潮白河河道地下水人工回灌包气带水分运移模拟*

白福高 刘明柱 刘伟江 陈 坚 文 一(环境保护部环境规划院，北京 100012)

地下水库是一种主动性、有目的性的储存、调节和利用地下水资源的工程措施。地下水超采已使地下含水层腾空了很大的蓄水库容，为建立地下水库创造了条件。此外，在水资源开发利用与水环境保护方面，包气带土壤水分滞留曲线非常重要[1]。研究包气带水分运移特征，建立地下水流数值模拟模型，预测不同回灌补水条件下地下水水分运移演化趋势，为地下水库工程设计及周边地下水环境安全保障提供技术支撑和评价的有效手段，意义显著。人工回灌过程中所发生的水-岩相互作用是影响回灌层地下水环境质量的重要因素[2]。李永涛等[3]研究指出，回灌过程中入渗速度随水层的厚度增大而增大，且入渗速度与回灌水头高度呈对数关系。根据潮白河河道开展的地下水人工回灌试验，分析试验场地水文地质条件，运用Hydrus-2D模拟软件建立适用于二维地下水数值模拟的水分运移模型，预测不同回灌补水条件下试验场地包气带水分演化的时空分布特征，为试验场地地下水库调蓄工程设计提供参考依据。

1 试验场地

1.1 场地概况

作为地下水库区，首先应具备足够的地表蓄水场地，地形较平缓，以便为地表水下渗补给提供足够的场地和时间，所以主要河流的河床及两侧冲洪积平原区、冲积平原灌区是较理想的库址[4]。试验场地位于潮白河冲洪积扇上，地下水资源丰富。为分析潮白河河道的回灌能力、查明潮白河河道包气带地层分布状况等内容，在潮白河河道内布设人工回灌试验场地，布设了地层勘探钻孔20余个，钻孔深度10～80 m不等，其中用以查明包气带地层分布情况的钻孔17个，用以观测人工回灌试验过程的水位波动观测孔8个(编号为G01-1、G02-1、G04-1、G05-1、G07-1、G08-1、G09-1、G10-1)，呈十字状分布，具体见图1。

图1 试验场地平面图Fig.1 Plan of the test site

试验场地内建立了10 m×4 m×6 m的回灌坑，坑底用粒径为10～20 cm的卵石铺垫，坑壁用木板支护，防止回灌过程中坍塌。回灌试验时间为15.0 d。试验过程中的补给水源为回灌坑西侧100 m外的基岩水源井，可稳定提供试验所需的水源。

1.2 场地地层划分

ROCKWORKS三维成图软件在三维地质成图方面有许多特别的功能[5]。本研究根据钻孔资料，采用ROCKWORKS三维成图软件进行试验场地地下结构的划分，具体见图2。试验场地地层岩性主要为粉质黏土层、卵石层、卵石填土层、细砂层等，其中卵石层占据了相当的厚度，其次是弱透水层——粉质黏土层，总体渗透能力较强。

1.3 回灌试验观测数据

回灌试验共进行15.0 d，在回灌过程中对钻孔水位数据进行实时监测，选取典型观测孔水位波动数据绘制钻孔水位标高波动，具体如图3所示。

2 模型的建立

2.1 模型概化

模型总模拟深度约为42 m，其中潜水埋深为40.103 m。模型运行时间为15.0 d，结果分12次输出。模拟采用Ven Genuchten模型进行数值计算[6]。模型建立过程中针对水流区域进行不规则三角形网格剖分，根据模拟范围，确定模型剖分方式为：三角形网格边长为2.7 m，整个模拟区域被剖分成1 793个不规则三角形网格、953个剖分点。模型的基本框架如图4所示，因细砂层相对较薄且不连续，遂在进行模型概化过程中省略了细砂层。模型建立过程中设置两个观测点，其中观测点1位于回灌坑的正下方潜水表面，观测点2位于距离观测点1水平方向8 m的位置。

图2 试验场地地层岩性分布Fig.2 Stratigraphic distribution of the test site

图3 典型钻孔水位标高波动Fig.3 Level fluctuation of typical drilling

图4 模型基本框架Fig.4 Basic framework of the model

2.2 模型条件与参数

通过Hydrus-2D模拟软件的菜单Condition/Initial Conditions/Water Flow IC给定水流初始条件，即整个水流区域的压力水头或含水率初始分布。压力水头需要根据实际试验过程中钻孔的水位变化情况经多次调整来确定。本次野外现场试验回灌坑内给定回灌水头为1.0 m。在后期的模拟过程中将改变回灌水头分别为1.5、2.0、2.5 m。从而分析和比较不同回灌水头条件下的回灌能力和效果。上表面给定大气边界条件。由于建模底部含有将近2 m的潜水埋深，遂给定为自由边界条件。建模区域两侧的条件根据模型需要给定为可变边界条件。根据钻孔的水位实测数据，在建模过程中确定观测点，以用来验证模型建立的可靠性。

2.3 可靠性分析

根据已给定的边界、分层情况等条件，开始进行模型的建立和运行，并根据运行情况适当调整模型参数。为了验证模型模拟的可靠性，可根据建模过程中设置的特殊钻孔的数据与试验数据(见图3)进行比较，验证其可靠性，具体模拟结果见图5。

比较图5与图3可观察到，观测点2处的水位抬升了约2 m，与实际水位抬升高度相符；在受回灌影响的时间尺度上，模拟结果与实际观测结果也保持一致。这说明，从时间尺度和水位抬升两方面充分验证了模型的可靠性。

图5 观测点2的水分运移情况Fig.5 Moisture migration in the simulated observation point 2

3 包气带水分运移模拟结果

3.1 实际回灌条件的下水分运移模型

对回灌水头为1.0 m时包气带水分运移进行了模型运行，限于篇幅，只选取了典型模型运行结果列于图6，其中P为包气带的负压，以所能支持水柱高度表示，单位为m。回灌补给约经过1.2 d开始影响地下水。随着时间的推移，影响范围逐渐扩大，回灌坑正下方形成水丘，与设想的水分运移规律相符合。

3.2 不同回灌条件下水分运移规律分析

不同回灌条件下，通过Hydrus-2D水分运移模拟软件模拟潮白河河道包气带水分运移情况。结果显示，在不同的回灌水头下，包气带中水分运移的趋势保持一致。不同回灌水头下观测点1处的压力水头、含水率变化分别见图7、图8。

图6 回灌水头为1.0 m时包气带水分运移典型模型运行结果Fig.6 The typical simulated moisture transport of vadose zone under 1.0 m injection head

图7 不同回灌水头下观测点1处的压力水头变化Fig.7 Pressure head variation of observation point 1 under different injection heads

图8 不同回灌水头下观测点1处的含水率变化Fig.8 Moisture content variation of observation point 1 under different injection heads

由图7可见：(1)回灌试验初期，观测点1处的压力水头呈稍微下降趋势，随后开始逐渐回升并不断抬升，最终基本保持恒定，此时压力水头平均抬升约1 m。(2)观测点1处压力水头所受影响的快慢存在差异。即随着回灌水头的抬升，压力水头的上升时间逐渐提前，压力水头趋于稳定的时间也逐渐提前，同时达到稳定后，压力水头在数值上也呈现逐渐提高的趋势。

由图8可见：(1)回灌试验初期，观测点1处的含水率呈短暂上升趋势随后开始下降，之后主要受回灌试验的影响，含水率迅速抬升，达到一定程度后保持不变。(2)含水率短暂上升达到第1个峰值的

时间点、含水率下降至最小值的时间点以及迅速回升达到稳定的时间点随着回灌水头的抬升而不断提前。

4 结论和建议

(1) 潮白河河道包气带分层情况相对简单，以卵石层为主，其中夹杂着粉质黏土、卵石填土、细砂层，总体渗透能力较强。

(2) 当回灌水头为1.0 m时，回灌补给约经过1.2 d开始影响地下水。

(3) 观测点1处的压力水头呈稍微下降趋势，随后开始逐渐回升并不断抬升，最终基本保持恒定，此时压力水头平均抬升约1 m。

(4) 建议水资源回灌过程可在下游适当采取拦截工程，使回灌水头稍微提高，从而达到快速入渗的效果，以减少地表水资源的蒸发损失。开展华北平原地下水污染防控工作中，涉及处理后污水回灌工程时，可参考本研究的相应结果，为华北平原地下水的防控工作提供基础资料。

[1] 王金生，杨志峰，陈家军，等.包气带土壤水分滞留特征研究[J].水利学报，2000(2)：1-5.

[2] 石旭飞，张文静，王寒梅，等.人工回灌过程中的水-岩相互作用模拟[J].吉林大学学报(地球科学版)，2013，43(1)：220-226.

[3] 李永涛，王文科，肖建英，等.非均质条件下河流包气带水分运移的原位实验[J].安全与环境学报，2012，12(3)：134-137.

[4] 徐建国，卫政润，张涛，等.环渤海山东地区地下水库建设条件分析[J].地质调查与研究，2004，27(3)：197-202.

[5] 童艳光，刘春明，柳建新.ROCKWORKS三维成图在物探中的应用研究[J].物探化探计算技术，2007，29(2)：167-170.

[6] 何晓文，许光泉，李青青.充填结构包气带水分运动参数实验研究[J].地下水，2012，34(6)：13-16.