南宫地下水库引渗回灌方式研究

徐宝同 刘立华

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

南宫地下水库引渗回灌方式研究

徐宝同 刘立华

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

南宫地下水库位于古河道带上，古河道砂层比较发育，河床相砂层厚度较大，粒径相对较粗，透水性好，是一个良好的地下水库储水空间。库区范围内溹泸河、清西干渠、九支渠等现状河渠，具有作为回灌场的有利地貌、地质条件。

南宫 地下水库 引渗回灌 研究

1 背景工程概况

南宫地下水库位于河北省南宫市古黄（河）、（大）清（河）、漳（河）故道处，库区面积206km2，库底埋深约34m，蓄水总量4.6亿m³（水位埋深3～34m）。

1.1 回灌场概况

南宫地下水库位于古河道带上，古河道砂层比较发育，河床相砂层厚度较大，粒径相对较粗，孔隙率高，透水性好，有较大的储水空间。库底为湖沼相壤土、粘土，库区东西两侧以湖沼相及泛滥相壤土、粘土为主，夹砂壤土，为相对阻水带，库区周边条件比较清楚，是一个良好的地下水库储水空间。库区内浅层地下水为第四系孔隙潜水，埋深15～28m。含水层上部主要为粉细砂、砂壤土层，水质属淡水～微咸水（局部有咸水），下部中细砂、细砂、粉砂层具有中等透水性，中细砂为主砂层给水度0.113，粉砂为主砂层给水度0.067。

库区范围内溹泸河、清西干渠、九支渠等现状河渠，具有作为回灌场的有利地貌、地质条件。

1.2 引渗水源和引水时段

南宫地下水库一期工程依托引黄入冀工程以黄河水为水源，通过清凉江扬水站扬水入清西干渠，后输水至库区回灌场。远期考虑需要与可能，通过扩建清凉江扬水站或自引黄入冀补淀工程总干渠东风渠引水入溹泸河等工程措施，充分利用地下水库的调蓄能力，扩大受益范围。亦可相机引蓄岳城水库或卫河汛期洪水作为地下水库可能水源。

通过水资源供需分析计算，结合凉江扬水站规模、回灌能力、水库库容等因素，确定引黄水量为3128万m³。清凉江扬水站规模为38.88万m³/d（4.5m³/s），一个引黄过程需向地下水库供水约80天，满足我省冬四月引水时段要求。

2 河渠入渗能力分析

河渠渗漏一般分为三个阶段，即湿润底土阶段、自由渗流阶段和顶托渗流阶段（稳定渗流阶段）。来水初期，渗漏水首先湿润渠底以下土层，随着湿润深度的增加渗漏量逐渐减小，地下水运动呈不稳定状态，且这一阶段持续时间相对较短，本次不再考虑该阶段的渗漏影响。

2.1 自由渗流阶段

（1）单位长度渗漏量计算

在自由渗流情况下，河渠的渗漏量主要决定于河渠断面形式、水位、渠床和下部土层的渗透系数等，在地下水与河（渠）底衔接前，河渠的渗流受地下水位的影响较小，渗漏量基本保持稳定。可采用下列公式计算：

式中，q为河渠单位长度渗漏量（m³/d/m）；

k为河（渠）床渗透系数，试验成果表明中心试验站处渗透系数为0.325m/d，根据地质章节溹泸河各钻孔平均综合渗透系数为0.085m/d，综合确定取为0.2m/d；

B为河渠水面宽（m），B=b+2mh；

A为根据渗流理论推导的来的系数，视断面形式而定，对于水面宽度较小的渠道，为方便计算有时近似地采用A=2，在水面宽度较大时，A值可达3～4，本次取2；

hk为为土壤毛管水上升高度（m），亚砂最大毛管水上升高度为1.2～2.5m，取1.8m。

首先分析现状河渠的入渗能力，溹泸河按照除涝规划断面清淤，清西干渠、九支渠按原设计断面清淤，自由渗流阶段各河渠单位河长渗漏量计算成果，见表1。

表1 各河渠单位河长渗漏量计算成果表

（2）顶托的判别

在河渠渗漏量保持一定时，向一侧排泄的渗漏量为，距离河道中心线处地下水的上升值可按下列公式计算：

式中，S为地下水上升值（m）；

x为距河道中心线的距离（m）；

q为河渠单位长度渗漏量（m³/d/m）；

μ为给水度，按综合给水度计，为0.07；

α为含水层压力传导系数，据试验成果取89m2/d；

t为时间（d）；

现状库区地下水埋深20～26m，为简化计算地下水位上升值均按20m计，则各河渠达到顶托入渗阶段的时间计算成果详见表2。

表2 各河渠达到顶托入渗所需时间表

由表1和2可知，单位河长入渗量越大，达到顶托渗流阶段越快，也就是说河道越宽、水深越大，越容易形成顶托。

2.2 稳定渗流阶段

试验成果表明，试验站处地下水埋深2～4m，试验成果为单位面积稳定入渗率2～5mm/h。本次优先利用现状的溹泸河、清西干渠、九支渠等河渠作为入渗场所，且地下水埋深较大，达25m左右，综合确定单位面积稳定入渗率采用3mm/h（折合0.072m/d）。

现有渠道回灌能力成果见表3。

表3 现有各河渠达回灌能力成果表

由上表可知，现有河渠回灌能力不能满足回灌工程要求。且溹泸河达到稳定渗流阶段仅用时5天，之后回灌入渗能力大大降低，从偏于安全角度出发，回灌方案拟定时不再考虑渠道自由渗流阶段的影响。

3 回灌井入渗能力分析

3.1 裘布衣公式法

根据《地下水动力学》，完整潜水注水井公式：

式中，Q为单井流量（m³/h）；

k为渗透系数，根据试验成果水平渗透系数取6.51m/d；

hw为井水位到底板的距离（m）；

H0为地下水位到底板的距离（m）；R为影响半径（m）；

rw为井的半径，按0.25m计。

3.2 经验公式法

根据《供水水文地质手册（第三册）》，在松散的含水层中灌水，单位回灌量一般小于抽水时的单位出水量。在细颗粒含水层中，单位回灌量是单位出水量的1/3至1/2。

回灌井入渗计算成果见表4。

表4 回灌井入渗成果表

根据《供水水文地质手册（第三册）》，天津地区细砂、夹粉砂含水层井灌试验成果表明，当静水位埋深35～40m，回灌水位埋深25～35m，即水头差10m左右时单井回灌量20～30m³/h。结合相关工程经验，本次采用偏保守的成果，即单井回灌入渗量为10m³/h。

4 引渗回灌方式选择

回灌工程按照优先利用已有工程、回灌与灌溉结合布置的原则，将渠道、回灌井入渗两种回灌方式，按照采用单一或组合的回灌方案组合进行比较,各方案比较成果见表5。

表5 各方案比较表

方案一（渠道入渗方案）：以清西干渠、溹泸河为回灌骨架，结合灌溉恢复中心试验区引水渠、乔村渠、清溹渠等作为回灌场，若不满足回灌要求局部扩宽溹泸河；

方案二（回灌井入渗方案）：以清西干渠、溹泸河为回灌骨架，结合灌溉恢复中心试验区引水渠、乔村渠、清溹渠等作为回灌场，若不满足回灌要求在原中心试验区集中连片布置回灌井；

方案三（结合方案）：清淤疏浚清西干渠、溹泸河、九支渠、中心试验区引水渠、乔村渠、清溹渠等河渠，将回灌井布置于河（渠）底。考虑回灌井与渠道入渗相互影响，回灌井入渗能力按80%计。

由上表可知，在相同的回灌能力条件下，方案三大大节省了占地，投资较少，故确定南宫地下水库回灌方案为井渠结合方式。

5 结论

（1）渠道自由渗流阶段入渗能力较大，但持续时间较短。

（2）回灌井入渗能力理论计算成果较经验值偏大，取用时按偏安全考虑。

（3）考虑库区地层颗粒上细下粗的特点，采用井渠结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

徐宝同（1987年—），男，助理工程师。