河南省新鄉(xiāng)市小店工業(yè)園區(qū)地表水回滲與管井回灌試驗研究

龐宇飛，康 劍，趙 冠

（河南地礦集團中昊建設工程有限公司，河南 鄭州 450007）

中國北方地區(qū)相對于南方地區(qū)干旱少雨，地表水量季節(jié)性變化很大，地下水補給量有限，而地下水的開發(fā)利用量往往大于南部地區(qū)。華北地區(qū)一些長期超強度開采地下水地帶，已經出現(xiàn)地下水位持續(xù)下降，并形成大面積地下水降落漏斗。借鑒國內外通過河流地表水重力勢能自然轉移與地下水賦存形式的相互轉化，及人工回灌技術（李恒太等， 2008），即可緩解地下水水位持續(xù)下降、地面沉降、海水入侵等環(huán)境地質問題。

近年來，許多西方發(fā)達國家利用多余的水源人工補給地下水的工作得到了迅速發(fā)展，在開發(fā)利用地下水的總量中人工補給量一般占到20%～30%以上，在緩解地下水降落漏斗持續(xù)擴大方面成效明顯。我國的地下水人工補給回灌工作起步相對較晚，最初主要是上海、天津沿海城市利用抽水試驗（主燦等，2018）和回灌技術研究因地下水開采而引起的水位下降、地面沉降及海水入侵等問題。目前國內研究已經延伸到濟南等內陸城市地表水轉化為地下水資源優(yōu)化配置模型研究（馮寶平等，2017）。朱金峰等（2017）對國內近20年來地表水與地下水相互作用的研究成果進行歸納總結，并梳理出地表水與地下水的研究熱點和前沿問題。近年來，在我國北方地區(qū)利用天然河道滲漏補給地下水如濟南玉符河補給趵突泉泉域地下水及開采關系研究等，都取得了典型示范效果。位于華北平原地區(qū)的新鄉(xiāng)市小店工業(yè)園區(qū)處于黃河中下游沖積平原地帶，工業(yè)聚集區(qū)內企業(yè)生產生活用水主要依靠自備井供水，形成地下水降落漏斗面積近10 km2，已給當?shù)毓まr業(yè)生產生活造成不利影響，為緩解地下水漏斗下降趨勢，有關技術單位開展了地表水回滲和管井回灌補給地下水試驗研究工作。本文采用柳青河地表水回滲與管井回灌2種試驗方法，探討補充淺層地下水有效水量的可行方法，以期對類似地區(qū)開展回灌工作提供參考。

1 地表水回滲試驗

1.1 本次試驗場地條件

（1）場地位于黃河中下游沖積平原新鄉(xiāng)市小店工業(yè)園區(qū)，微地貌屬于黃河故道古河床。地勢西南高、東北低，地表高程西南部75～81 m，東北部平均72 m，地表坡降1/3000，具有地表水自西南向東北自流的優(yōu)勢條件。

（2）場地包氣帶巖性以具有透水性較好的粉砂、粉土為主，地表水具有較好的入滲條件。其中，柳青河左岸800 m以西包氣帶巖性為粉土，以東包氣帶巖性為粉細砂。包氣帶厚度一般3.5～7.5 m，柳青河河床以下包氣帶厚度一般2～6 m。

（3）接受補給的目的層為第Ⅰ含水層，地下水類型以潛水為主，含水層巖性主要為細砂、中砂，含水層單層厚度8～25 m，總厚度40～60 m。含水層具有較大的孔隙和孔隙度，分布面積為33 km2。

（4）柳青河在小店工業(yè)園區(qū)內自西南向東北流經上游、下游2個觀測斷面長度8.73 km，河段寬7～15 m，深度1.3～2.0 m，常年有水?，F(xiàn)狀條件下，柳青河河底高于區(qū)內第Ⅰ含水層組地下水位2～6 m，河底未硬化，斷面之間沒有引水設備，沒有排水通道，具備進行地表水回滲試驗的有利條件。

1.2 工程布置

在小店工業(yè)園區(qū)內柳青河上游、下游分別設置觀測斷面，對柳青河流量和水位進行觀測，觀測頻率每5 d 1次，觀測時間2013年4月1日—9月30日，同時在柳青河兩岸及周邊布置若干個地下水動態(tài)觀測井，同步觀測地下水位。柳青河回灌補給地下水試驗工程布置見圖1。

圖1 試驗工程布置圖Fig. 1 Layout of test project

1.3 柳青河回滲試驗結果

試驗期間，對柳青河上游斷面、下游斷面流量和水面蒸發(fā)量進行觀測，采用公式（1）計算柳青河回滲量。

式中，ΔQ為柳青河水回滲量（m3·s-1）；Q1為上游斷面河水流量（m3·s-1）；Q2為下游斷面河水流量（m3·s-1）；為柳青河水面蒸發(fā)量（m3·s-1）；?0為地表自然水體水面蒸發(fā)強度（m·s-1）；L為柳青河上、下游斷面之間河段長度（m），L=8575 m；M為柳青河上、下游斷面之間河流平均寬度（m），M=11 m。

試驗期間，柳青河上游斷面流量為0.401～0.634 m3·s-1，下游斷面流量0.266～0.431m3·s-1，蒸發(fā)量0.003～0.005 m3·s-1，柳青河水回滲量0.049～0.306 m3·s-1。上游斷面（Q1）、下游斷面（Q2）流量及水面蒸發(fā)量觀測結果見圖2，回滲補給量歷時曲線見圖3。

1.4 地表回滲試驗效果分析

2013年4月1日—9月30日地表水回滲試驗期數(shù)據(jù)（河南工程水文地質勘察院有限公司，2013）顯示，河水回滲補給量區(qū)間值為0.049～0.306 m3·s-1，平均值為0.184 m3·s-1，柳青河河水回滲地下水總補給量為290.93萬m3，取得了較為滿意的地表回滲試驗效果。試驗期內，由于在小店工業(yè)園區(qū)范圍內，工業(yè)和生活開采井正常運轉，且河流兩岸農田灌溉正常進行，加之第Ⅰ含水層組淺層地下水接受大氣降水和灌溉回滲等補給，無法單一利用觀測井淺層地下水位升降數(shù)據(jù)單獨反映柳青河地表回滲效果，試驗區(qū)內試驗效果主要通過柳青河蒸發(fā)量、回滲水量變化實測數(shù)據(jù)體現(xiàn)出來。試驗期間觀測井地下水位變化可以作為參考資料進行分析。2013年4月1日試驗開始后，開采區(qū)降落漏斗中心地帶B15井及河流兩岸周邊區(qū)域共10個代表性觀測井。從6月30日、9月30日實測水位數(shù)據(jù)可知，7個井9月30日實測水位比6月30日實測水位普遍同步有所回升，1個井水位不變，遠離河岸2個井水位稍有下降。地下水位的變化說明地表回滲試驗取得了較為滿意的效果。由此說明本次地表水回滲補給地下水試驗，適合于在包氣帶巖性為粉細砂、粉土，厚度3.5～7.5 m，且與下部含水層有較好的水力聯(lián)系的地區(qū)應用和推廣。

對于因長期大量開采地下水而形成降落漏斗區(qū)域，需要長期利用河水回滲補給，才能起到補充地下水資源的作用。但是，采用長期地表水回滲補給地下水，應注意長期回滲可能引起附近土壤鹽漬化、沼澤化（沈時德，1993）及水質污染（西汝澤等，2012）等環(huán)境地質問題，應及時采取對應的防治措施。

2 管井注入回灌試驗

2.1 試驗場地條件

本次利用小店鎮(zhèn)西側新鄉(xiāng)宜蘭酒店院內2眼供水井，進行地下水抽水試驗和管井注入回灌試驗。回灌場地范圍有限，占地少，水量浪費少。2眼井的井深均為55 m，管井結構相同，濾水管埋深10～50 m，井間距23 m。開采目的層巖性均為粉細砂、含泥質細中砂層。

2.2 抽水試驗

（1）抽水試驗技術要求

開展單孔穩(wěn)定流抽水試驗，目的是確定單井涌水量與水位降深之間的關系，采用解析法求取水文地質參數(shù)，為回灌試驗確定回灌量及預測可能的回灌時間奠定基礎。

抽水試驗出水量和地下水動水位觀測精度符合GB 50027－2001《供水水文地質勘察規(guī)范》技術要求?；謴退挥^測，停泵后立即對抽水孔進行恢復水位觀測，觀測頻率和精度與抽水試驗的水位觀測相同。抽水及恢復過程中對原始資料和表格進行及時記錄和整理。

（2）抽水試驗技術參數(shù)

2013年5月20—22日，通過利用抽水井穩(wěn)定流抽水試驗，取得的試驗參數(shù)數(shù)據(jù)為：單井出水量22 m3·h-1，穩(wěn)定水位降深3.54 m，穩(wěn)定水位延續(xù)時間24 h，單位涌水量6.21 m3·h-1·m-1，濾水管直徑325 mm，管井回灌試驗場地地下水靜水位埋深7.15 m，潛水含水層總厚度47.85 m。采用解析法計算含水層影響半徑、滲透系數(shù)等參數(shù)，利用潛水完整井經驗公式聯(lián)立求解，迭代法計算公式如下：

式中，K為含水層滲透系數(shù)（m·d-1）；R為抽水試驗影響半徑（m）；r為井管半徑（mm）；Q為單井出水量（m3·h-1）；H為潛水含水層總厚度（m）；S為單井穩(wěn)定水位降深（m）。

經計算，回灌場地含水層的滲透系數(shù)為3.13 m·d-1，抽水試驗影響半徑為86.6 m，大于兩井間距55 m，處于兩眼井相互影響范圍內，是比較理想的間距設計。

2.3 工程布置

回灌試驗井按一抽一灌布置，即水井J1為抽水井，同時采用三通閥門控制水量技術，對水井J2進行回灌。井間距23 m，正好在抽水試驗影響半徑范圍內，設計方案有利于提升水井回灌量。

回灌試驗按如下設計進行：1）回灌孔、抽水孔水位可測量；2）回灌量可調節(jié)、可測量；3）定流量數(shù)值按設計水位高低而定；4）采用水表計量水量，水位觀測采用電測水位計?；毓嘣囼炃?，先對抽水孔做單孔穩(wěn)定流抽水試驗，抽水試驗結束，水位恢復至抽水前的初始水位后再做回灌試驗。

2.4 管井回灌試驗

（1）回灌試驗技術要求

試驗采用自然重力回灌法。

首先進行最大灌入量試驗（設計注水孔水位上升至孔口2 m時的灌入量為最大灌入量），穩(wěn)定延續(xù)一定時間后，再通過調節(jié)水量，進行不同水量、水位間的相關試驗。

水位、水量與水溫觀測：試驗開始前觀測抽水孔與注水孔的靜水位。試驗開始后，立即觀測抽水孔的水位，注水孔的觀測以水流入注水孔內的那一刻算起；水量觀測與水位觀測同步進行；水溫觀測在回灌試驗前3日進行靜水位、水溫觀測；試驗開始4 h內每30 min測1次，以后每2 h觀測1次。

（2）管井回灌試驗結果

依據(jù)抽水和回灌試驗結果和回灌試驗穩(wěn)定回灌量大小，選用與之對應的抽水量時的單位涌水量，計算單位回灌量與單位涌水量之比，以確定試驗第Ⅰ含水層組的回灌能力?；毓嘣囼炄〉糜嘘P參數(shù)分別為：靜止水位7.15 m，單井涌水量22 m3·h-1，單位涌水量6.21 m3·h-1·m-1，抽水與回灌試驗延續(xù)時間48 h，穩(wěn)定水位延續(xù)時間24 h,穩(wěn)定回灌量5.5 m3·h-1，回灌試驗井水位升幅2.07 m，單位回灌量2.66 m3·h-1·m-1，單位回灌量與單位涌水量之比為43%（河南工程水文地質勘察院有限公司，2013）。回灌試驗歷時曲線見圖4。

圖4 回灌試驗歷時曲線Fig. 4 Duration curve of recharge test

2.5 管井注入法回灌試驗效果分析

本次管井回灌試驗穩(wěn)定回灌量為5.5 m3·h-1，對比抽水試驗出水量22 m3·h-1，回灌量較小，回灌井穩(wěn)定水位升幅2.07 m，單位回灌量2.66 m3·h-1·m-1。從回灌試驗結果分析可知，單位回灌量與單位涌水量之比為43%，小于50%，說明本地區(qū)第Ⅰ含水層組含泥質細中砂含水層回灌能力較差。主要是含水層顆粒較細時，井管和含水層易產生較強的物理和化學的堵塞作用（黃修東等，2009），堵塞過程與滲流特征交互作用（杜新強等，2009），造成管井注入法回灌試驗效果較差。說明管井注入法回灌不適于在本地區(qū)使用。

3 結論

利用柳青河天然河床，以河水為水源，借助地表水和地下水之間的天然水頭差，在場地開闊及地勢自然坡降由高到低使河水自流條件下，自然滲漏補給地下水，河床可以及時清淤保持長期入滲，這種補給方法成本費用較低。新鄉(xiāng)市小店工業(yè)園區(qū)，包氣帶巖性為具有滲透性的粉細砂層、粉土層且厚度3.5～7.5 m，接受補給的含水層分布面積大于30 km2、總厚度大于40 m，這是重力法自然入滲補給地下水的必要條件。從試驗成果分析可知，地表河水回滲地下水效果較好，適宜本地區(qū)和類似地區(qū)推廣應用。建議今后可以選擇受降水、人工開采地下水影響較小的河谷平原地區(qū)，通過觀測井地下水位的變化取得更直觀的試驗效果。

小店工業(yè)園區(qū)開采含水層為粉砂、含泥質細中砂層，含水層顆粒較細，滲透系數(shù)較小，當水量集中注入水井時，水井及其附近含水層中流速較大，濾水管縫隙和含水層空隙易堵塞，使得注入水量不能很快通過濾水管進入附近含水層，也不能很快向外圍含水層擴散，影響范圍有限，故回滲效率僅為43%，回滲效果不明顯，說明本區(qū)不適合采用管井回灌補給地下水。建議本地區(qū)和類似地區(qū)不適宜推廣應用管井注入法。