許昌市麥嶺應急備用水源地人工補給研究

姜寶良， 鄭曉團， 李春娥， 余晨， 張石磊

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045； 2.濟源市蟒河口水庫管理處，河南 濟源 459000；3.濟源市節(jié)約用水辦公室，河南 濟源 459003)

許昌市麥嶺應急備用水源地人工補給研究

姜寶良1， 鄭曉團2， 李春娥3， 余晨1， 張石磊1

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045； 2.濟源市蟒河口水庫管理處，河南 濟源 459000；3.濟源市節(jié)約用水辦公室，河南 濟源 459003)

麥嶺水源地在枯水期(年)由于干旱少雨，降水補給少，水源地開采量增加，特別是農業(yè)灌溉開采量很大，會引起水源地淺、深層地下水位持續(xù)大幅度下降，影響城市供水安全。因此，必須引水補源，保證城市供水安全。本文通過對麥嶺水源地水文地質條件的分析，結合水源地水源充沛，河流渠系發(fā)達，坑塘較多，含水層儲存量大等有利條件，開展了雙環(huán)滲水試驗、淺井注水試驗、滲坑注水試驗、農田灌溉試驗等人工補源試驗研究。結果表明，在水源地開展人工補給對地下水持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。

麥嶺水源地；人工補源試驗；人工補給；地下水庫

1 麥嶺水源地水文地質概況

麥嶺水源地位于北汝河沖洪積扇的軸部，地形平坦，沉積物主要為第四系沖洪積物[1]。根據(jù)含水層結構和埋藏條件，將本區(qū)含水層劃分為淺層及深層含水層。淺層含水層主要由北汝河和沙河沖積和沖洪積形成，巖性為中粗砂，局部為粉細砂，含水層厚度10 m左右，滲透系數(shù)平均45.64 m/d，水位埋深2～4 m，開采區(qū)水位埋深最大達6～8 m；單井5 m降深涌水量在1 000 m3/d以上，局部為500～1 000 m3/d；麥嶺以西含水層底板埋深為15～20 m，以東為25～45 m。淺層水主要接受大氣降水、河流側滲、灌溉回滲、側向徑流及深層水的頂托補給，以向深層含水層越流、潛水蒸發(fā)、農田灌溉和農村生活用水開采等形式排泄。深層含水層為第四紀中更新統(tǒng)北汝河沖洪積物，巖性為卵礫石層。含水層厚度為30～70 m, 降深5 m單井涌水量大于2 000 m3/d，導水系數(shù)在1 000 m2/d以上，屬于強富水區(qū)。深層地下水主要接受淺層地下水的越流補給，目前主要以人工開采形式排泄。

根據(jù)水源地多年開采動態(tài)分析，水質穩(wěn)定，水位受開采和大氣降水影響，呈周期性變化，且能夠以豐補欠，處于動平衡狀態(tài)。麥嶺水源地地下水的補給條件好，含水層厚度大，儲存量豐富，調節(jié)能力強。但在枯水年會出現(xiàn)負均衡，應考慮引水補源工程，充分利用北汝河大陳庫區(qū)豐富的地表水資源，進行人工補給，提高地下水的保證程度。

麥嶺水源地地下水的儲存量：淺層為5.055 8億 m3，深層為24.311 9億m3，合計29.367 7億m3?？梢姡湈X水源地地下含水層的儲存量大，是一個巨大的地下水庫?？沙浞掷眠@一優(yōu)勢和地下水具有多年周期性補給的特點，作為多年調節(jié)型水源地，在枯水期借用部分儲存量，在豐水期通過地表水入滲補給地下水,把枯水期借用的儲存量補償回來，使地下水位控制在允許范圍內，保證許昌市城市供水安全[2]。

2 人工補給可行性分析

地下水人工補給的研究理論與方法隨著地下水科學的發(fā)展而發(fā)展。從基本理論到建立模型模擬研究,從定性研究到定量研究,再到數(shù)字化的成果展示,地下水人工補給的研究不斷取得新進展。

由于水文地質條件、水源分布情況以及補給場地條件的差異,地下水人工補給的方式、方法有所不同。地下水人工補給的水源通常采用河渠水、排水、斜坡徑流水、剩余灌溉水，其補給方式為地表入滲補給、誘導補給和地下回灌補給。

由于許昌市工、農業(yè)的快速發(fā)展和人口的不斷增長，各種用水量相應增加，勢必增大麥嶺水源地的開采量。當麥嶺水源地的開采量達到或超過允許開采量14萬m3/d時，勢必形成地下水位降落漏斗，特別是枯水期，地下水位持續(xù)下降，降落漏斗將不斷擴大。在這種情況下，如果只依賴于地下水的天然補給，可能會出現(xiàn)環(huán)境地質問題和城鄉(xiāng)用水矛盾，影響城市供水的安全。從長遠考慮，為了防止地下水資源的不斷減少，解決城鄉(xiāng)爭水問題，需要開發(fā)新的地下水補給源進行人工補給。在本區(qū)進行地下水人工補給，將控制地下水位下降和地下水降落漏斗的發(fā)展。

麥嶺水源地位于北汝河埋藏型沖洪積扇的軸部，地下庫容大，淺層地下水和深層地下水水力聯(lián)系密切，地表巖性以粉土為主，有利于地下水的人工補給。該區(qū)地表水資源豐富，在位于水源地上游的北汝河上建有大陳閘，大陳閘庫區(qū)最大庫容1 225萬m3，最小供水庫容250萬m3。目前大陳閘庫區(qū)的水并沒有完全利用，有一部分水通過大陳閘放入下游河道，即棄水。1979—2014年多年平均放水時間130 d，平均放水量16.76 m3/s；1985年放水天數(shù)最多，達333 d，放水量也最多，達71.0 m3/s；2013年放水天數(shù)最少，僅8 d，放水量僅1.05 m3/s。北汝河大陳庫區(qū)地表水一般為Ⅰ、Ⅱ類水，只有個別時段由于上游生活、工業(yè)污染物排入河水，水質較差。通過加強對大陳閘庫區(qū)及北汝河上游的水源保護工作，能滿足人工補給的水質要求。因此，大陳水庫可為實施人工補給提供符合回灌水質和水量要求的水源。

該區(qū)內包氣帶巖性由非均質的層狀粉質黏土、粉土和砂組成，砂層多呈透鏡體狀分布。粉土和砂滲透性很強，而粉質黏土在土壤處于失水狀態(tài)時，地表會產生大量張裂縫，有利于大氣降水和灌溉水入滲補給?，F(xiàn)狀開采條件下，麥嶺水源地開采影響范圍內水位埋深6～8 m，預測未來開采條件下，水位埋深15 m左右。區(qū)內灌溉渠道發(fā)育，坑塘眾多，將水庫棄水通過現(xiàn)有的農灌渠系(一干渠及一、二、三支渠)，或灌溉農田，或改善生態(tài)環(huán)境，或專門用于人工補給地下水。

麥嶺水源地開采深層承壓水，含水層巖性為卵礫石層，厚度30～70 m,導水性和儲水性好，調蓄能力強。深層水與淺層水水力聯(lián)系密切，深層水主要來源于淺層水的越流，從地下水系統(tǒng)而言，深層和淺層水同屬一個地下水系統(tǒng)，只是埋藏條件不同。整個含水層系統(tǒng)就是一個儲存量很大且調蓄能力很強的地下水庫，利用它的調蓄作用，按以豐補欠的原則控制開采和實施人工補給，枯水年(期)擴大開采量，騰出地下含水層儲存空間，豐水年(期)減少開采和人為增加地下水補給，使水位得到恢復。

綜上所述，麥嶺水源地具備實施人工補給地下水的地形地貌和地質條件。該區(qū)水源充沛，河流渠系發(fā)達，坑塘較多，含水層儲存量大等有利條件，應采取人工補給地下水措施，保持水源地持續(xù)利用。

在人工回灌方法上，采用地面水滲入補給是比較適宜的，不但技術上容易實施，而且成本低廉，效果也較好。在現(xiàn)有技術條件下，可以暫不考慮深井回灌方法。

3 人工補給試驗

3.1 試驗場地選擇

根據(jù)地下水的人工補給條件、補給水源的分布和水文地質特征，試驗場地選擇的依據(jù)是：把補給地點選擇在水源地西部的徑流補給區(qū)以及包氣帶厚度大、巖性以粉土為主的北汝河東部、一干渠及各支渠、水源地附近。這樣既有利于人工補給水源的入滲，又可以使補給水在地下通過較短的運移途徑補給水源地開采區(qū)的含水層，從而發(fā)揮最大的人工補給效益，并可充分利用原有的水利工程和自然河道、溝渠、坑塘，通過自流的方式引用地表水，減少人工補給的投入。

3.2 人工補給試驗

根據(jù)水源地的地形地貌及補給水源的狀況，采用地面水滲入法，利用現(xiàn)有的坑塘、渠道、民井等集水工程設施，積蓄地表水，借助地面水和地下水之間的天然水頭差，使之自然滲漏補給含水層，以增加含水層儲量[3]。地面水滲入補給可因地制宜利用自然條件，以簡單的工程設施和較少的投資獲得較大的入滲補給量，在運行期間也比較容易管理和便于清淤，故能經常保持較高的滲透率。在水源地范圍內選取適宜的地段進行人工補給地下水試驗，開展雙環(huán)滲水試驗、淺井注水試驗、滲坑注水試驗、農田灌溉試驗，通過試驗結果分析水源地入滲補給能力，確定人工補給的可行性。根據(jù)水源地包氣帶巖性和河渠分布情況，布置14組滲水試驗、3組灌溉回滲試驗、1組滲坑注水試驗、1組淺井注水試驗，試驗點的分布位置如圖1所示。

圖1 滲透試驗點位置

3.2.1 雙環(huán)滲透試驗

向嵌入試坑內的雙環(huán)注水，外環(huán)產生垂向、側向滲流，內環(huán)只產生垂向入滲，排除側向滲流的誤差，當內、外環(huán)水柱都保持同一高度情況下，內環(huán)滲水量達到穩(wěn)定時，單位時間內單位面積的滲水量即為該土層的垂向滲透系數(shù)。

根據(jù)雙環(huán)滲水試驗的數(shù)據(jù)資料，按公式法和圖解法計算垂向滲透系數(shù)，結果見表1。

表1 麥嶺水源地雙環(huán)滲透試驗結果匯總

根據(jù)麥嶺水源地包氣帶巖性分區(qū)，計算各區(qū)平均滲透系數(shù)，Ⅱ區(qū)為2.826 2 m/d，Ⅲ區(qū)為3.190 1 m/d。根據(jù)所確定的參數(shù)值，按每年放水60 d計算,對淺層含水層的補給量可達9.3萬m3/d。

3.2.2 淺井注水試驗

淺井注水試驗是用供水箱通過水管向井內注水，利用水位計測量井中的穩(wěn)定水位，并記錄流量。當達到相對穩(wěn)定后，淺井周圍可形成一倒置降落漏斗，根據(jù)相對穩(wěn)定水位和注水量，計算滲透系數(shù)。

在大陳閘庫區(qū)附近有地表水源的地段選取淺層井進行注水試驗，根據(jù)試驗結果計算得到松散層的滲透系數(shù)K=18.5 m/d，影響范圍可達17 m[4]。

分析注水試驗結果可知：由于地表水通過井孔直接補充進入地下含水層中，所取得的滲透系數(shù)較大，有利于地表水以井孔注水的方式補給地下水。每年按豐水年60 d的時間計算，年平均對地下水的補給量為0.8萬m3/d。

采用井孔注水方法實施人工補給地下水，不僅回灌效率較低，而且隨著回灌時間的延續(xù)，造成回灌井過濾管被堵塞，含水層滲透性下降。

值得注意的是，北汝河河道內某些河段，淺層含水層因被河道切割，直接出露或埋藏很淺。在河道內人工布置滲坑或滲井，為河水補給地下水提供通道，可以取得較好的補給效果[5]。

3.2.3 滲坑滲水試驗

在表層干土中挖一試坑，坑底應離潛水位3～5 m以上，向試坑內注水，必須使試坑中的水位始終高出坑底約10 cm。求出單位時間內從坑底滲入的水量Q，再除以坑底面積F，即得出平均滲透速度v=Q/F。當坑內水柱高度不大(等于10 cm)時，可以認為水頭梯度近似等于1，因而滲透參數(shù)k=v。

在水源的上游地段選取一段封閉渠道，向渠道內注水，并在渠道外側布置水位觀測孔。根據(jù)滲水試驗結果求得滲透系數(shù)為1.76 m/d。

根據(jù)滲坑試驗所得的滲透系數(shù)僅為1.76 m/d，遠小于淺井注水試驗確定的滲透系數(shù)18.5 m/d，主要原因在于滲坑尚未揭露含水層，影響地表水的入滲補給，若滲坑揭露含水層，其滲透系數(shù)會較大。

麥嶺水源地各種坑塘較多(特別是麥嶺村的沙坑，已揭露含水層)，面積較大，按有水時間60 d計算，其入滲補給量為0.32萬m3/d。若將大陳閘庫區(qū)棄水排入已有的坑塘中，對地下水的補給非常有利。

3.2.4 灌溉回滲試驗

農田灌溉水的回滲是淺層地下水的重要補給來源，而灌溉回滲量受灌溉用水量、包氣帶巖性、結構構造、厚度、含水量及氣象等多種因素影響。為了了解麥嶺水源地附近農田灌溉對淺層地下水的補給作用，并為計算灌溉回滲量提供依據(jù)，在麥嶺水源地附近進行了灌溉回滲試驗。

此次進行了3組試驗，灌前土壤含水率均偏大，水位埋深2.34～3.86 m，較麥嶺水源地平均水位埋深及今后開采條件下水位埋深都小，實際農田井灌定額在每666 m2灌溉40 m3左右，并大都在干旱、土壤含水率低時才灌溉，因此本次試驗計算的灌溉回滲系數(shù)偏小。依據(jù)試驗區(qū)包氣帶巖性、淺層水位埋深、當?shù)剞r田灌溉狀況及3組灌溉回滲試驗的結果，井灌回滲系數(shù)取值見表2。

表2 農田井灌回滲系數(shù)取值分區(qū)

如果現(xiàn)有灌溉渠道得到有效利用，農田灌溉受益面積可以達到5 333萬m2。由于灌溉渠道系統(tǒng)沒有發(fā)揮應有的作用，使本應采用地表水灌溉的農田改為井灌，增加了地下水的消耗量。如果采用地下水灌溉農田，在一般降水年份，每666 m2農田每年需要開采地下水160 m3，扣除灌溉回滲補給地下水量，實際消耗地下水144 m3，而如果改用地表水灌溉，不僅不需要開采地下水，還可以額外增加地表水灌溉回滲量。也就是說，如果將井灌農田的灌溉方式改為地表水灌溉，不僅可以減少地下水的開采，還可以增加地下水的補給。如果將農田灌溉渠網完全修復，將有5 333萬m2農田由井灌改為地表水灌溉，相當于增加了2.72 m3/d的地下水資源量。由此可見，采用地表水替代開采地下水進行農田灌溉不僅節(jié)約了地下水，還增加了地下水的補給，對水資源的保護和利用是一種很有效的方式。

通過上述的4種試驗結果分析比較，在水源地開展地下水人工補給符合試驗要求，可以實施。

4 麥嶺水源地地下水人工補給

4.1 地下水人工補給特點

地下水人工補給可以增加地下水資源量，控制地下水位降落漏斗的形成和發(fā)展及水位的持續(xù)下降；利用雨季的地表水進行回灌可起到防洪作用并利用了多余的棄水。同時，還可以利用含水層的儲水空間(地下水庫)蓄水，它占地少，比修建地表水庫要經濟；把水注入含水層中，可減少蒸發(fā)損失量，防止污染，還可以利用含水層的自凈能力，對大陳庫區(qū)地表水進一步凈化。地下水人工回灌與農田灌溉相結合，可產生較大的經濟效益和社會效益。

4.2 地下水人工補給的優(yōu)越性

地下水人工補給，又稱地下水人工回灌、人工引滲地[6]。地下水人工補給的實質就是借助某些工程設施將地表水以自流或用壓力的方式注入地下儲水層，以增加地下水的補給量，穩(wěn)定地下水位或對水資源進行季節(jié)及年度之間的調節(jié)，保證地下水的充分利用[7]。與地面水庫蓄水比較，人工補給對增加地下水資源量具有更大的優(yōu)越性，二者對比見表3。

表3 地下水人工補給與地面水庫蓄水比較

4.3 補給方式

根據(jù)大陳閘的水文資料，大陳閘往下游放水的時間多集中在雨季前后的4—11月份，可在這期間進行地下水人工回灌補給。這樣既可增加地下水資源量，同時又可以作為防洪和充分利用雨季棄水的一項措施。根據(jù)研究區(qū)的水文地質條件和人工補給水源的分布及其他因素，實施人工補給地下水較適宜的方式有：

1)利用北汝河河道進行人工補給。

北汝河的大陳閘至橫梁渡段，河流切割深度已達10～15 m，成“U”字型河谷，河床堆積物少，局部基底裸露，已基本切穿了上更新統(tǒng)淺層含水層。在橫梁渡附近建攔水壩或橡皮壩，攔蓄來水，增加河水在河道的滯留時間和水量，增大地下水的補給量，同時也可以改善生態(tài)環(huán)境。

為了有利于地表水的入滲，可在北汝河河床施工大口徑滲井，深度15 m左右，揭穿淺層和深層之間的越流層，河水可直接補給深層地下水。

2)利用溝渠進行人工補給。

大陳閘庫區(qū)一干渠及一、二、三支渠，特別是二、三支渠，從水源地的西部通過，利用方窯閘將水庫的棄水放入上述渠道及其附近的溝渠、坑塘，增加地下水的補給。

3)利用地表水進行灌溉。

大陳閘水庫的水沒有得到完全利用，部分以棄水形式排放至下游河道。區(qū)內農灌渠網發(fā)育，通過一干渠及其一支、二支和三支等支渠將大陳水庫水引入到茨溝、丁營、姜莊、麥嶺等地，用于農田灌溉。但區(qū)內原有的灌溉渠道已經遭到不同程度的破壞，沒能發(fā)揮應有的作用，渠系灌溉受益面積減少，2000年以后完全荒廢。應充分利用棄水，修復現(xiàn)有的農灌渠網，鼓勵農民用地表水灌溉農田，地表水通過農田灌溉回滲補給淺層地下水，再以越流形式補給深層水，最終起到補給深層地下水的作用。

目前，水源地內的農田大多利用淺井進行灌溉，應充分利用現(xiàn)有的灌溉渠系，引用地表水進行灌溉，這樣既減少了對地下水的開采，又增加了地下水的補給。

4)利用麥嶺崗的沙坑進行人工補給。

由于人工挖沙，麥嶺崗已形成近33.3萬m2的大沙坑，坑壁和坑底均為沖積形成的分選較好的中細砂，揭露了淺層含水層，其滲透性好。沙坑深度5～10 m，總面積3.22 km2(約483畝)，二、三支渠距沙坑很近。將大陳閘庫區(qū)地表水通過二、三支渠很容易引入該沙坑內，其位置又在水源地的中心地帶，對地下水的補給是非常有利的，其滲漏補給量相當可觀，同時也可以改善生態(tài)環(huán)境[8]。

5 結語

利用自然存在或人工修建的坑塘、溝、渠和地表水庫，使地表水在重力作用下滲透補給地下水是一種接近天然的補給方式，補給效果較好。麥嶺水源地內灌溉渠道、坑塘眾多，特別是麥嶺的巨大沙坑，有符合人工補源水質要求的地表水，地表巖土滲透性好。這些將有利于實施水源地地下水的人工補給。

麥嶺水源地地下水儲存量總計29.367 7億m3，其中淺層水儲量為5.055 8億m3，深層水儲量為24.311 9億m3。地下含水層就是一個巨大的地下水庫，可充分利用這一優(yōu)勢和地下水具有多年周期性補給的特點，作為多年調節(jié)型水源地，在枯水期(年)動用部分儲存量，在豐水年(期)采取人工補源措施，使枯水期超量開采的地下水得到補償[9]。

因此，必須加快地下水人工調蓄工程建設，利用水源地地表水資源豐富、地下儲水空間大的特點，實現(xiàn)地表水與地下水聯(lián)合調蓄，保證水源地特別是嚴重干旱年份的供水安全。

[1]姜寶良，張懷軍．埋藏型沖洪積扇區(qū)供水水文地質勘察研究[M]．北京：中國大地出版社，2003:34-35.

[2]姜寶良，于福榮．嚴重干旱大型水源地地下水資源評價及應急供水研究[M]．北京：地質出版社，2015:31.

[3]林學鈺，廖資生．地下水管理[M].北京：地質出版社，1995:66-67.

[4]田光輝，曾梅香，阮傳俠.天津地熱資源開發(fā)利用動態(tài)特征淺析[J].地下水，2008,30(5):28-31.

[5]華北水利水電大學．許昌市麥嶺水源地應急供水研究[R].鄭州：華北水利水電大學，2015:30-31.

[6]張明泉，曾正中.水資源評價[M]．蘭州：蘭州大學出版社，1994:16-17.

[7]尹承懷，倪深海．地下水資源管理[M]．北京：中國水利電力出版社，2001：36-37.

[8]劉增進，胡偉利.河南省農業(yè)水資源污染與防治研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版)，2014,35(2)：12-14.

[9]姜寶良．地表水與地下水聯(lián)合優(yōu)化管理調度研究：以河南省許昌市為例[M]．北京：中國大地出版社，2003：168.

(責任編輯：喬翠平)

Study on Artificial Recharge of Emergency Reserved Water Source Location in Mailing, Xuchang City

JIANG Baoliang1, ZHENG Xiaotuan2, LI Chun′e3, YU Chen1, ZHANG Shilei1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Management Office of Manghekou Reservoir in Jiyuan, Jiyuan 459000, China;3.Water Conservation Office of Jiyuan, Jiyuan 459003, China)

In the dry season (years), due to drought, less rainfall, but the increase in water source extraction, especially in the large amount of agricultural irrigation in Mailing water source location, these will cause shallow water source, deep groundwater level continued to decline significantly, affecting the safety of urban water supply. Therefore, it is necessary to divert water sources to ensure the safety of urban water supply. In this paper, by analyzing the hydrogeological conditions of the water source location of Mailing, combined with plenty of water source in water source location, the river canal system developed, more pits, aquifer storage and other favorable conditions, the experimental study on double-loop water seepage test, shallow well water injection test, seepage pit water injection test and farmland irrigation experiment was conducted. It is concluded that the artificial recharge in the water source area is of great significance for the sustainable development and utilization of groundwater.

Mailing water source; experiment of artificial recharge; artificial recharge; underground reservoir

2016-04-29

姜寶良(1962—)，男，河南宜陽人，教授，碩導，從事水文地質、工程地質、環(huán)境地質等方面的研究。E-mail:1801521595@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.009

TV213.9

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1002-5634(2017)01-0041-06