地下水人工補給井研究綜述

李 偉，李硯閣，龍玉橋

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

水井補給是人工補給深層承壓水的主要方式之一，亦是人工直接補給潛水的最有效方式之一，當(dāng)包氣帶存在弱透水層時更是如此。此外，在建成區(qū)、工業(yè)園區(qū)等人工建筑密集區(qū)實施地下水人工補給時，由于土地資源限制，地表補給方式通常難以實現(xiàn)，因此一般采用水井補給方式。筆者對國內(nèi)外地下水人工補給井設(shè)計建設(shè)、模擬試驗、井流計算等方面的研究進展進行了綜述，指出當(dāng)前研究存在的問題，并展望了地下水人工補給井的應(yīng)用發(fā)展前景。

三要以學(xué)生為中心，完善各項管理制度，推進規(guī)范化、科學(xué)化、精細化管理，把安全放在改善辦學(xué)條件的重要位置。

1 地下水人工補給井設(shè)計研究

1.1 補給井建設(shè)經(jīng)驗

補給井的規(guī)劃設(shè)計因地而異，區(qū)域性差異較大。Sivanappan［1］給出了在印度建設(shè)補給井的一般設(shè)計原則:井孔直徑為50 cm，井管直徑20 cm，需要揭穿潛水含水層約30 m，井管外填充級配良好的濾料層;在補給井頂部需要開挖6 m×6 m×6 m的過濾池，池內(nèi)依次鋪填磨圓礫石、碎石以及細砂;為了防止洪水入滲時氣體阻塞，通常需要在補給井口加裝直徑為75 mm的導(dǎo)氣管。如果采用加壓方式注水，通常需要用水泥對接近地表段的補給井進行封閉處理［2］。Joseph等［3］指出，在美國加利福尼亞州建設(shè)補給井時，為了達到一定的補給能力，在補給水源經(jīng)過適當(dāng)處理條件下，補給井應(yīng)部分揭穿含水層，這樣也便于反抽洗井工作。如果補給水源未經(jīng)處理，補給井應(yīng)建設(shè)成包氣帶井形式，以便補給水在到達含水層以前能夠流經(jīng)足夠遠的距離，充分過濾凈化。除非建設(shè)在高滲透性地層內(nèi)，包氣帶井深通常約為3m。由于包氣帶井至少需要3m的底層凈化距離，因此地下水埋深至少要達到6m才能采用包氣帶井形式。Mays［4］指出，在普遍情況下包氣帶井井深為10～50m，直徑為1～2m。美國環(huán)境保護署(EPA)給出的典型包氣帶井井深為30.48～45.72 m，直徑為1.83 m。

為減緩堵塞影響，補給井應(yīng)具有濾料層，濾料層厚度在80～230 mm之間，但這也因地而異。加利福尼亞州曼哈頓海岸的濾料層厚度為600 mm，而在紐約長島進行冷卻水回灌時，最小濾料層厚度僅為50 mm。另外，補給水源的氯化處理也有助于保護井壁，減少生物堵塞［5］。根據(jù)堵塞發(fā)展程度不同，補給井需要定期抽水或者進行周期性機械與化學(xué)洗井以減輕堵塞影響，但是過度化學(xué)清洗也會導(dǎo)致補給井設(shè)備的腐蝕［6］。

1.2 補給井規(guī)范編制

國外補給井建設(shè)規(guī)劃與設(shè)計通常體現(xiàn)在綜合性補給區(qū)建設(shè)規(guī)劃或設(shè)計規(guī)范中。目前，歐美等地區(qū)的發(fā)達國家側(cè)重于技術(shù)規(guī)范的凝練總結(jié)，印度、南非等發(fā)展中國家側(cè)重于宏觀規(guī)劃編制工作。美國土木工程師學(xué)會(ASCE)［7］的《地下水人工補給標(biāo)準(zhǔn)指南》概述了各類地下水人工補給工程建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涵蓋了補給井規(guī)劃、設(shè)計、建造、運行維護及報廢等多個方面，討論了地下水人工補給中需要關(guān)注的技術(shù)、環(huán)境、法律及社會經(jīng)濟問題。雖然并沒有詳細闡述各類技術(shù)性問題，但系統(tǒng)闡述了地下水人工補給相關(guān)的各個環(huán)節(jié)，是地下水人工補給初期規(guī)劃的重要參考依據(jù)。David等［8］闡述了ASR系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)技術(shù)、運行維護及相關(guān)水文地球化學(xué)問題，并重點論述了ASR系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)和水質(zhì)控制技術(shù)，為ASR系統(tǒng)建設(shè)提供了依據(jù)。Perez等［9］結(jié)合歐洲地下水人工補給工程建設(shè)運行情況，論述了地下水人工補給過程中的堵塞問題，包括堵塞過程、堵塞預(yù)防及治理、堵塞監(jiān)測技術(shù)及預(yù)測方法。聯(lián)合國教育、科學(xué)與文化組織有關(guān)人員［10］總結(jié)了世界各國經(jīng)驗，摘錄了不同補給類型的成功范例［10］。印度為了推廣地下水人工補給技術(shù)、增加區(qū)域地下水資源量，編制了全國地下水人工補給規(guī)劃，確定了適合人工補給的地區(qū)。在農(nóng)村地區(qū)，為充分利用豐沛的季節(jié)性降水，需要重點采用滲濾池、補給井等技術(shù);在城市、丘陵及沿海地區(qū)，重點是雨水集蓄利用［11］。此外，澳大利亞有關(guān)部門［12］編制了《含水層儲存與回采設(shè)計規(guī)范》、南非相關(guān)部門［13］編制了《國家地下水人工補給戰(zhàn)略》。各國不同地區(qū)的《暴雨徑流最佳管理措施手冊(BMP)》中，也常見類似補給井設(shè)計規(guī)范［14-15］。

可以說，得改革開放風(fēng)氣之先的廣州人，在物質(zhì)生活水平提升之后率先營造了可以獲得自我享受精神愉悅的文化氛圍，展現(xiàn)出斗志昂揚、激情煥發(fā)、充滿活力的嶄新風(fēng)貌，形成了影響和帶動全國文化娛樂生活的“廣式文化潮”?！袄妊?、牛仔裝、運動鞋、電子表、計算器、燙頭發(fā)、迪斯科、鄧麗君……‘廣式潮流’引發(fā)的蝴蝶效應(yīng)，像春風(fēng)一樣吹綠了全國城鄉(xiāng)的角角落落，為正在從動亂和貧窮中走出的12億國民送上了第一束五彩繽紛的時尚之花。”[2]26得改革開放風(fēng)氣之先的廣州曾一度成為引領(lǐng)文化發(fā)展的“時尚之都”，被稱為新潮而有活力的“流行前線”。

2 地下水人工補給井試驗研究

在用地高度緊張的情況下，操場、活動空間與教學(xué)空間難以順利地在平面上擺布開來，于是在空間組織上便采用建筑的圍合去營造一個校園內(nèi)的共享活動空間[7]。環(huán)形內(nèi)院式校園，其校園空間模式為集中獨棟模式，常常以一個單體建筑的形式呈現(xiàn)。這種類型的校園特點是節(jié)約用地，并可產(chǎn)生出極為緊湊的連續(xù)空間，校園建筑造型因地制宜，且常常利用屋頂空間，在密集的三維空間中盡可能布置更多的功能用房。對于占用較大面積的操場來說，在環(huán)形內(nèi)院類型校園中常常會布置在頂層、內(nèi)院與底層架空處。

為了解決地下水人工補給井工程建設(shè)、運行、維護過程中遇到的實際問題，原位觀測與試驗研究一直占據(jù)著地下水人工補給井研究領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。在補給井工程調(diào)查研究方面，以色列開展了大量工作，成效顯著［19］。Harpaz［20］對以色列補給井工程進行了總結(jié)，在參考大量前人研究報告的基礎(chǔ)上，對補給井補給過程的水動力特征進行了描述，并研究了不同礦化度水的混合過程。由于實際補給井工程形式多樣、目的不一，因此與之密切相關(guān)的試驗研究會涉及雨洪資源利用、再生水凈化、地面沉降［21-23］與海水入侵治理［24-25］、地表地下水聯(lián)合調(diào)度［26］等多個方面。補給井補給過程中的堵塞問題一直是研究重點，早期研究以野外數(shù)據(jù)觀測分析為主［27-28］，隨著掃描電鏡等技術(shù)手段的發(fā)展，室內(nèi)物理模型試驗及以此為基礎(chǔ)的微觀堵塞機理研究逐漸興起［29-32］，同時堵塞過程數(shù)學(xué)模擬研究也大量涌現(xiàn)［33-35］。

b.地下水人工補給過程中的堵塞問題嚴(yán)重影響著補給工程效益，因此與之相關(guān)的模擬試驗一直是熱點領(lǐng)域，且試驗成果豐富。但對補給井形態(tài)、優(yōu)化布設(shè)等研究方向關(guān)注較少，研究程度不深，針對補給井形態(tài)的物理模型試驗與數(shù)值模擬尚不多見。

3 地下水人工補給井流計算方法

3.1 解析法

a.歐美等地區(qū)的發(fā)達國家在補給井研究特別是ASR補給系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運行維護等方面已較為成熟，相關(guān)技術(shù)規(guī)范也不斷完善。印度、南非等發(fā)展中國家在區(qū)域性補給井規(guī)劃編制、宏觀戰(zhàn)略制訂方面也已開展了大量工作。相比之下，我國地下水人工補給井工作仍是以探索性建設(shè)為主，包括補給井在內(nèi)各類工程構(gòu)建技術(shù)仍以地方實踐經(jīng)驗為主，缺乏科學(xué)性的總結(jié)歸納，一時難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬模型中，注水井、抽水井可歸結(jié)為源匯項參與水均衡計算，因此只需給定流量，即可實現(xiàn)井流模擬。伴隨數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，將注水井、抽水井歸結(jié)為源匯項成為模擬井流的主要方式，應(yīng)用廣泛的MODFLOW WEL程序包正是采用了這一方式［60］。Majumdar等［52］認(rèn)為基于源匯理論的水井概化方式可能是造成注水井理論研究緩慢的原因之一。國外近年開展的人工補給模擬研究中，無論是在山丘地區(qū)［61］、濱海地區(qū)［62］還是在半干旱地區(qū)［63］，仍廣泛采用該模擬方式。國內(nèi)也是如此，在濟寧［64］、萊州［65］、大慶［66］等地下水人工補給模擬研究中均采用這一方式。當(dāng)補給井直徑較大或為混合井時，采用源匯理論容易造成模擬失真。針對這一問題，一些學(xué)者在井流研究中引入了能更好描述實際井管形狀的源函數(shù)法和面源匯法［67-69］。陳崇希等［70］、胡立堂［71］、Chen等［72］提出了模擬多層混合抽水的“滲流-管流”耦合模型并逐漸推廣應(yīng)用;Mohamed等［73］、Qian等［74］也基于這一理論模擬了水平井流。周焱鈺等［75］針對MODFLOW 處理承壓含水層中混合開采井流量在各層分配上存在的問題，提出了流量權(quán)重迭代計算方法。雷宏武等［76］對包括滲流-管流法、流量權(quán)重迭代法在內(nèi)的多種混合井模擬方法進行了對比分析。高滲透系數(shù)法(HKW)是模擬井流的另一方法［77］，它將井孔描述為一個滲透系數(shù)很大的介質(zhì)體，從而將井孔含水層耦合起來，該方法的應(yīng)用條件之一是假定井的截面接近網(wǎng)格截面，其不適用于大尺度網(wǎng)格剖分模擬［78］。對于大尺度有限差分網(wǎng)格不能真實模擬井內(nèi)水位問題，通常應(yīng)用Thiem公式校正［79-80］。早期井流模擬研究中，Prickett［81］將Thiem公式校正方法應(yīng)用于電網(wǎng)絡(luò)模型的井點處理，Peaceman［82］據(jù)此提出了井指數(shù)(well index)校正方法。國內(nèi)，陳崇希等［83-84］依據(jù)不穩(wěn)定井流理論，在考慮井周已形成擬穩(wěn)定流的前提下，提出了正方形差分網(wǎng)格的井中水位校正公式，隨后又相繼提出了矩形網(wǎng)格和多邊形網(wǎng)格的井水位校正方法。王旭升［85］建立了考慮自流井周圍含水層存貯量釋放的矩形差分網(wǎng)格自流井校正模型。

相比之下，我國地下水人工補給工程規(guī)劃設(shè)計仍停留在科學(xué)研究階段，較為系統(tǒng)的研究成果有:魏永純等［16］在總結(jié)國內(nèi)地下水人工補給經(jīng)驗基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地歸納了淺層地下水人工補給方法、設(shè)計原則，總結(jié)介紹了多種井型結(jié)構(gòu)。田園等［17］對黃淮海平原農(nóng)業(yè)區(qū)和城市工業(yè)區(qū)地下水人工補給試驗的各種典型成果和經(jīng)驗進行了總結(jié)。李硯閣［18］系統(tǒng)歸納總結(jié)了國內(nèi)外地下水庫規(guī)劃與建設(shè)經(jīng)驗，提出了我國地下水庫建設(shè)區(qū)域性規(guī)劃，研究了地下水庫建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，我國地下水人工補給工作還未形成系統(tǒng)的技術(shù)理論體系，既沒有總體規(guī)劃布局，也沒有技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)。

4 存在的問題

一般而言，補給井的注水過程可視為抽水的反過程，因此補給井流計算通常采用抽水井流理論。抽水井穩(wěn)定流理論以1863年Dupuit公式的提出為標(biāo)志，經(jīng)過Thiem等的發(fā)展，到20世紀(jì)30年代已基本建立。抽水井非穩(wěn)定流理論以1935年Theis公式的提出為標(biāo)志，經(jīng)過Boulton等的發(fā)展，到20世紀(jì)70年代已基本建立［50］。受到抽水井流理論研究的影響，注水井流理論研究并不多。Huisman等［51］給出了抽、注水井群共同作用下的穩(wěn)定流解析解。在抽水試驗難以開展地區(qū)，注水試驗是測定水文地質(zhì)參數(shù)的重要方法，這在一定程度上推動了注水井流研究的發(fā)展。Majumdar等［52］研究了承壓含水層中注水量變化條件下的完整注水井流問題，同時考慮了井徑及井損影響，應(yīng)用Duhamel定理給出了上述井流問題解析解。Mishra等［53］采用分離變量法求解了承壓含水層中變水頭注水井流問題。在忽略注水井自身結(jié)構(gòu)的前提下，空間源匯理論也通常用于補給井流計算，鮑戈莫洛夫等［54］對此進行了系統(tǒng)總結(jié)，給出了多種情形下的解析解公式。Bouwer［55］應(yīng)用反向抽水井流理論研究了均一巖性下包氣帶井補給流量，并針對地下水位遠低于包氣帶井底情形，給出了井內(nèi)水深高于10倍井半徑時的簡化包氣帶井流計算公式。李旻等［56］、王玉林［50］建立了承壓含水層循環(huán)抽、注水井流數(shù)學(xué)模型并求得相應(yīng)解析解。在實際應(yīng)用中，含水層補給井計算普遍采用Dupuit公式、Thiem公式、Theis公式等抽水井流公式［57-59］。

國內(nèi)補給井試驗同樣集中在堵塞問題。閻葆瑞等［36］較早研究了人工回灌后引起的水質(zhì)惡化及補給井堵塞問題，分析了水質(zhì)變化及補給井堵塞的生物化學(xué)作用機理。呂宗宏等［37］在黃水河開展了深井補源試驗和淤積試驗。黃修東［38］采用室內(nèi)砂柱試驗詳細研究了地下水人工補給過程中的物理及生物化學(xué)堵塞過程。李璐等［39］、路瑩等［40］采用室內(nèi)砂槽、砂柱試驗?zāi)M了濁水入滲過程中的堵塞問題。在地下水人工補給技術(shù)試驗研究方面，謝娟等［41］在西安進行了自來水井灌試驗，對回灌過程中的水質(zhì)變化情況進行了分析。邵洪文等［42］設(shè)計了室內(nèi)砂槽試驗，模擬了均質(zhì)潛水含水層抽、灌地下水過程，并對水文地質(zhì)參數(shù)進行了對比計算。白峰青等［43］、賀屹等［44-45］提出人工補給深層地下水的SPD系統(tǒng)，即首先利用地表水補給淺層含水層，再把經(jīng)過淺層含水層過濾凈化的地下水補入深層含水層;通過室內(nèi)對比試驗，發(fā)現(xiàn)SPD系統(tǒng)有效降低了補給井堵塞程度。Pi等［46］分析了北京高碑店“土壤-含水層”系統(tǒng)處理效果。周世海等［47］對德州市地?zé)崴M行了加壓真空回灌試驗，得出回灌量與回灌壓力的冪函數(shù)關(guān)系。張猛等［48］針對利用再生水補給地下水問題，提出組合式強化井灌工藝，通過土壤柱模擬組合式強化井灌系統(tǒng)，并協(xié)同臭氧氧化工藝對城市再生水補給地下水進行了試驗研究。劉巍等［49］通過室內(nèi)試驗研究了城市再生水地下回灌后的水質(zhì)變化，重點分析了土壤含水層處理系統(tǒng)(SAT)對再生水的凈化效果。

c.實際應(yīng)用中，補給井流計算主要依靠傳統(tǒng)抽水井流理論，但對于包氣帶補給井、不完整補給井、反濾補給井等常用井型的流量計算，抽水井流理論難以解決，因此上述各類補給井流計算問題仍有待深入研究。

d.應(yīng)用源匯理論模擬抽水井引起的失真問題已被關(guān)注。雖然各類模擬技術(shù)、水位校正方法在不斷發(fā)展，但對于補給井的模擬方式仍以定流量為主，即在數(shù)值模型中人為設(shè)定補給量，對于變化補給水頭條件下的補給井流模擬缺乏合理的模擬方法。

在上述風(fēng)流流場及硫化氫濃度場耦合計算過程中，設(shè)置風(fēng)筒出口風(fēng)速均為10 m/s，根據(jù)掘進機割煤速度及煤層硫化氫賦存量，設(shè)置硫化氫涌出量為3.78×10-4 mol/(m2·s)，分別得到不同風(fēng)筒位置下掘進工作面風(fēng)流流場及硫化氫的濃度，如圖2、圖3所示。

5 結(jié) 語

地下水是我國重要的供水水源，地下水資源的開發(fā)保護日益受到重視，補給井是人工主動調(diào)蓄地下水資源的重要手段，但目前我國對補給井的相關(guān)研究較為薄弱。今后除需要繼續(xù)開展補給井堵塞防治相關(guān)研究外，應(yīng)加強補給井優(yōu)化布設(shè)試驗研究，提出適合再生水、雨洪水等不同水源補給的補給井結(jié)構(gòu)、建設(shè)模式，同時應(yīng)注重補給井模擬方法研究，研發(fā)能夠合理反映補給井流動態(tài)過程的計算方法，從而實現(xiàn)補給效果的合理預(yù)測計算。在上述工作基礎(chǔ)上，應(yīng)加強補給井建設(shè)技術(shù)集成凝練，制定有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，促進地下水人工調(diào)蓄工作。

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