南宮地下水庫引滲回灌方式研究

徐寶同 劉立華

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南宮地下水庫引滲回灌方式研究

徐寶同 劉立華

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南宮地下水庫位于古河道帶上，古河道砂層比較發(fā)育，河床相砂層厚度較大，粒徑相對(duì)較粗，透水性好，是一個(gè)良好的地下水庫儲(chǔ)水空間。庫區(qū)范圍內(nèi)溹瀘河、清西干渠、九支渠等現(xiàn)狀河渠，具有作為回灌場(chǎng)的有利地貌、地質(zhì)條件。

南宮 地下水庫 引滲回灌 研究

1 背景工程概況

南宮地下水庫位于河北省南宮市古黃（河）、（大）清（河）、漳（河）故道處，庫區(qū)面積206km2，庫底埋深約34m，蓄水總量4.6億m3（水位埋深3～34m）。

1.1 回灌場(chǎng)概況

南宮地下水庫位于古河道帶上，古河道砂層比較發(fā)育，河床相砂層厚度較大，粒徑相對(duì)較粗，孔隙率高，透水性好，有較大的儲(chǔ)水空間。庫底為湖沼相壤土、粘土，庫區(qū)東西兩側(cè)以湖沼相及泛濫相壤土、粘土為主，夾砂壤土，為相對(duì)阻水帶，庫區(qū)周邊條件比較清楚，是一個(gè)良好的地下水庫儲(chǔ)水空間。庫區(qū)內(nèi)淺層地下水為第四系孔隙潛水，埋深15～28m。含水層上部主要為粉細(xì)砂、砂壤土層，水質(zhì)屬淡水～微咸水（局部有咸水），下部中細(xì)砂、細(xì)砂、粉砂層具有中等透水性，中細(xì)砂為主砂層給水度0.113，粉砂為主砂層給水度0.067。

庫區(qū)范圍內(nèi)溹瀘河、清西干渠、九支渠等現(xiàn)狀河渠，具有作為回灌場(chǎng)的有利地貌、地質(zhì)條件。

1.2 引滲水源和引水時(shí)段

南宮地下水庫一期工程依托引黃入冀工程以黃河水為水源，通過清涼江揚(yáng)水站揚(yáng)水入清西干渠，后輸水至庫區(qū)回灌場(chǎng)。遠(yuǎn)期考慮需要與可能，通過擴(kuò)建清涼江揚(yáng)水站或自引黃入冀補(bǔ)淀工程總干渠東風(fēng)渠引水入溹瀘河等工程措施，充分利用地下水庫的調(diào)蓄能力，擴(kuò)大受益范圍。亦可相機(jī)引蓄岳城水庫或衛(wèi)河汛期洪水作為地下水庫可能水源。

通過水資源供需分析計(jì)算，結(jié)合涼江揚(yáng)水站規(guī)模、回灌能力、水庫庫容等因素，確定引黃水量為3128萬m3。清涼江揚(yáng)水站規(guī)模為38.88萬m3/d（4.5m3/s），一個(gè)引黃過程需向地下水庫供水約80天，滿足我省冬四月引水時(shí)段要求。

2 河渠入滲能力分析

河渠滲漏一般分為三個(gè)階段，即濕潤底土階段、自由滲流階段和頂托滲流階段（穩(wěn)定滲流階段）。來水初期，滲漏水首先濕潤渠底以下土層，隨著濕潤深度的增加滲漏量逐漸減小，地下水運(yùn)動(dòng)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，且這一階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，本次不再考慮該階段的滲漏影響。

2.1 自由滲流階段

（1）單位長度滲漏量計(jì)算

在自由滲流情況下，河渠的滲漏量主要決定于河渠斷面形式、水位、渠床和下部土層的滲透系數(shù)等，在地下水與河（渠）底銜接前，河渠的滲流受地下水位的影響較小，滲漏量基本保持穩(wěn)定。可采用下列公式計(jì)算：

式中，q為河渠單位長度滲漏量（m3/d/m）；

k為河（渠）床滲透系數(shù)，試驗(yàn)成果表明中心試驗(yàn)站處滲透系數(shù)為0.325m/d，根據(jù)地質(zhì)章節(jié)溹瀘河各鉆孔平均綜合滲透系數(shù)為0.085m/d，綜合確定取為0.2m/d；

B為河渠水面寬（m），B=b+2mh；

A為根據(jù)滲流理論推導(dǎo)的來的系數(shù)，視斷面形式而定，對(duì)于水面寬度較小的渠道，為方便計(jì)算有時(shí)近似地采用A=2，在水面寬度較大時(shí)，A值可達(dá)3～4，本次取2；

hk為為土壤毛管水上升高度（m），亞砂最大毛管水上升高度為1.2～2.5m，取1.8m。

首先分析現(xiàn)狀河渠的入滲能力，溹瀘河按照除澇規(guī)劃斷面清淤，清西干渠、九支渠按原設(shè)計(jì)斷面清淤，自由滲流階段各河渠單位河長滲漏量計(jì)算成果，見表1。

表1 各河渠單位河長滲漏量計(jì)算成果表

（2）頂托的判別

在河渠滲漏量保持一定時(shí)，向一側(cè)排泄的滲漏量為，距離河道中心線處地下水的上升值可按下列公式計(jì)算：

式中，S為地下水上升值（m）；

x為距河道中心線的距離（m）；

q為河渠單位長度滲漏量（m3/d/m）；

μ為給水度，按綜合給水度計(jì)，為0.07；

α為含水層壓力傳導(dǎo)系數(shù)，據(jù)試驗(yàn)成果取89m2/d；

t為時(shí)間（d）；

現(xiàn)狀庫區(qū)地下水埋深20～26m，為簡(jiǎn)化計(jì)算地下水位上升值均按20m計(jì)，則各河渠達(dá)到頂托入滲階段的時(shí)間計(jì)算成果詳見表2。

表2 各河渠達(dá)到頂托入滲所需時(shí)間表

由表1和2可知，單位河長入滲量越大，達(dá)到頂托滲流階段越快，也就是說河道越寬、水深越大，越容易形成頂托。

2.2 穩(wěn)定滲流階段

試驗(yàn)成果表明，試驗(yàn)站處地下水埋深2～4m，試驗(yàn)成果為單位面積穩(wěn)定入滲率2～5mm/h。本次優(yōu)先利用現(xiàn)狀的溹瀘河、清西干渠、九支渠等河渠作為入滲場(chǎng)所，且地下水埋深較大，達(dá)25m左右，綜合確定單位面積穩(wěn)定入滲率采用3mm/h（折合0.072m/d）。

現(xiàn)有渠道回灌能力成果見表3。

表3 現(xiàn)有各河渠達(dá)回灌能力成果表

由上表可知，現(xiàn)有河渠回灌能力不能滿足回灌工程要求。且溹瀘河達(dá)到穩(wěn)定滲流階段僅用時(shí)5天，之后回灌入滲能力大大降低，從偏于安全角度出發(fā)，回灌方案擬定時(shí)不再考慮渠道自由滲流階段的影響。

3 回灌井入滲能力分析

3.1 裘布衣公式法

根據(jù)《地下水動(dòng)力學(xué)》，完整潛水注水井公式：

式中，Q為單井流量（m3/h）；

k為滲透系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)成果水平滲透系數(shù)取6.51m/d；

hw為井水位到底板的距離（m）；

H0為地下水位到底板的距離（m）；R為影響半徑（m）；

rw為井的半徑，按0.25m計(jì)。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊(cè)（第三冊(cè)）》，在松散的含水層中灌水，單位回灌量一般小于抽水時(shí)的單位出水量。在細(xì)顆粒含水層中，單位回灌量是單位出水量的1/3至1/2。

回灌井入滲計(jì)算成果見表4。

表4 回灌井入滲成果表

根據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊(cè)（第三冊(cè)）》，天津地區(qū)細(xì)砂、夾粉砂含水層井灌試驗(yàn)成果表明，當(dāng)靜水位埋深35～40m，回灌水位埋深25～35m，即水頭差10m左右時(shí)單井回灌量20～30m3/h。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本次采用偏保守的成果，即單井回灌入滲量為10m3/h。

4 引滲回灌方式選擇

回灌工程按照優(yōu)先利用已有工程、回灌與灌溉結(jié)合布置的原則，將渠道、回灌井入滲兩種回灌方式，按照采用單一或組合的回灌方案組合進(jìn)行比較,各方案比較成果見表5。

表5 各方案比較表

方案一（渠道入滲方案）：以清西干渠、溹瀘河為回灌骨架，結(jié)合灌溉恢復(fù)中心試驗(yàn)區(qū)引水渠、喬村渠、清溹渠等作為回灌場(chǎng)，若不滿足回灌要求局部擴(kuò)寬溹瀘河；

方案二（回灌井入滲方案）：以清西干渠、溹瀘河為回灌骨架，結(jié)合灌溉恢復(fù)中心試驗(yàn)區(qū)引水渠、喬村渠、清溹渠等作為回灌場(chǎng)，若不滿足回灌要求在原中心試驗(yàn)區(qū)集中連片布置回灌井；

方案三（結(jié)合方案）：清淤疏浚清西干渠、溹瀘河、九支渠、中心試驗(yàn)區(qū)引水渠、喬村渠、清溹渠等河渠，將回灌井布置于河（渠）底?？紤]回灌井與渠道入滲相互影響，回灌井入滲能力按80%計(jì)。

由上表可知，在相同的回灌能力條件下，方案三大大節(jié)省了占地，投資較少，故確定南宮地下水庫回灌方案為井渠結(jié)合方式。

5 結(jié)論

（1）渠道自由滲流階段入滲能力較大，但持續(xù)時(shí)間較短。

（2）回灌井入滲能力理論計(jì)算成果較經(jīng)驗(yàn)值偏大，取用時(shí)按偏安全考慮。

（3）考慮庫區(qū)地層顆粒上細(xì)下粗的特點(diǎn)，采用井渠結(jié)合的回灌方案有利于提高回灌效率。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.022

TV62

B

1672-2469(2014)12-0061-03

徐寶同（1987年—），男，助理工程師。