滹沱河地下水庫入滲試驗(yàn)成果與初步分析

王志華,韓永濤

（河北省石家莊市水資源綜合管理辦公室，石家莊050051）

滹沱河地下水庫入滲試驗(yàn)成果與初步分析

王志華,韓永濤

（河北省石家莊市水資源綜合管理辦公室，石家莊050051）

通過以往水文地質(zhì)資料及歷年來滹沱河過水觀測數(shù)據(jù)分析，滹沱河具備建設(shè)地下水庫的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)基礎(chǔ)，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益明顯。要長期大規(guī)模調(diào)蓄引江水和上游水庫水，使工程既在設(shè)計(jì)上合理可行，又能保證地下水環(huán)境良性循環(huán)，必需通過開展大規(guī)模入滲試驗(yàn)來進(jìn)一步論證，確定河道入滲補(bǔ)給能力、模型參數(shù)和地層凈化能力等一系列技術(shù)參數(shù)。文中對(duì)地下水庫入滲試驗(yàn)成果進(jìn)行了初步分析。

滹沱河；地下水庫；入滲試驗(yàn)；成果；分析

地下水庫是利用地殼內(nèi)的天然儲(chǔ)水空間儲(chǔ)存、調(diào)蓄水資源的一種地下水開發(fā)工程。主要包括天然儲(chǔ)水構(gòu)造組成的地下水庫庫區(qū)、攔截地下徑流的地下壩、地表攔水和引滲工程、地下水開采工程四部分。地下水庫作為一種有效利用水資源的地下開發(fā)工程，在國外發(fā)展較快，美國、日本、法國等國家和地區(qū)，從20世紀(jì)20～30年代就已經(jīng)開始這方面的工程實(shí)踐，我國地下水庫建設(shè)起步相對(duì)較晚，從60～70年代開始，北京西郊、山東龍口等地區(qū)陸續(xù)建設(shè)地下水庫調(diào)蓄工程，并取得寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目簡介

南水北調(diào)中線工程是改善我國水資源配置的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略工程，工程建成后，可有效緩解石家莊市水資源緊缺狀況。據(jù)丹江口水庫1956～1996年來水量資料顯示，水源地丹江口水庫存在年際的豐、平、枯水年和年內(nèi)的枯水期，南水北調(diào)來水具有年際、年內(nèi)不均勻性，為最大限度地發(fā)揮引江水的效率和效益，滿足城市用水需求，提出建設(shè)滹沱河地下水庫的設(shè)想。經(jīng)過近年來的探索研究相繼完成了項(xiàng)目可行性研究報(bào)告、入滲試驗(yàn)專項(xiàng)工作設(shè)計(jì)等工作，2009年8月，結(jié)合滹沱河防洪綜合整治工程建設(shè)成功實(shí)施了大型入滲試驗(yàn)。

1.1 條件優(yōu)良

1.1.1 水源充足

擬建的地下水庫入滲場位于南水北調(diào)中線干渠附近和崗黃水庫及橫山嶺水庫下游，可同時(shí)利用引江水和上游水庫棄水進(jìn)行補(bǔ)給，水源條件優(yōu)越。

1.1.2 水文地質(zhì)條件良好

具備建設(shè)地下水庫的優(yōu)良條件，符合“滲得進(jìn)、蓄得住、采得出”的基本要求。

（1）滲得進(jìn)。滹沱河河道地層巖性顆粒粗，連通性好，沒有連續(xù)的隔水層，滲透系數(shù)可達(dá) 30～60m/d。

（2）蓄得住。滹沱河沖洪積扇兩翼及前緣顆粒較細(xì)，滯水性較強(qiáng)，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立、半封閉的水文地質(zhì)單元，且由于多年連續(xù)超采地下水，市區(qū)已形成約430km2地下水位降落漏斗，為建設(shè)地下水庫提供了較大的儲(chǔ)水空間。

（3）采得出。該區(qū)域含水層透水性強(qiáng)，地下水埋深較淺，利用近3000眼取水井可較容易將存儲(chǔ)的地下水采出。

1.2 效益明顯

1.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

地下水庫建成后，可先期替代市區(qū)北部及良村經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)配套工程，減小南部工程規(guī)模，節(jié)省工程建設(shè)投資和管理運(yùn)行費(fèi)用。據(jù)估算，共減少投入68億元，每立方米水的價(jià)格僅為配套工程測算水價(jià)的2/3，有效降低了城市生產(chǎn)、生活供用水成本。試驗(yàn)前后的抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著地下水位的大幅上升，單位涌水量均明顯增加，本次試驗(yàn)滹沱河水源地代表性水源井單位耗電量的出水量也呈增加趨勢，見表1。

表1 水廠水源井單位耗電量出水量對(duì)比表

1.2.2 社會(huì)效益

安全系數(shù)大，地下水庫處于地下，受污染、受攻擊破壞的風(fēng)險(xiǎn)小，抗地震等自然災(zāi)害能力強(qiáng)，提高城市供水保證度。水質(zhì)好，引江水經(jīng)地下含水層的過濾、凈化，水質(zhì)良好，水溫穩(wěn)定，可提高城市居民的飲水質(zhì)量。地下水庫基本上不占地，節(jié)約土地資源，不涉及拆遷問題，促進(jìn)社會(huì)和諧。

1.2.3 生態(tài)效益

地下水庫建成后，通過豐補(bǔ)枯采等措施，可有效遏制地下水位持續(xù)下降趨勢，涵養(yǎng)地下水；在滹沱河南水北調(diào)倒虹吸以上河段形成180萬m2水面，與滹沱河綜合整治工程融為一體，修復(fù)河流生態(tài)功能，調(diào)節(jié)氣候，凈化空氣，改善城市生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境。

2 入滲試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)與工作目標(biāo)

通過以往水文地質(zhì)資料及歷年來滹沱河過水觀測數(shù)據(jù)分析，我市滹沱河地下水庫水源條件、水文地質(zhì)條件及入滲能力已基本清楚。但要大規(guī)模調(diào)蓄引江水，確定地下水庫入滲場規(guī)模，使工程設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行，保證地下水環(huán)境的良性循環(huán)，必須通過開展大規(guī)模入滲試驗(yàn)來進(jìn)一步論證，從而確定河道入滲補(bǔ)給能力、模型參數(shù)和地層凈化能力，為地下水庫規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)施提供更加科學(xué)的依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)場位置選擇

根據(jù)本次試驗(yàn)水源條件、現(xiàn)狀引水條件，擬選滹沱河綜合整治工程河心島兩側(cè)作為本次試驗(yàn)的入滲場，經(jīng)地質(zhì)勘查，南側(cè)12～16m分布有比較連續(xù)的粘性土層，影響入滲效果；北側(cè)粘性土層分布深度不同，不連續(xù)，入滲條件較好，確定將試驗(yàn)場設(shè)在河心島北側(cè)。

2.2 試驗(yàn)放水規(guī)模

根據(jù)規(guī)劃年調(diào)蓄引江水水量3億m3測算，計(jì)劃調(diào)蓄規(guī)模不小于100萬m3/d，為滿足試驗(yàn)要求，放水時(shí)間應(yīng)為20d，總引水量2600萬m3，扣除沿線損失水量，到達(dá)入滲場水量為2000萬m3。

2.3 觀測孔設(shè)置

本次試驗(yàn)設(shè)置水位專門觀測孔12眼，采用自記水位計(jì)進(jìn)行觀測，輔助人工觀測檢查校正。選擇外圍觀測井60～70眼，采用人工觀測。時(shí)間從試驗(yàn)開始前2d開始直到水丘消散時(shí)結(jié)束，預(yù)計(jì)總觀測時(shí)間為60d。同時(shí)，對(duì)布設(shè)的觀測孔進(jìn)行坐標(biāo)和高程測量，以保證水丘體積的計(jì)算精度。在試驗(yàn)影響范圍內(nèi)分區(qū)域布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)10個(gè)，試驗(yàn)過程中分6次對(duì)試驗(yàn)場的地表水和地下水進(jìn)行采樣監(jiān)測，檢測分析水質(zhì)變化情況。

2.4 流量監(jiān)測斷面設(shè)置

根據(jù)試驗(yàn)場規(guī)模不同，結(jié)合地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在入滲場布設(shè)4條流量觀測斷面，采用流速儀測定流速，確定各斷面流量，監(jiān)測河道入滲量。

2.5 主要工作目標(biāo)

2.5.1 確定河道入滲能力

根據(jù)各斷面流量監(jiān)測數(shù)據(jù)和斷面間的入滲量，采用相關(guān)分析法分別建立入滲量與入滲場規(guī)模、流速、地層地質(zhì)條件間的關(guān)系，分析確定河道入滲能力。

2.5.2 研究補(bǔ)給能力

試驗(yàn)計(jì)劃在入滲場周圍布設(shè)水位觀測井80眼，通過在試驗(yàn)期地下水位回升程度及時(shí)間觀測確定入滲試驗(yàn)的影響范圍，圈定入滲補(bǔ)給地下水形成的水丘體積計(jì)算得出補(bǔ)給水量，與扣損法（入滲試驗(yàn)水量減去水面蒸發(fā)量、包氣帶滯留水量）計(jì)算出的補(bǔ)給水量進(jìn)行校核對(duì)比，最終確定補(bǔ)給能力。

2.5.3 獲取模型參數(shù)

試驗(yàn)需獲得以下水文地質(zhì)參數(shù)，支持地下水庫運(yùn)行管理模型的建立：

（1）通過入滲場中心觀測孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求取垂向入滲速度；

（2）在入滲場岸邊設(shè)置專門觀測孔，觀測入滲水體入滲方式。

2.5.4 監(jiān)測水質(zhì)變化

對(duì)地層及地表水和地下水采集樣品進(jìn)行檢測，建立試驗(yàn)前的背景值，與試驗(yàn)過程中檢測結(jié)果及最終檢測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定地下水水質(zhì)變化趨勢及地層凈化能力。

3 試驗(yàn)過程及成果

試驗(yàn)自2009年8月19日開始至12月30日結(jié)束，歷時(shí)130d。試驗(yàn)水量自8月20日0：53進(jìn)入入滲場，截至9月5日18：00，放水歷時(shí)18d，累計(jì)渠首放水量1820萬m3，試驗(yàn)水量1523.6萬m3，動(dòng)態(tài)觀測歷時(shí)130d。經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析，獲取了各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，達(dá)到了預(yù)期目的。

3.1 入滲強(qiáng)度

動(dòng)水條件下初期的單位河長入滲量為38萬m3/km·d（平均河道寬度180m），趨于穩(wěn)定的單位河長入滲量32萬m3/km·d（平均河道寬度222m），單位面積的入滲量1.47m3/m2·d。

3.2 補(bǔ)給能力

累計(jì)試驗(yàn)水量1523.6萬m3，其中980萬m3進(jìn)入主試驗(yàn)場，其余543.6萬m3自8月30日5：00開始經(jīng)河心島南側(cè)引水渠進(jìn)入沙坑。9月8日，水位回升范圍已達(dá)31km2以上，其中水位上升超過1m的面積為20km2，超過5m的面積為5.7km2，超過10m的面積為1.6km2。水源地范圍內(nèi)觀測井最大上升6.8m。依據(jù)入滲影響范圍內(nèi)水均衡計(jì)算出河道滲漏量為1510.16萬m3，補(bǔ)給地下水量為1415.7萬m3，包氣帶滯留水量為94.5萬m3。

3.3 水丘形成與消亡過程

水丘的形成和消失可通過預(yù)先設(shè)計(jì)的地下水位觀測斷面的水位變化曲線分析得出，AA斷面（見圖1）位于入滲試驗(yàn)場中心，最早接受補(bǔ)給，地下水位最早開始響應(yīng)，于9月1日地下水位達(dá)到峰值并開始下降，至9月27日地下水丘不再明顯。BB斷面（見圖2）和CC斷面（見圖3）分別位于入滲試驗(yàn)場上下游，接受相對(duì)補(bǔ)給較晚，響應(yīng)時(shí)間均較AA斷面晚，響應(yīng)幅度較小，在9月5日地下水位達(dá)到峰值后開始下降，至9月27日地下水丘不再明顯。

3.4 模型參數(shù)

3.4.1 垂向滲透系數(shù)

根據(jù)水面到達(dá)時(shí)間和中心觀測孔自計(jì)水位儀記錄數(shù)據(jù)推算，入滲28.7h即到達(dá)37.8m深地下水位，垂直入滲速率達(dá)31.6m/d。

3.4.2 入滲方式

通過未穿透粘土層及穿透粘土層觀測孔水位變動(dòng)情況可知，入滲水在下滲過程中，先是垂直入滲，遇到粘性土隔水層時(shí)，沿粘土層水平運(yùn)動(dòng)，遇到天窗后再向下運(yùn)動(dòng)。

3.5 地層凈化能力及水質(zhì)變化趨勢

通過對(duì)地表水、地下水水質(zhì)化驗(yàn)資料分析對(duì)比，試驗(yàn)前后地下水水質(zhì)無明顯變化，部分化學(xué)成分因地表水離子成分稍高，地下水離子成分隨時(shí)間呈波動(dòng)狀態(tài)變化。地表水中五毒未檢出，入滲后土壤中五毒含量明顯降低，表明被溶解到地下水中，但地下水中五毒均未檢出，表明入滲后對(duì)地下水水質(zhì)沒有明顯影響。影響地下水水質(zhì)的主要離子是NO-3,入滲地表水的NO-3明顯低于地下水，河心島及入滲場附近的井，水位升幅均在5m以上，在入滲中NO-3呈逐步降低趨勢，直到持續(xù)9月下旬（22～23日），距入滲場較遠(yuǎn)的井水位升降較小，主要受水丘擴(kuò)散影響，水丘上升期NO-3含量呈明顯增加，水丘回落后NO-3又明顯下降，接近試驗(yàn)前的水平。

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The results and preliminary analysis of the infiltration experiment in groundwater reservoir of Hutuo River

WANG Zhi-hua,HAN Yong-tao
（Shijiazhuang Water Resources General Administration Office,Shijiazhuang 050051,China）

Through analyzing the geohydrologic data and observation data of Hutuo River，it has possessed the geohydrologic and engineering geologic condition to construct groundwater reservoir in Hutuo River,and it has an obvious benefit in the aspects of economy,society and ecology.In order to long-term and large-scale regulate and store water resources from transfer water and upstream reservoir,and to making the engineering design reasonably and feasibly and groundwater environment circle virtuously,it need be further demonstrated by large-scale infiltration experiment to determine the technical parameters of the infiltration and recharge ability of river channels,model parameters and the purification ability of strata.Paper give a preliminary analysis of the underground reservoir infiltration test.

Hutuo River;groundwater reservoir;infiltration experiment;results;analysis

TV62+3

A

1672-9900（2010）S0-0118-03

2010-09-27

王志華（1963-），男（漢族），河北欒城人，高級(jí)工程師，主要從事水資源管理工作，（Tel）13603116718。