對偶反濾回灌井室內(nèi)穩(wěn)定流試驗(yàn)研究

魏鵬昆，李旺林,2，李 納，吳澤華，徐 芳，何家鵬(.濟(jì)南大學(xué)，濟(jì)南 250022；2. 山東省地下水?dāng)?shù)值模擬與污染控制工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250022；.山東省鄒平縣水利局，山東 鄒平 256200；.福建省水利水電科學(xué)研究院，福州 5000)

山東半島屬于低山丘陵區(qū)，暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候，70%～80%的年降雨量集中出現(xiàn)在7-8月份，而枯水季節(jié)出現(xiàn)河水?dāng)嗔骱涂莺袁F(xiàn)象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該區(qū)人均水資源占有量為291.2 m3，水資源利用率不足30%，屬于較為嚴(yán)重的缺水地區(qū)。為了有效利用雨洪資源，山東半島建設(shè)了一批地下水回灌工程，其中反濾回灌井是最常用的一種回灌設(shè)施[1]。反濾回灌井是一種自身具有一定凈水能力的特殊回灌井，適用于上部為壤黏土、下部為砂層或砂與壤土互層的地層，一般布置在河道內(nèi)或回灌渠內(nèi)。反濾回灌井由回灌池和普通的回灌井組成，其回灌井位于回灌池底部中心處，回灌池是一個(gè)上大下小的四方臺形的土坑，坑內(nèi)回填砂、礫石2層反濾料，使其具有過濾水中顆粒和雜質(zhì)的能力。當(dāng)水流流經(jīng)回灌池時(shí)，河水滲入回灌池，經(jīng)過濾后進(jìn)入回灌井內(nèi)，并轉(zhuǎn)化為地下水。

如何提高回灌設(shè)施的回灌能力是回灌工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。目前，在提高回灌設(shè)施的回灌能力方面，主要集中在2點(diǎn)：一是減少回灌設(shè)施和含水層的堵塞，二是提高回灌設(shè)施的單位回灌量。前者是目前地下水回灌研究的熱點(diǎn)，后者研究較少。

在回灌設(shè)施和含水層堵塞方面，代表性的研究有：林學(xué)鈺分析了人工回灌過程中地下水主要溶質(zhì)組分的變化趨勢和相關(guān)水巖反應(yīng)[2]；黃修東研究了井灌過程中可能發(fā)生的物理、生物堵塞[3]；鄭西來研究了懸浮固體顆粒對含水介質(zhì)堵塞的機(jī)理[4]；Li Ma在回灌池中用干、濕循環(huán)和保持低水頭的辦法，以減少生物堵塞[5]；N. Phien-wej分析了回灌水中攜帶空氣引起的堵塞、回灌水與自然地下水化學(xué)不相容引起的堵塞、回灌水中懸浮顆粒引起的堵塞[6]；A.F. Bichara研究了不同條件下承壓含水層回灌井堵塞的規(guī)律[7]。

在提高回灌設(shè)施的單位回灌量方面，代表性的研究有：A.K.Rastogi采用伽遼金有限元方法分析了矩形、正方形、正六邊形、圓形、正三角形等回灌池的回灌效果，得出等面積、等回灌率和其他條件相同的情況下，矩形回灌池的回灌量最大[8]；李旺林研究了反濾回灌井單井回灌量的定量計(jì)算方法[9]，分析了現(xiàn)有反濾回灌井存在的主要問題，探討了如何提高反濾回灌井單井回灌量的問題[10]，并介紹了多面進(jìn)水反濾回灌井及單井回灌量的計(jì)算方法[11]。

本文在分析現(xiàn)有反濾回灌井存在問題的基礎(chǔ)上，以提高大單井回灌量為前提，設(shè)計(jì)了3種新型對偶反濾回灌井，研制了室內(nèi)穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了普通回灌井、現(xiàn)有反濾回灌井和3種對偶反濾回灌井的室內(nèi)穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)研究。這有助于進(jìn)行反濾回灌井單井回灌量的定量計(jì)算和提高反濾回灌井的回灌能力，對于地下水庫回灌工程設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 對偶反濾回灌井設(shè)計(jì)

新型對偶反濾回灌井設(shè)計(jì)的基本原則和方法如下。

(1)盡可能地增加回灌池的過水?dāng)嗝婷娣e。反濾回灌井由回灌井和回灌池2部分組成。對于目前的反濾回灌井，其回灌井的可回灌量相對較大，而回灌池的滲入水量過于偏低[10,11]，制約了反濾回灌井的單井回灌量。因此，如何提高回灌池的滲入水量是提高現(xiàn)有反濾回灌井回灌量的重要因素。提高回灌池的滲入水量的途徑有2個(gè)：一是選用更大滲透系數(shù)的反濾材料，這方面潛力不大，如選土工織物代替砂反濾層，其滲透系數(shù)相當(dāng)或略微增大；二是增加回灌池的過水?dāng)嗝婷娣e，這方面很有潛力。

現(xiàn)有反濾回灌井回灌池的入滲斷面只有頂面，對于一個(gè)外徑0.8 m的回灌井，其回灌池頂面面積已達(dá)3.9 m×3.9 m=15.21 m2，如再繼續(xù)增大回灌池表面面積，占地更大，已不經(jīng)濟(jì)。因此在減少占地面積的前提下，如何增大過水?dāng)嗝婷娣e是回灌池改進(jìn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

(2)提高反濾回灌井的抗淤能力。由于現(xiàn)有反濾回灌井頂高程與河床表面基本持平，對于河床縱向比降平緩的河段，或筑壩建閘擋水蓄水的河段，在現(xiàn)有反濾回灌井表層很容易產(chǎn)生淤積，淤泥充填回灌池上層砂層孔隙，使回灌池失去滲水功能，大幅度地降低反濾回灌井回灌量，淤積嚴(yán)重的，使反濾回灌井失去回灌的功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東膠東半島，河床平緩或蓄水河段的反濾回灌井，經(jīng)歷1～2個(gè)汛期，淤積作用基本可使反濾回灌井喪失回灌能力。

(3)提高反濾回灌井的抗沖能力。由于現(xiàn)有反濾回灌井的回灌池為土坑，對于河床縱向比降較陡的河段，回灌池容易沖毀，帶走反濾砂，使其喪失反濾能力，其后果導(dǎo)致泥沙顆粒進(jìn)入回灌井，細(xì)小顆粒進(jìn)入含水層，使回灌井淤積填埋，并使含水層淤堵，并降低儲水能力。因此，還有必要對回灌池加以保護(hù)。

對現(xiàn)有反濾回灌井改進(jìn)設(shè)計(jì)思路：如果將回灌池從地下抬高至地面以上，從原來的土坑變?yōu)橛杏操|(zhì)材料護(hù)壁的回灌井口，并由原來回灌池表面一面入滲進(jìn)水的方式，改為從回灌井口頂面、外側(cè)面入滲進(jìn)水的方式，即可防沖抗淤，又可增大過水?dāng)嗝婷娣e；如果在井口中間掏空，讓水流從井口中間穿過，則又可增加內(nèi)側(cè)面、內(nèi)側(cè)底面入滲進(jìn)水，使入滲過水?dāng)嗝婷娣e最大化。另外，再以相當(dāng)或較大滲透系數(shù)的土工織物代替砂反濾層，即不會減少滲入水量，又不失反濾功能，而且維修、更換方便。

設(shè)計(jì)了3種新型對偶反濾回灌井，對偶反濾回灌井由回灌井和對偶回灌井口組成。3種新型對偶反濾回灌井的對偶回灌井口分別為：第1種為圓形對偶井口，其回灌井口為頂面、外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面、底面均能進(jìn)水的2個(gè)對稱的半個(gè)空心圓柱體，見圖1(a)～(d)；第2種為方形對偶井口，其回灌井口為頂面、外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面、底面均能進(jìn)水的2個(gè)對稱的空心長方體，見圖1(a)、(e)～(g)；第3種為臺形對偶井口，其回灌井口為頂面、外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面、底面均能進(jìn)水的2個(gè)對稱的空心長方臺體，見圖1(h)～(j)。

圖1 對偶回灌井口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structural diagram of dual recharge wellhead 注：1-回灌池；2-側(cè)壁；3-土工織物；4-河底地面；5-外側(cè)壁孔口；6-內(nèi)側(cè)壁孔口；7-回灌井；8-反濾料。

與普通反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井具有以下特點(diǎn)。

(1)回灌池置于地面之上，稱之為對偶回灌井口，其頂面、外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面以及內(nèi)底面均可進(jìn)水，增加了進(jìn)水?dāng)嗝婷娣e，提高了抗淤能力。

(2)對偶回灌井口采用硬質(zhì)塑料、鋼、薄壁鋼筋混凝土材料等，增強(qiáng)了抗沖能力。

(3)對偶回灌井口外表覆蓋一層土工織布，既能有效過濾回灌水中的雜質(zhì)，也能節(jié)省砂礫石反濾料，且維修簡便、容易更換。

(4)對偶回灌井口底部一定高度范圍內(nèi)做成不透水的，可防止雨洪初期劣質(zhì)河水回灌至含水層。

(5)如果河水臨時(shí)受到污染，可在對偶回灌井口土工織物反濾層外側(cè)，再加套一層土工膜，使對偶回灌井口外表增加了一層不透水層，以防止污染的河水回灌至含水層。

對偶反濾回灌井的適用條件如下。

(1)我國北方中小型流域季節(jié)性河流，汛期河水大量遺棄，非汛期流域缺水，河水沒有污染或輕微污染。

(2)含水層上部為不透水層或弱透水層，即地層表層為壤土或黏土，或含水層為砂層、黏土互層結(jié)構(gòu)，通過回灌井經(jīng)歷各層含水層的水力聯(lián)系。

(3)對偶反濾回灌井位于河流河床、灘地，或?qū)Ｓ靡毓嗲?nèi)。

2 對偶反濾回灌井穩(wěn)定流試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)裝置。室內(nèi)回灌試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃材料制作，為長1.8 m、寬0.8 m、高1.3 m的長方體，試驗(yàn)裝置能模擬半個(gè)完整反濾回灌井或非完整反濾回灌井的穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置詳見圖2。

圖2 室內(nèi)回灌試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of laboratory recharge test device

室內(nèi)回灌試驗(yàn)裝置由供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、回灌系統(tǒng)和測量系統(tǒng)4部分組成。供水系統(tǒng)包括水源、穩(wěn)壓水箱、水表、進(jìn)水管和進(jìn)水口。排水系統(tǒng)包括出水口、調(diào)節(jié)水箱排水孔和底排水孔?；毓嘞到y(tǒng)主要由回灌水槽、回灌井、各種井口、長方體容器和地下水位調(diào)節(jié)池組成，其中水槽用于模擬天然河道，長方體容器用于模擬含水層，地下水位調(diào)節(jié)池用于控制回灌井周圍地下水位，見圖3(a)?；毓嗑霃?0 mm，由有機(jī)玻璃管制作，取一半，黏于長方體容器一側(cè)壁的正中間?？紤]與回灌井模型一致性，各種回灌井口模型比例為1:25，均取一半，過水?dāng)嗝婷娣e的開孔率約為20%，其中圓形對偶井口高110 mm，外徑為40 mm，內(nèi)徑為20 mm；方形對偶井口高110 mm，邊長為40 mm；臺形對偶井口高110 mm，上口長邊邊長為35 mm，下口長邊邊長為40 mm，過水?dāng)嗝婷娣e的開孔率為20%，詳見圖3(b)～(d)。為了進(jìn)行對比分析，又制作了原回灌池模型，取一半，其底部尺寸為40 mm×20 mm長方形，頂部尺寸為40 mm×80 mm長方形，詳見圖3(e)。測量系統(tǒng)分為水位測量系統(tǒng)和流量測量系統(tǒng)，包括水槽水位標(biāo)尺、測壓管、進(jìn)水和出水流量測量等。測壓管布置于長方體容器底部，共計(jì)20只，按水平線、垂直線和對角線4條線布置，主要用于測量含水層地下水位。測壓管布置見圖4。

圖3 回灌裝置和回灌井口Fig.3 Recharge device and wellhead of recharge well

圖4 回灌裝置底部測壓管布置Fig.4 Piezometric tube distribution map in the bottom of recharge device

(2)試驗(yàn)方案。試驗(yàn)?zāi)M承壓含水層完整井穩(wěn)定流，擬做5種井的穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)：方案一為普通回灌井穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)，僅有回灌井、無井口；方案二為現(xiàn)有反濾回灌井的穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)，模擬原四方臺體回灌池，池內(nèi)設(shè)置砂、碎石2級反濾料；方案三為圓形對偶反濾回灌井的穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)；方案四為臺形對偶反濾回灌井的穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)；方案五為方形對偶反濾回灌井的穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)。

其中方案一為普通回灌井，代表目前國外和國內(nèi)(除山東半島)常用的地下水回灌設(shè)備；方案二為現(xiàn)有反濾回灌井，代表目前山東半島常用的地下水回灌設(shè)備；方案三～五為研制的新型對偶反濾回灌井。

(3)試樣制備。試驗(yàn)裝置表層為黏土，下層為砂，砂控制干密度1.44～1.50 g/cm3，滲透系數(shù)為3.07～3.55×10-4m/s。砂樣采用天然河砂，平均粒徑0.836，不均勻系數(shù)3.2，曲率系數(shù)1.18，為不良級配粗砂，砂樣顆粒大小分布曲線見圖5。

圖5 砂樣顆粒分布曲線Fig.5 Sand particles distribution curve

回灌井口反濾采用土工織物，其單位面積重量為200 g/m2，厚度為3 mm，土工織物+有機(jī)玻璃井口(約20%的開孔率)的綜合滲透系數(shù)為6.2 ×10-4m/s。

(4)室內(nèi)回灌試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)和資料整理。試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)連續(xù)測量3次回灌量，其中每2次連續(xù)測量回灌量之差均不大于后一次(指連續(xù)2次測量中的第2次)回灌量的5%時(shí)，回灌試驗(yàn)即可結(jié)束。試驗(yàn)資料整理：取最后3次回灌量測量值的平均值作為回灌試驗(yàn)的結(jié)果。

2.2 室內(nèi)穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)M承壓含水層完整井穩(wěn)定流，水槽內(nèi)穩(wěn)定回灌水位92 cm(長方體容器底部為0基準(zhǔn)水位)左右，周圍地下水位20 cm。為保持周圍地下水位穩(wěn)定，在安裝井對面的側(cè)壁下部，設(shè)置一礫石排水帶，排水帶出口與兩側(cè)調(diào)節(jié)水箱相連，使該側(cè)地下水位與兩側(cè)調(diào)節(jié)水箱的水位保持一致。試驗(yàn)時(shí)，水由穩(wěn)壓水箱流出，由水槽一側(cè)進(jìn)入水槽，水流流經(jīng)反濾回灌井時(shí)，一部分水通過回灌井口或回灌池滲入回灌井口內(nèi)，然后以垂直流方式進(jìn)入回灌井，再以水平流方式進(jìn)入砂層，砂層中水再流入兩側(cè)調(diào)節(jié)水箱；水槽內(nèi)其余的水經(jīng)水槽另一側(cè)排水管排出。打開調(diào)節(jié)水箱排水閥，使兩側(cè)調(diào)節(jié)水箱內(nèi)水位穩(wěn)定在20 cm高程左右，通過測定調(diào)節(jié)水箱排出水量，即可得承壓含水層完整反濾回灌井穩(wěn)定流時(shí)的單井回灌量。當(dāng)水槽內(nèi)回灌水位和調(diào)節(jié)水箱水位保持穩(wěn)定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從調(diào)節(jié)水箱排水閥排出的水量即等于反濾回灌井的單井回灌量。

先后進(jìn)行了普通回灌井、現(xiàn)有反濾回灌井、圓形對偶反濾回灌井、方形對偶反濾回灌井和臺形對偶反濾回灌井的穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)，并進(jìn)行了平行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)成果與分析

在水槽回灌水位為92 cm、周圍地下水位為20 cm的條件下，各種承壓含水層完整井穩(wěn)定流試驗(yàn)中實(shí)測的地下水位線(沿水平線布置測壓管得到)見圖6，實(shí)測單井回灌量見表1。

圖6 實(shí)測地下水位線(測壓管沿水平線布置)Fig.6 Measured groundwater level (piezometric tube along horizontal line)

從圖6中可以看出：

(1)普通回灌井地下水位線最高，對偶反濾回灌井的地下水位線次之，現(xiàn)有反濾回灌井的地下水位線最低。

(2)水槽回灌水位為0.92 m時(shí)，普通回灌井井口處的地下水位為0.51 m，而現(xiàn)有反濾回灌井回灌池附近的地下水位為0.25 m，說明現(xiàn)有反濾回灌井回灌池的綜合水頭損失最大，回灌井的回灌能力未充分發(fā)揮，大大影響了現(xiàn)有反濾回灌井的回灌能力。

(3)對偶反濾回灌井回灌井口處的地下水位高0.47～0.50 m，同現(xiàn)有反濾回灌井回灌池相比，其綜合水頭損失相對較小，較大程度地發(fā)揮了回灌井的回灌能力，但還是一定程度地影響了現(xiàn)有反濾回灌井的回灌能力。

表1 單井回灌量匯總表Tab.1 The summary statement of single-well recharge volume

從表1中可以得出：

(1)現(xiàn)有反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的15.4%，說明回灌池產(chǎn)生較大的水頭損失，大幅度地降低了回灌量。

(2)圓形對偶反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的79.1%，臺形對偶反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的76.2%，方形對偶反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的76.7%，說明對偶回灌井口也產(chǎn)生一定的水頭損失，并影響回灌量。

(3)同現(xiàn)有反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井的單井回灌量大約增加了395%～414%，說明對偶回灌井口大大提高了反濾回灌井的回灌能力。

3 討 論

3.1 回灌試驗(yàn)次數(shù)對單井回灌量影響分析

圖7 單井回灌量Q與回灌次數(shù)N關(guān)系曲線Fig.7 The curve of single-well recharge volume Q and recharge times N

圖7為方形對偶反濾回灌井的單井回灌量Q與回灌次數(shù)N關(guān)系曲線。由圖7可知：初次試驗(yàn)單井回灌量最大，隨回灌試驗(yàn)次數(shù)的增加，其單井回灌量逐漸減小，并趨向穩(wěn)定，其穩(wěn)定單井回灌量約為初次試驗(yàn)單井回灌量的79%。這是由于在室內(nèi)穩(wěn)定流回灌試驗(yàn)中，當(dāng)水流經(jīng)過回灌井口土工布滲入回灌井，進(jìn)入含水砂層，以及在含水砂層滲流的回灌過程中，水流中還夾雜著一定量的空氣，另外含水層中還存在一些封閉氣泡和細(xì)小的泥沙顆粒，這些都會產(chǎn)生一定的堵塞作用，影響單井回灌量。

3.2 井口類型對單井回灌量影響分析

由表1知：方形對偶井口的過水?dāng)嗝婷娣e最愛，臺形次之，圓形最小。一般而言，滲水量與進(jìn)水?dāng)嗝婷娣e成正比，由此可以推論：方形對偶回灌井口的單井回灌量最大，臺形對偶回灌井口次子，圓形對偶回灌井口最小。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明：圓形對偶回灌井口的單井回灌量反而大于方形對偶回灌井口的，而方形對偶回灌井口的單井回灌量卻大于臺形對偶回灌井口的。這說明回灌井口類型影響單井回灌量。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：對于圓形對偶回灌井口，反濾回灌井中回灌井的過水?dāng)嗝媸菆A形，當(dāng)水流從井口進(jìn)入回灌井內(nèi)部時(shí)，由于井口和回灌井的斷面現(xiàn)狀一致，其水流流態(tài)比較流暢，水頭損失較??；而方形和臺形對偶回灌井口，則由于井口和回灌井?dāng)嗝娆F(xiàn)狀的差異，影響水流流態(tài)，水頭損失較大，因此，圓形比方形、臺形對偶回灌井口具有較大的單井回灌量。而方形和臺形對偶回灌井口，二者斷面形狀相近，水流流態(tài)相近，方形對偶回灌井口因過水?dāng)嗝孑^大而具有較大的單井回灌量。另外，文獻(xiàn)[8]中的回灌池為單純的大型回灌池，回灌池下不存在普通回灌井，其研究結(jié)論自然與本次試驗(yàn)結(jié)果不同。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)與分析，得出以下結(jié)論。

(1)對偶反濾回灌井的下部不透水壁，可防止雨洪初期劣質(zhì)水回灌含水層。如果將土工膜套在對偶回灌井口土工織物反濾層外側(cè)，可預(yù)防污染河水回灌至含水層，增強(qiáng)了對偶反濾回灌井的抗污性。

(2)在試驗(yàn)條件下，普通回灌井、現(xiàn)有反濾回灌井、圓形對偶反濾回灌井、臺形對偶反濾回灌井和方形對偶反濾回灌井的單井回灌量分別為19.82、3.05、15.68、15.11和15.20 L/min，同現(xiàn)有反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井單井回灌量增加了395%～414%，且具有較強(qiáng)防淤抗沖能力，同時(shí)還節(jié)約了砂礫石材料。

(3)反濾回灌井初次回灌試驗(yàn)的單井回灌量最大，隨回灌試驗(yàn)次數(shù)的增加，其單井回灌量逐漸減小，并趨向穩(wěn)定。

(4)對偶回灌井口類型影響單井回灌量，圓形對偶回灌井口的進(jìn)水水流流態(tài)最好，單井回灌量最大。

對偶反濾回灌井特別適用于降雨集中、汛期大量雨洪遺棄、分布有眾多季節(jié)性河流的我國北方地區(qū)，它能夠在汛期將更多的遺棄雨洪轉(zhuǎn)化為可利用水資源，這對于提高我國北方流域水資源利用率、緩解水資源短缺的矛盾具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對于海綿城市建設(shè)具有重要的借鑒作用。同現(xiàn)有反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井具有較大的回灌能力、較強(qiáng)的防淤抗沖能力和一定的抗污能力，對偶反濾回灌井及其回灌系統(tǒng)將會具有廣闊發(fā)展前景。

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