地下水人工补给井研究综述

李 伟，李砚阁，龙玉桥

(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

水井补给是人工补给深层承压水的主要方式之一，亦是人工直接补给潜水的最有效方式之一，当包气带存在弱透水层时更是如此。此外，在建成区、工业园区等人工建筑密集区实施地下水人工补给时，由于土地资源限制，地表补给方式通常难以实现，因此一般采用水井补给方式。笔者对国内外地下水人工补给井设计建设、模拟试验、井流计算等方面的研究进展进行了综述，指出当前研究存在的问题，并展望了地下水人工补给井的应用发展前景。

三要以学生为中心，完善各项管理制度，推进规范化、科学化、精细化管理，把安全放在改善办学条件的重要位置。

1 地下水人工补给井设计研究

1.1 补给井建设经验

补给井的规划设计因地而异，区域性差异较大。Sivanappan［1］给出了在印度建设补给井的一般设计原则:井孔直径为50 cm，井管直径20 cm，需要揭穿潜水含水层约30 m，井管外填充级配良好的滤料层;在补给井顶部需要开挖6 m×6 m×6 m的过滤池，池内依次铺填磨圆砾石、碎石以及细砂;为了防止洪水入渗时气体阻塞，通常需要在补给井口加装直径为75 mm的导气管。如果采用加压方式注水，通常需要用水泥对接近地表段的补给井进行封闭处理［2］。Joseph等［3］指出，在美国加利福尼亚州建设补给井时，为了达到一定的补给能力，在补给水源经过适当处理条件下，补给井应部分揭穿含水层，这样也便于反抽洗井工作。如果补给水源未经处理，补给井应建设成包气带井形式，以便补给水在到达含水层以前能够流经足够远的距离，充分过滤净化。除非建设在高渗透性地层内，包气带井深通常约为3m。由于包气带井至少需要3m的底层净化距离，因此地下水埋深至少要达到6m才能采用包气带井形式。Mays［4］指出，在普遍情况下包气带井井深为10～50m，直径为1～2m。美国环境保护署(EPA)给出的典型包气带井井深为30.48～45.72 m，直径为1.83 m。

为减缓堵塞影响，补给井应具有滤料层，滤料层厚度在80～230 mm之间，但这也因地而异。加利福尼亚州曼哈顿海岸的滤料层厚度为600 mm，而在纽约长岛进行冷却水回灌时，最小滤料层厚度仅为50 mm。另外，补给水源的氯化处理也有助于保护井壁，减少生物堵塞［5］。根据堵塞发展程度不同，补给井需要定期抽水或者进行周期性机械与化学洗井以减轻堵塞影响，但是过度化学清洗也会导致补给井设备的腐蚀［6］。

1.2 补给井规范编制

国外补给井建设规划与设计通常体现在综合性补给区建设规划或设计规范中。目前，欧美等地区的发达国家侧重于技术规范的凝练总结，印度、南非等发展中国家侧重于宏观规划编制工作。美国土木工程师学会(ASCE)［7］的《地下水人工补给标准指南》概述了各类地下水人工补给工程建设中的关键环节，涵盖了补给井规划、设计、建造、运行维护及报废等多个方面，讨论了地下水人工补给中需要关注的技术、环境、法律及社会经济问题。虽然并没有详细阐述各类技术性问题，但系统阐述了地下水人工补给相关的各个环节，是地下水人工补给初期规划的重要参考依据。David等［8］阐述了ASR系统规划设计、建设技术、运行维护及相关水文地球化学问题，并重点论述了ASR系统建设技术和水质控制技术，为ASR系统建设提供了依据。Perez等［9］结合欧洲地下水人工补给工程建设运行情况，论述了地下水人工补给过程中的堵塞问题，包括堵塞过程、堵塞预防及治理、堵塞监测技术及预测方法。联合国教育、科学与文化组织有关人员［10］总结了世界各国经验，摘录了不同补给类型的成功范例［10］。印度为了推广地下水人工补给技术、增加区域地下水资源量，编制了全国地下水人工补给规划，确定了适合人工补给的地区。在农村地区，为充分利用丰沛的季节性降水，需要重点采用渗滤池、补给井等技术;在城市、丘陵及沿海地区，重点是雨水集蓄利用［11］。此外，澳大利亚有关部门［12］编制了《含水层储存与回采设计规范》、南非相关部门［13］编制了《国家地下水人工补给战略》。各国不同地区的《暴雨径流最佳管理措施手册(BMP)》中，也常见类似补给井设计规范［14-15］。

可以说，得改革开放风气之先的广州人，在物质生活水平提升之后率先营造了可以获得自我享受精神愉悦的文化氛围，展现出斗志昂扬、激情焕发、充满活力的崭新风貌，形成了影响和带动全国文化娱乐生活的“广式文化潮”。“喇叭裤、牛仔装、运动鞋、电子表、计算器、烫头发、迪斯科、邓丽君……‘广式潮流’引发的蝴蝶效应，像春风一样吹绿了全国城乡的角角落落，为正在从动乱和贫穷中走出的12亿国民送上了第一束五彩缤纷的时尚之花。”[2]26得改革开放风气之先的广州曾一度成为引领文化发展的“时尚之都”，被称为新潮而有活力的“流行前线”。

2 地下水人工补给井试验研究

在用地高度紧张的情况下，操场、活动空间与教学空间难以顺利地在平面上摆布开来，于是在空间组织上便采用建筑的围合去营造一个校园内的共享活动空间[7]。环形内院式校园，其校园空间模式为集中独栋模式，常常以一个单体建筑的形式呈现。这种类型的校园特点是节约用地，并可产生出极为紧凑的连续空间，校园建筑造型因地制宜，且常常利用屋顶空间，在密集的三维空间中尽可能布置更多的功能用房。对于占用较大面积的操场来说，在环形内院类型校园中常常会布置在顶层、内院与底层架空处。

为了解决地下水人工补给井工程建设、运行、维护过程中遇到的实际问题，原位观测与试验研究一直占据着地下水人工补给井研究领域的主导地位。在补给井工程调查研究方面，以色列开展了大量工作，成效显著［19］。Harpaz［20］对以色列补给井工程进行了总结，在参考大量前人研究报告的基础上，对补给井补给过程的水动力特征进行了描述，并研究了不同矿化度水的混合过程。由于实际补给井工程形式多样、目的不一，因此与之密切相关的试验研究会涉及雨洪资源利用、再生水净化、地面沉降［21-23］与海水入侵治理［24-25］、地表地下水联合调度［26］等多个方面。补给井补给过程中的堵塞问题一直是研究重点，早期研究以野外数据观测分析为主［27-28］，随着扫描电镜等技术手段的发展，室内物理模型试验及以此为基础的微观堵塞机理研究逐渐兴起［29-32］，同时堵塞过程数学模拟研究也大量涌现［33-35］。

b.地下水人工补给过程中的堵塞问题严重影响着补给工程效益，因此与之相关的模拟试验一直是热点领域，且试验成果丰富。但对补给井形态、优化布设等研究方向关注较少，研究程度不深，针对补给井形态的物理模型试验与数值模拟尚不多见。

3 地下水人工补给井流计算方法

3.1 解析法

a.欧美等地区的发达国家在补给井研究特别是ASR补给系统的规划设计、施工建设、运行维护等方面已较为成熟，相关技术规范也不断完善。印度、南非等发展中国家在区域性补给井规划编制、宏观战略制订方面也已开展了大量工作。相比之下，我国地下水人工补给井工作仍是以探索性建设为主，包括补给井在内各类工程构建技术仍以地方实践经验为主，缺乏科学性的总结归纳，一时难以大规模推广应用。

3.2 数值模拟法

数值模拟模型中，注水井、抽水井可归结为源汇项参与水均衡计算，因此只需给定流量，即可实现井流模拟。伴随数值模拟技术的发展，将注水井、抽水井归结为源汇项成为模拟井流的主要方式，应用广泛的MODFLOW WEL程序包正是采用了这一方式［60］。Majumdar等［52］认为基于源汇理论的水井概化方式可能是造成注水井理论研究缓慢的原因之一。国外近年开展的人工补给模拟研究中，无论是在山丘地区［61］、滨海地区［62］还是在半干旱地区［63］，仍广泛采用该模拟方式。国内也是如此，在济宁［64］、莱州［65］、大庆［66］等地下水人工补给模拟研究中均采用这一方式。当补给井直径较大或为混合井时，采用源汇理论容易造成模拟失真。针对这一问题，一些学者在井流研究中引入了能更好描述实际井管形状的源函数法和面源汇法［67-69］。陈崇希等［70］、胡立堂［71］、Chen等［72］提出了模拟多层混合抽水的“渗流-管流”耦合模型并逐渐推广应用;Mohamed等［73］、Qian等［74］也基于这一理论模拟了水平井流。周焱钰等［75］针对MODFLOW 处理承压含水层中混合开采井流量在各层分配上存在的问题，提出了流量权重迭代计算方法。雷宏武等［76］对包括渗流-管流法、流量权重迭代法在内的多种混合井模拟方法进行了对比分析。高渗透系数法(HKW)是模拟井流的另一方法［77］，它将井孔描述为一个渗透系数很大的介质体，从而将井孔含水层耦合起来，该方法的应用条件之一是假定井的截面接近网格截面，其不适用于大尺度网格剖分模拟［78］。对于大尺度有限差分网格不能真实模拟井内水位问题，通常应用Thiem公式校正［79-80］。早期井流模拟研究中，Prickett［81］将Thiem公式校正方法应用于电网络模型的井点处理，Peaceman［82］据此提出了井指数(well index)校正方法。国内，陈崇希等［83-84］依据不稳定井流理论，在考虑井周已形成拟稳定流的前提下，提出了正方形差分网格的井中水位校正公式，随后又相继提出了矩形网格和多边形网格的井水位校正方法。王旭升［85］建立了考虑自流井周围含水层存贮量释放的矩形差分网格自流井校正模型。

相比之下，我国地下水人工补给工程规划设计仍停留在科学研究阶段，较为系统的研究成果有:魏永纯等［16］在总结国内地下水人工补给经验基础上，较为系统地归纳了浅层地下水人工补给方法、设计原则，总结介绍了多种井型结构。田园等［17］对黄淮海平原农业区和城市工业区地下水人工补给试验的各种典型成果和经验进行了总结。李砚阁［18］系统归纳总结了国内外地下水库规划与建设经验，提出了我国地下水库建设区域性规划，研究了地下水库建设中的关键技术。目前，我国地下水人工补给工作还未形成系统的技术理论体系，既没有总体规划布局，也没有技术规范指导。

4 存在的问题

一般而言，补给井的注水过程可视为抽水的反过程，因此补给井流计算通常采用抽水井流理论。抽水井稳定流理论以1863年Dupuit公式的提出为标志，经过Thiem等的发展，到20世纪30年代已基本建立。抽水井非稳定流理论以1935年Theis公式的提出为标志，经过Boulton等的发展，到20世纪70年代已基本建立［50］。受到抽水井流理论研究的影响，注水井流理论研究并不多。Huisman等［51］给出了抽、注水井群共同作用下的稳定流解析解。在抽水试验难以开展地区，注水试验是测定水文地质参数的重要方法，这在一定程度上推动了注水井流研究的发展。Majumdar等［52］研究了承压含水层中注水量变化条件下的完整注水井流问题，同时考虑了井径及井损影响，应用Duhamel定理给出了上述井流问题解析解。Mishra等［53］采用分离变量法求解了承压含水层中变水头注水井流问题。在忽略注水井自身结构的前提下，空间源汇理论也通常用于补给井流计算，鲍戈莫洛夫等［54］对此进行了系统总结，给出了多种情形下的解析解公式。Bouwer［55］应用反向抽水井流理论研究了均一岩性下包气带井补给流量，并针对地下水位远低于包气带井底情形，给出了井内水深高于10倍井半径时的简化包气带井流计算公式。李旻等［56］、王玉林［50］建立了承压含水层循环抽、注水井流数学模型并求得相应解析解。在实际应用中，含水层补给井计算普遍采用Dupuit公式、Thiem公式、Theis公式等抽水井流公式［57-59］。

国内补给井试验同样集中在堵塞问题。阎葆瑞等［36］较早研究了人工回灌后引起的水质恶化及补给井堵塞问题，分析了水质变化及补给井堵塞的生物化学作用机理。吕宗宏等［37］在黄水河开展了深井补源试验和淤积试验。黄修东［38］采用室内砂柱试验详细研究了地下水人工补给过程中的物理及生物化学堵塞过程。李璐等［39］、路莹等［40］采用室内砂槽、砂柱试验模拟了浊水入渗过程中的堵塞问题。在地下水人工补给技术试验研究方面，谢娟等［41］在西安进行了自来水井灌试验，对回灌过程中的水质变化情况进行了分析。邵洪文等［42］设计了室内砂槽试验，模拟了均质潜水含水层抽、灌地下水过程，并对水文地质参数进行了对比计算。白峰青等［43］、贺屹等［44-45］提出人工补给深层地下水的SPD系统，即首先利用地表水补给浅层含水层，再把经过浅层含水层过滤净化的地下水补入深层含水层;通过室内对比试验，发现SPD系统有效降低了补给井堵塞程度。Pi等［46］分析了北京高碑店“土壤-含水层”系统处理效果。周世海等［47］对德州市地热水进行了加压真空回灌试验，得出回灌量与回灌压力的幂函数关系。张猛等［48］针对利用再生水补给地下水问题，提出组合式强化井灌工艺，通过土壤柱模拟组合式强化井灌系统，并协同臭氧氧化工艺对城市再生水补给地下水进行了试验研究。刘巍等［49］通过室内试验研究了城市再生水地下回灌后的水质变化，重点分析了土壤含水层处理系统(SAT)对再生水的净化效果。

c.实际应用中，补给井流计算主要依靠传统抽水井流理论，但对于包气带补给井、不完整补给井、反滤补给井等常用井型的流量计算，抽水井流理论难以解决，因此上述各类补给井流计算问题仍有待深入研究。

d.应用源汇理论模拟抽水井引起的失真问题已被关注。虽然各类模拟技术、水位校正方法在不断发展，但对于补给井的模拟方式仍以定流量为主，即在数值模型中人为设定补给量，对于变化补给水头条件下的补给井流模拟缺乏合理的模拟方法。

在上述风流流场及硫化氢浓度场耦合计算过程中，设置风筒出口风速均为10 m/s，根据掘进机割煤速度及煤层硫化氢赋存量，设置硫化氢涌出量为3.78×10-4 mol/(m2·s)，分别得到不同风筒位置下掘进工作面风流流场及硫化氢的浓度，如图2、图3所示。

5 结 语

地下水是我国重要的供水水源，地下水资源的开发保护日益受到重视，补给井是人工主动调蓄地下水资源的重要手段，但目前我国对补给井的相关研究较为薄弱。今后除需要继续开展补给井堵塞防治相关研究外，应加强补给井优化布设试验研究，提出适合再生水、雨洪水等不同水源补给的补给井结构、建设模式，同时应注重补给井模拟方法研究，研发能够合理反映补给井流动态过程的计算方法，从而实现补给效果的合理预测计算。在上述工作基础上，应加强补给井建设技术集成凝练，制定有关规范标准，促进地下水人工调蓄工作。

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