洋水库

    Table 1.  Marine reservoirs built around the world since 1980

    项目名称坝体长度/km库容量/107 m3水库面积/km2建成年份国家
    宝钢水库(Baogang)3.7121.81985中国
    陈行水库(Chenhang)4.78.31.351992中国
    西洼水库(Sihwa)12.432342.31994韩国
    伊萨哈亚湾水库(Isahaya Bay)7.07926.01997日本
    玉环水库(Yuhuan)1.0864.136.51998中国
    卡迪夫水库(Cardiff Barrage)1.17.52.02001英国
    曹娥江大闸(Cao’ejiang)0.714643.12007中国
    滨海堤坝水库(Marina Barrage)0.3542.524.02008新加坡
    岁篒岛水库(Saemanguem)33.95301182010韩国
    青草沙(Qingcaosha)43.055366.32011中国
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-11
  • 录用日期:  2019-12-16
  • 网络出版日期:  2020-01-10

应用海洋水库技术改善区域自然及供水环境研究——以澳大利亚莫瑞-达令盆地(Murray-Darling Basin)为例

    作者简介:张坤珵(1990-),男,天津人,博士,从事海洋综合管理研究,E-mail:15253257767@163.com
    通讯作者: 石洪源(1986-),男,讲师,山东滕州人,从事海洋动力学及海洋综合管理研究,E-mail:shihongyuan1234@163.com
  • 1. 中国海洋大学 海洋与大气学院,山东 青岛 266001
  • 2. 伍伦贡大学 土木、采矿及环境工程学院,澳大利亚 伍伦贡
  • 3. 鲁东大学 土木工程学院,山东 烟台 264025
  • 4. 天津大学 天津大学海洋科学与技术学院/海洋战略研究所,天津 300354
基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB1501901),国家自然科学基金(U1806227),教育部哲学社会科学研究重大课题攻关项目(18JZD059),中国海洋大学资助博士研究生国(境)外联合培养项目(2018年第二批)

摘要: 澳大利亚的莫瑞-达令盆地具有极其重要的经济、资源、环境和生态价值,两条最重要的河流——莫瑞河(River Murray)和达令河(Darling River)横贯其中。近年来,由于“千年干旱”引发了流域内盐度上升、鱼类大量死亡及土壤酸化等一系列生态环境问题,使得下游阿德莱德地区的淡水资源供应更加紧缺。本文吸取下游亚历山大湖水库设计失败的教训,试图通过应用多用途的海洋水库技术改善区域自然环境及供水环境,使得阿德莱德地区有充足的高质量淡水供应,缓解区域内河流干涸现象,力求实现区域可持续发展的同时恢复区域环境流量。此外,通过研究海洋水库技术,为我国沿海地区的自然环境及供水环境改善工作提供建议,实现我国入海淡水资源的有效管理。

English Abstract

  • 澳大利亚是地球上最干旱的有居民大陆[1]。半干旱地区(年平均降雨量小于600 mm)和干旱地区(年平均降雨量小于300 mm)分别占澳大利亚大陆的80%和60%。澳大利亚大陆长期的平均降雨量仅为461 mm,越来越多的人口集中在沿海发达城市,使得干旱问题在沿海地区更为严重[2]

    莫瑞-达令盆地(Murray-Darling Basin,MDB)是澳大利亚最为重要的地区,面积为104.3万 km2。莫瑞-达令盆地是澳大利亚最重要的农业地区,每年创造约190亿澳元的收入[3]。从1996年下半年到2010年,莫瑞-达令盆地遭受了自19世纪末有记录资料以来的最严重的干旱灾害,这被称为“千年干旱”[4]。由于情况如此严峻,澳大利亚政府制定了莫瑞达令盆地计划,该计划通过从居民手中回收水权的方式,希望到2019年底预计恢复2750 GL的水流量,解决下游干旱问题。但时至今日,这个水资源恢复计划的目标尚未实现,莫瑞-达令盆地的干旱问题没有完全解决。因此我们计划应用海洋水库技术改善莫瑞-达令盆地的自然环境及供水环境。

    世界上第一个海洋水库始建于1932年,位于荷兰原须德海(Zuider Zee),名为Ijsselmeer,其表面积约为1240 km2[5]。20世纪末至21世纪初,海洋水库分别在韩国、英国、中国大陆,香港和新加坡等城市建设使用。据统计,全球每年的平均入海淡水总量约为42000 km3,应用海洋水库技术,仅开发其中一小部分淡水资源便可以满足人类使用的需求,并有利于区域环境持续向好发展。上海市的青草沙海洋水库的成功使用解决了上海的缺水问题,起到了很好的示范作用。

    • 莫瑞-达令盆地的名称源于两条主要河流-莫瑞河(River Murray)和达令河(River Darling)。该盆地横跨澳大利亚的五个州,每年向澳大利亚提供大量农产品(图1)。该区域还为超过300万人提供淡水,包括阿德莱德的140万人口。莫瑞-达令盆地有近30000个湿地,该流域为大量珍稀动植物提供了栖息地[6-7]。许多耗水量高的农场位于上游地区,使得下游地区大面积干旱。现在有许多迹象表明该区域的生物多样性呈现出大量减少状态,并在河流周边沿岸土地发现了酸性硫酸盐土壤[8]

      图  1  莫瑞-达令盆地的主要农场分布和莫瑞河流系统图

      Figure 1.  Murray-Darling Basin main crop farms distribution map and Murray River system

    • (1)千年干旱

      图2中我们可以看出,“千年干旱”时期(1996.7-2010.6)莫瑞河系统的水资源年均流入量仅为5768 GL,为长期平均流量(从1892-2010年)9854 GL的58.53%。图2中红色虚线是莫瑞河流入量的15 a滑动平均值,莫瑞河在“千年干旱”时期的滑动平均值也呈持续下降的趋势,且在2010年达最低值。在此期间,该区域下游地区的许多河流处于干涸状态。

      图  2  莫瑞河每年的流量

      Figure 2.  Annual Murray River system inflows

      (2)鱼类大量死亡事件

      鱼类大量死亡事件发生于2018年12月下旬至2019年初,在美宁第(Menindee)湖附近,死亡鱼类的数量达到三百万条。究其原因,干旱期间缺水同时会引起水质恶化,当水温和盐度较快变化时,又会导致藻类死亡,其分解大量耗费水体中的氧气,氧含量降至临界水平以下,造成鱼类窒息死亡[9]

      (3)亚历山大湖高盐度、酸化和富营养化

      先前的研究成果表明河水流量降低会造成水质恶化,例如酸化,盐度提高和富营养化[4]。莫瑞-达令河的流入量减少,导致莫瑞河下游的亚历山大湖和阿尔伯特湖的水位明显下降,盐度快速上升,含有黄铁矿的沉积物大量暴露,土壤酸化严重[10-11]

      (4)阿德莱德地区淡水资源短缺

      1977-2018年,阿德莱德的年平均降雨量为541.5 mm。目前阿德莱德的人口为130万,据南澳大利亚州政府预测,至2050年大阿德莱德地区人口约为200万[12]。随着人口的增加,阿德莱德的用水量势必持续增加。如果没有完整的解决方案,阿德莱德水资源短缺的问题将更加严重。

    • 海洋水库被定义为用于某些特定目的的大型水体中的封闭式异质水库,即水库内外水体的物理、化学或者生物特性有所不同。简单来说就是河口附近海水中的淡水水库,以储存入海河水中的优质淡水资源供沿海地区使用[13]。和传统水库相比,它具有可以基于大量的淡水资源优中选优的进行贮存;不在上游截流使得环境影响较小,从而不破坏整个流域的生态流量;水库主体高度位于海平线位置,具有容积较大等优点。如图3所示,海洋水库就所在位置而言,它可以位于河口内部、外部或其周边。海洋水库可在优质淡水资源与海水混合之前将其储存起来。

      图  3  海洋水库的结构和多种设计方案

      Figure 3.  Multiple coastal reservoir design plan and its construction

    • 海洋水库一般由优质淡水水库、两道坝体、缓冲区水库、连接输水管道及泄洪闸门组成。它两道坝体的材质可以是混凝土、砂石袋、原始地形或软坝[14]。海洋水库的拟规划用途可按照其贮存水质的不同,分别用于居民饮用水供应、农业灌溉及各类工业使用。相比于海水淡化方案,海洋水库是一种更加经济且高效的技术,只将优中选优的淡水资源贮存其中。

      海洋水库中起到隔离保持水质作用的两道坝体的设计尤为重要,第一道硬质坝体的坝体高度要足够高,最少高于海洋潮汐、波浪及台风风暴潮等极端天气使得海浪所能达到的最大高度。此外,该坝体也要足够坚固,最少抵御波浪和潮汐作用在坝体上最大的冲击力。硬质坝体内部由砂石袋堆砌,外层裹以一定厚度的混凝土外壳,即达到了强度的标准,又节约了建设成本。第二道坝体是一道软坝,分隔缓冲区混合水库和优质淡水资源水库。这道软坝可以延伸到水库底部,并用重物压住这道软坝起到固定作用[15]。还可以通过安置锚链系统以便对其进行位置的移动,这样设计的好处是可以按需求控制缓冲区水库和淡水水库的容量比。海洋水库可以使得海水、缓冲区混合水与未受到污染的优质淡水相隔离,以保障核心淡水水库的纯净程度。

      海洋水库还配有泄洪闸门和鱼类洄游通道,在解决洪水期泄洪问题的同时也注重了河海交汇区的生态环境保护。位于河口内部、外部区域的海洋水库可以在河流水质较为优质的时间段内通过打开优质水库的闸门来蓄存优质水源。位于河口周边区域的海洋水库还配有泵站及供水管道,在水质较好的时期通过泵站和供水管道将已探得的优质淡水资源导入其中进行储存。

    • 相比较于较早的海洋水库,20世纪末至21世纪初新建设的海洋水库更加致力于提高水质,形成高质量饮用淡水的储存和收集区。这些海洋水库建设的主要任务通常是:在淡水资源入海口附近形成一个坚固的水坝,分隔优质淡水与高盐度海水,之后将剩余的盐水抽出,进而选取优质淡水贮存其中。这类海洋水库建立在海平面区域,相比较于传统上游水库的储水具有不截流、不降低区域环境流量和储水量大的优点。如表1所示,1980年至今世界上有许多国家建成了海洋水库。与此同时,印度、马来西亚和美国等国家也在研究建设海洋水库。

      项目名称坝体长度/km库容量/107 m3水库面积/km2建成年份国家
      宝钢水库(Baogang)3.7121.81985中国
      陈行水库(Chenhang)4.78.31.351992中国
      西洼水库(Sihwa)12.432342.31994韩国
      伊萨哈亚湾水库(Isahaya Bay)7.07926.01997日本
      玉环水库(Yuhuan)1.0864.136.51998中国
      卡迪夫水库(Cardiff Barrage)1.17.52.02001英国
      曹娥江大闸(Cao’ejiang)0.714643.12007中国
      滨海堤坝水库(Marina Barrage)0.3542.524.02008新加坡
      岁篒岛水库(Saemanguem)33.95301182010韩国
      青草沙(Qingcaosha)43.055366.32011中国

      表 1  1980年至今世界范围内建成的海洋水库

      Table 1.  Marine reservoirs built around the world since 1980

    • 亚历山大湖海洋水库建设如图4所示,整个亚历山大湖仍为一个整体的海洋水库,其中的深水红线划定区域建设高质量的饮用水库,外围作为缓冲区。目的是利用中心淡水水库向阿德莱德供应优质淡水以缓解其供水危机,缓冲区可供农业灌溉使用。我们计划逐步将上游耗水量大的棉花等农场转移到沿湖周边地区,通过减少流域上游用水量和蓄水量,以期恢复水流量,进而增加环境流量,这样就可以避免发生大规模鱼类死亡事件,改善区域环境问题的同时又能保持农业产量。

      图  4  两用海洋水库的设计框架和莫瑞河的供水管道

      Figure 4.  The design sketch of dual purpose coastal reservoir in Lake Alexandrina and pipeline from River Murray to South Australia

    • 本文在应用海洋水库技术时要考虑亚历山大湖盐度过高的问题,其高盐度是由于表面积过大,造成蒸发量巨大,湖水盐度持续升高。实际上想要满足阿德莱德地区的供水需求并不需要这么大的水库。蒸发速率在一年中的不同时间段具有很大差异,假定年均蒸发量为3.6 mm/d[16]。根据阿德莱德及周边区域的供水需求和蒸发等损失,我们将中心优质淡水水库的容积初步设计为550~630 GL,其蒸发损失约为120−200 GL/a。淡水水库位置设计在湖中心的主要原因有两个:第一个原因是红线所包围的水体深度更深,在相同储水量下其表面积较小,有助于减少蒸发损失,进而控制水库盐度增长;另一个原因是,高质量水体距离岸线较远,可以减少沿岸酸化土壤和各类陆源污染物造成水污染的风险。

      图4所示,在海洋水库建好后,每年只有在上游测站测得水质较高时才打开3号闸门(同时关闭1、2号闸门)将淡水引入优质淡水水库,如图5中红色箭头所示。当水质不够好时,关闭3号闸门,打开1、2号闸门使其流入外围水库用作其他工业或者农业灌溉用途,如图4中黑色箭头所示。一旦新海洋水库建成,不再直接通过抽水站及其管道从莫瑞河泵水,而是从拟建的海洋水库中抽水,这样流域的环境流量将会增加。通过图5可以发现莫瑞河流域的流量和盐度变化较大,且呈负相关的关系,负相关系数约为-0.0862。即水流量较大时,盐度较小。这样的环境使得海洋水库技术显得尤为重要,特别是在干旱时期,当莫瑞河中出现高盐度劣质水资源时。这时候海洋水库中贮藏的优质淡水可确保阿德莱德充足的淡水资源供应,在流量较高、盐度较低,即水质好的时段在进行水资源补充。若没有这个海洋水库,那么当莫瑞河水水质较差时,阿德莱德地区的人们将别无选择。哪怕在“千年干旱”期间,莫瑞河的平均每年流入量也有5700 GL /a,而阿德莱德的需水量不到200 GL /a,即使在水流量最小的阶段,海洋水库仍可以从大量的入海淡水资源中优中选优,只选取质量最好的淡水资源供给饮用。

      图  5  1970—2010年Morgan测站的盐度和Lock 1测站流量的关系(蓝线是盐度,桔红线是流量)

      Figure 5.  Morgan’s salinity and Lock 1’s flow from Jan 1970-Jan 2010 (Morgan’s salinity is blue line and Lock 1’s flow is organge line)

    • 在“千年干旱”时期,昆士兰的棉花农场在其配套水库中储存了很多的淡水资源,但是下游流域却出现了干涸现象。同时政府的水资源恢复计划功效也较十分有限,并在一定程度上影响了区域农业发展。若我们可以通过外部缓冲区水库利用那些质量较低的淡水资源进行农业灌溉,将耗水量巨大的棉花农场等集中在亚历山大湖周围的闲置区域。据资料显示,亚历山大湖的盐度在“千年干旱”时期超过了澳大利亚的饮用水标准,但它大多数时候远低于灌溉农业的上限标准(4700 EC)。上下游地区的土壤类型、温度、降雨量及光照等条件均十分类似,在解决环境问题的同时,又不降低农业产量。因此沿湖地区无论各个方面都满足棉花等农场的需求,具有实施的可行性。若按此计划实施,昆士兰州的上游棉花种植者不需要建坝拦水,流域内每年可以增加1000-2000 GL的水流量,进而恢复整个流域的生态流量,缓解“千年干旱”所引起的一系列环境问题。

    • 我国具有1.8万公里的海岸线资源,拥有辽河、海河、黄河、长江、钱塘江、瓯江、闽江、珠江等多条入海河流,每年的淡水资源入海量约为1724 km3/a。由于城市化的发展趋势,中国大量的人口向沿海发达城市聚集,导致我国发达沿海地区缺水现象较为严重。据资料显示,我国的年缺水量约为50 km3/a[17],我国已经尝试了多项水利工程来缓解缺水危机,但仍未充分满足沿海地区优质淡水供应的需求。我国的缺水量仅占每年入海淡水量的2.9%,可以看出,我国并不缺乏优质的淡水资源,只是缺乏适宜的开发、取水和贮存技术,导致这些优质淡水白白入海。我国可以尝试研究并大力发展海洋水库技术来缓解缺水危机,除了该技术可以选择最优质的淡水供给饮用外,还由于其水库蓄水主体位于河海交汇处,具有水库容量大且不占据宝贵的沿海土地资源的优点,不仅可以满足充足高质量的淡水供应外,还为沿海地区的持续发展节约了最为宝贵的土地资源,具有较高的可行性和实用性。

    • 澳大利亚莫瑞-达令盆地并不缺乏淡水资源,缺的只是有效的取水、贮存技术,导致这部分淡水资源都白白流入了海洋。下游地区出现的一系列环境问题及阿德莱德地区淡水资源供应紧张的原因是:亚历山大湖现有水库设计不当,导致“千年干旱”时期湖水盐度过高,无法供给饮用。正因如此,我们考虑在亚历山大湖设计海洋水库,满足阿德莱德的用水需求的同时,将外围水质较低的缓冲区水库应用于灌溉农业。同时,试图通过将上游地区耗水量巨大的农场转移到下游地区,利用海洋水库技术增加整个流域的水流量,恢复其生态流量,缓解近年来由于持续干旱而引发的各类生态环境问题,同时又保障了地区农业产量。若该计划获得澳大利亚政府批准,需要将生态环境保护概念贯穿于项目建设的全过程中。吸取世界上现有海洋水库在建设阶段的经验教训,注重生态环境的保护和建筑废物的无害化处理,避免在建设全周期中对周边生态环境造成不利影响。

      目前,中国每年的淡水缺水量仅占每年入海淡水量的2.9%,我们可以根据具体情况,研究并发展海洋水库技术。通过参考上海青草沙等海洋水库的成功经验,选取适宜位置设计、建设并成功运行海洋水库,从而有效开发并管理我国入海淡水资源,改善沿海发达地区的自然环境和供水环境。

参考文献 (17)

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