许昌市麦岭应急备用水源地人工补给研究

姜宝良， 郑晓团， 李春娥， 余晨， 张石磊

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045； 2.济源市蟒河口水库管理处，河南 济源 459000；3.济源市节约用水办公室，河南 济源 459003)

许昌市麦岭应急备用水源地人工补给研究

姜宝良1， 郑晓团2， 李春娥3， 余晨1， 张石磊1

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045； 2.济源市蟒河口水库管理处，河南 济源 459000；3.济源市节约用水办公室，河南 济源 459003)

麦岭水源地在枯水期(年)由于干旱少雨，降水补给少，水源地开采量增加，特别是农业灌溉开采量很大，会引起水源地浅、深层地下水位持续大幅度下降，影响城市供水安全。因此，必须引水补源，保证城市供水安全。本文通过对麦岭水源地水文地质条件的分析，结合水源地水源充沛，河流渠系发达，坑塘较多，含水层储存量大等有利条件，开展了双环渗水试验、浅井注水试验、渗坑注水试验、农田灌溉试验等人工补源试验研究。结果表明，在水源地开展人工补给对地下水持续开发利用具有重要意义。

麦岭水源地；人工补源试验；人工补给；地下水库

1 麦岭水源地水文地质概况

麦岭水源地位于北汝河冲洪积扇的轴部，地形平坦，沉积物主要为第四系冲洪积物[1]。根据含水层结构和埋藏条件，将本区含水层划分为浅层及深层含水层。浅层含水层主要由北汝河和沙河冲积和冲洪积形成，岩性为中粗砂，局部为粉细砂，含水层厚度10 m左右，渗透系数平均45.64 m/d，水位埋深2～4 m，开采区水位埋深最大达6～8 m；单井5 m降深涌水量在1 000 m3/d以上，局部为500～1 000 m3/d；麦岭以西含水层底板埋深为15～20 m，以东为25～45 m。浅层水主要接受大气降水、河流侧渗、灌溉回渗、侧向径流及深层水的顶托补给，以向深层含水层越流、潜水蒸发、农田灌溉和农村生活用水开采等形式排泄。深层含水层为第四纪中更新统北汝河冲洪积物，岩性为卵砾石层。含水层厚度为30～70 m, 降深5 m单井涌水量大于2 000 m3/d，导水系数在1 000 m2/d以上，属于强富水区。深层地下水主要接受浅层地下水的越流补给，目前主要以人工开采形式排泄。

根据水源地多年开采动态分析，水质稳定，水位受开采和大气降水影响，呈周期性变化，且能够以丰补欠，处于动平衡状态。麦岭水源地地下水的补给条件好，含水层厚度大，储存量丰富，调节能力强。但在枯水年会出现负均衡，应考虑引水补源工程，充分利用北汝河大陈库区丰富的地表水资源，进行人工补给，提高地下水的保证程度。

麦岭水源地地下水的储存量：浅层为5.055 8亿 m3，深层为24.311 9亿m3，合计29.367 7亿m3。可见，麦岭水源地地下含水层的储存量大，是一个巨大的地下水库。可充分利用这一优势和地下水具有多年周期性补给的特点，作为多年调节型水源地，在枯水期借用部分储存量，在丰水期通过地表水入渗补给地下水,把枯水期借用的储存量补偿回来，使地下水位控制在允许范围内，保证许昌市城市供水安全[2]。

2 人工补给可行性分析

地下水人工补给的研究理论与方法随着地下水科学的发展而发展。从基本理论到建立模型模拟研究,从定性研究到定量研究,再到数字化的成果展示,地下水人工补给的研究不断取得新进展。

由于水文地质条件、水源分布情况以及补给场地条件的差异,地下水人工补给的方式、方法有所不同。地下水人工补给的水源通常采用河渠水、排水、斜坡径流水、剩余灌溉水，其补给方式为地表入渗补给、诱导补给和地下回灌补给。

由于许昌市工、农业的快速发展和人口的不断增长，各种用水量相应增加，势必增大麦岭水源地的开采量。当麦岭水源地的开采量达到或超过允许开采量14万m3/d时，势必形成地下水位降落漏斗，特别是枯水期，地下水位持续下降，降落漏斗将不断扩大。在这种情况下，如果只依赖于地下水的天然补给，可能会出现环境地质问题和城乡用水矛盾，影响城市供水的安全。从长远考虑，为了防止地下水资源的不断减少，解决城乡争水问题，需要开发新的地下水补给源进行人工补给。在本区进行地下水人工补给，将控制地下水位下降和地下水降落漏斗的发展。

麦岭水源地位于北汝河埋藏型冲洪积扇的轴部，地下库容大，浅层地下水和深层地下水水力联系密切，地表岩性以粉土为主，有利于地下水的人工补给。该区地表水资源丰富，在位于水源地上游的北汝河上建有大陈闸，大陈闸库区最大库容1 225万m3，最小供水库容250万m3。目前大陈闸库区的水并没有完全利用，有一部分水通过大陈闸放入下游河道，即弃水。1979—2014年多年平均放水时间130 d，平均放水量16.76 m3/s；1985年放水天数最多，达333 d，放水量也最多，达71.0 m3/s；2013年放水天数最少，仅8 d，放水量仅1.05 m3/s。北汝河大陈库区地表水一般为Ⅰ、Ⅱ类水，只有个别时段由于上游生活、工业污染物排入河水，水质较差。通过加强对大陈闸库区及北汝河上游的水源保护工作，能满足人工补给的水质要求。因此，大陈水库可为实施人工补给提供符合回灌水质和水量要求的水源。

该区内包气带岩性由非均质的层状粉质黏土、粉土和砂组成，砂层多呈透镜体状分布。粉土和砂渗透性很强，而粉质黏土在土壤处于失水状态时，地表会产生大量张裂缝，有利于大气降水和灌溉水入渗补给。现状开采条件下，麦岭水源地开采影响范围内水位埋深6～8 m，预测未来开采条件下，水位埋深15 m左右。区内灌溉渠道发育，坑塘众多，将水库弃水通过现有的农灌渠系(一干渠及一、二、三支渠)，或灌溉农田，或改善生态环境，或专门用于人工补给地下水。

麦岭水源地开采深层承压水，含水层岩性为卵砾石层，厚度30～70 m,导水性和储水性好，调蓄能力强。深层水与浅层水水力联系密切，深层水主要来源于浅层水的越流，从地下水系统而言，深层和浅层水同属一个地下水系统，只是埋藏条件不同。整个含水层系统就是一个储存量很大且调蓄能力很强的地下水库，利用它的调蓄作用，按以丰补欠的原则控制开采和实施人工补给，枯水年(期)扩大开采量，腾出地下含水层储存空间，丰水年(期)减少开采和人为增加地下水补给，使水位得到恢复。

综上所述，麦岭水源地具备实施人工补给地下水的地形地貌和地质条件。该区水源充沛，河流渠系发达，坑塘较多，含水层储存量大等有利条件，应采取人工补给地下水措施，保持水源地持续利用。

在人工回灌方法上，采用地面水渗入补给是比较适宜的，不但技术上容易实施，而且成本低廉，效果也较好。在现有技术条件下，可以暂不考虑深井回灌方法。

3 人工补给试验

3.1 试验场地选择

根据地下水的人工补给条件、补给水源的分布和水文地质特征，试验场地选择的依据是：把补给地点选择在水源地西部的径流补给区以及包气带厚度大、岩性以粉土为主的北汝河东部、一干渠及各支渠、水源地附近。这样既有利于人工补给水源的入渗，又可以使补给水在地下通过较短的运移途径补给水源地开采区的含水层，从而发挥最大的人工补给效益，并可充分利用原有的水利工程和自然河道、沟渠、坑塘，通过自流的方式引用地表水，减少人工补给的投入。

3.2 人工补给试验

根据水源地的地形地貌及补给水源的状况，采用地面水渗入法，利用现有的坑塘、渠道、民井等集水工程设施，积蓄地表水，借助地面水和地下水之间的天然水头差，使之自然渗漏补给含水层，以增加含水层储量[3]。地面水渗入补给可因地制宜利用自然条件，以简单的工程设施和较少的投资获得较大的入渗补给量，在运行期间也比较容易管理和便于清淤，故能经常保持较高的渗透率。在水源地范围内选取适宜的地段进行人工补给地下水试验，开展双环渗水试验、浅井注水试验、渗坑注水试验、农田灌溉试验，通过试验结果分析水源地入渗补给能力，确定人工补给的可行性。根据水源地包气带岩性和河渠分布情况，布置14组渗水试验、3组灌溉回渗试验、1组渗坑注水试验、1组浅井注水试验，试验点的分布位置如图1所示。

图1 渗透试验点位置

3.2.1 双环渗透试验

向嵌入试坑内的双环注水，外环产生垂向、侧向渗流，内环只产生垂向入渗，排除侧向渗流的误差，当内、外环水柱都保持同一高度情况下，内环渗水量达到稳定时，单位时间内单位面积的渗水量即为该土层的垂向渗透系数。

根据双环渗水试验的数据资料，按公式法和图解法计算垂向渗透系数，结果见表1。

表1 麦岭水源地双环渗透试验结果汇总

根据麦岭水源地包气带岩性分区，计算各区平均渗透系数，Ⅱ区为2.826 2 m/d，Ⅲ区为3.190 1 m/d。根据所确定的参数值，按每年放水60 d计算,对浅层含水层的补给量可达9.3万m3/d。

3.2.2 浅井注水试验

浅井注水试验是用供水箱通过水管向井内注水，利用水位计测量井中的稳定水位，并记录流量。当达到相对稳定后，浅井周围可形成一倒置降落漏斗，根据相对稳定水位和注水量，计算渗透系数。

在大陈闸库区附近有地表水源的地段选取浅层井进行注水试验，根据试验结果计算得到松散层的渗透系数K=18.5 m/d，影响范围可达17 m[4]。

分析注水试验结果可知：由于地表水通过井孔直接补充进入地下含水层中，所取得的渗透系数较大，有利于地表水以井孔注水的方式补给地下水。每年按丰水年60 d的时间计算，年平均对地下水的补给量为0.8万m3/d。

采用井孔注水方法实施人工补给地下水，不仅回灌效率较低，而且随着回灌时间的延续，造成回灌井过滤管被堵塞，含水层渗透性下降。

值得注意的是，北汝河河道内某些河段，浅层含水层因被河道切割，直接出露或埋藏很浅。在河道内人工布置渗坑或渗井，为河水补给地下水提供通道，可以取得较好的补给效果[5]。

3.2.3 渗坑渗水试验

在表层干土中挖一试坑，坑底应离潜水位3～5 m以上，向试坑内注水，必须使试坑中的水位始终高出坑底约10 cm。求出单位时间内从坑底渗入的水量Q，再除以坑底面积F，即得出平均渗透速度v=Q/F。当坑内水柱高度不大(等于10 cm)时，可以认为水头梯度近似等于1，因而渗透参数k=v。

在水源的上游地段选取一段封闭渠道，向渠道内注水，并在渠道外侧布置水位观测孔。根据渗水试验结果求得渗透系数为1.76 m/d。

根据渗坑试验所得的渗透系数仅为1.76 m/d，远小于浅井注水试验确定的渗透系数18.5 m/d，主要原因在于渗坑尚未揭露含水层，影响地表水的入渗补给，若渗坑揭露含水层，其渗透系数会较大。

麦岭水源地各种坑塘较多(特别是麦岭村的沙坑，已揭露含水层)，面积较大，按有水时间60 d计算，其入渗补给量为0.32万m3/d。若将大陈闸库区弃水排入已有的坑塘中，对地下水的补给非常有利。

3.2.4 灌溉回渗试验

农田灌溉水的回渗是浅层地下水的重要补给来源，而灌溉回渗量受灌溉用水量、包气带岩性、结构构造、厚度、含水量及气象等多种因素影响。为了了解麦岭水源地附近农田灌溉对浅层地下水的补给作用，并为计算灌溉回渗量提供依据，在麦岭水源地附近进行了灌溉回渗试验。

此次进行了3组试验，灌前土壤含水率均偏大，水位埋深2.34～3.86 m，较麦岭水源地平均水位埋深及今后开采条件下水位埋深都小，实际农田井灌定额在每666 m2灌溉40 m3左右，并大都在干旱、土壤含水率低时才灌溉，因此本次试验计算的灌溉回渗系数偏小。依据试验区包气带岩性、浅层水位埋深、当地农田灌溉状况及3组灌溉回渗试验的结果，井灌回渗系数取值见表2。

表2 农田井灌回渗系数取值分区

如果现有灌溉渠道得到有效利用，农田灌溉受益面积可以达到5 333万m2。由于灌溉渠道系统没有发挥应有的作用，使本应采用地表水灌溉的农田改为井灌，增加了地下水的消耗量。如果采用地下水灌溉农田，在一般降水年份，每666 m2农田每年需要开采地下水160 m3，扣除灌溉回渗补给地下水量，实际消耗地下水144 m3，而如果改用地表水灌溉，不仅不需要开采地下水，还可以额外增加地表水灌溉回渗量。也就是说，如果将井灌农田的灌溉方式改为地表水灌溉，不仅可以减少地下水的开采，还可以增加地下水的补给。如果将农田灌溉渠网完全修复，将有5 333万m2农田由井灌改为地表水灌溉，相当于增加了2.72 m3/d的地下水资源量。由此可见，采用地表水替代开采地下水进行农田灌溉不仅节约了地下水，还增加了地下水的补给，对水资源的保护和利用是一种很有效的方式。

通过上述的4种试验结果分析比较，在水源地开展地下水人工补给符合试验要求，可以实施。

4 麦岭水源地地下水人工补给

4.1 地下水人工补给特点

地下水人工补给可以增加地下水资源量，控制地下水位降落漏斗的形成和发展及水位的持续下降；利用雨季的地表水进行回灌可起到防洪作用并利用了多余的弃水。同时，还可以利用含水层的储水空间(地下水库)蓄水，它占地少，比修建地表水库要经济；把水注入含水层中，可减少蒸发损失量，防止污染，还可以利用含水层的自净能力，对大陈库区地表水进一步净化。地下水人工回灌与农田灌溉相结合，可产生较大的经济效益和社会效益。

4.2 地下水人工补给的优越性

地下水人工补给，又称地下水人工回灌、人工引渗地[6]。地下水人工补给的实质就是借助某些工程设施将地表水以自流或用压力的方式注入地下储水层，以增加地下水的补给量，稳定地下水位或对水资源进行季节及年度之间的调节，保证地下水的充分利用[7]。与地面水库蓄水比较，人工补给对增加地下水资源量具有更大的优越性，二者对比见表3。

表3 地下水人工补给与地面水库蓄水比较

4.3 补给方式

根据大陈闸的水文资料，大陈闸往下游放水的时间多集中在雨季前后的4—11月份，可在这期间进行地下水人工回灌补给。这样既可增加地下水资源量，同时又可以作为防洪和充分利用雨季弃水的一项措施。根据研究区的水文地质条件和人工补给水源的分布及其他因素，实施人工补给地下水较适宜的方式有：

1)利用北汝河河道进行人工补给。

北汝河的大陈闸至横梁渡段，河流切割深度已达10～15 m，成“U”字型河谷，河床堆积物少，局部基底裸露，已基本切穿了上更新统浅层含水层。在横梁渡附近建拦水坝或橡皮坝，拦蓄来水，增加河水在河道的滞留时间和水量，增大地下水的补给量，同时也可以改善生态环境。

为了有利于地表水的入渗，可在北汝河河床施工大口径渗井，深度15 m左右，揭穿浅层和深层之间的越流层，河水可直接补给深层地下水。

2)利用沟渠进行人工补给。

大陈闸库区一干渠及一、二、三支渠，特别是二、三支渠，从水源地的西部通过，利用方窑闸将水库的弃水放入上述渠道及其附近的沟渠、坑塘，增加地下水的补给。

3)利用地表水进行灌溉。

大陈闸水库的水没有得到完全利用，部分以弃水形式排放至下游河道。区内农灌渠网发育，通过一干渠及其一支、二支和三支等支渠将大陈水库水引入到茨沟、丁营、姜庄、麦岭等地，用于农田灌溉。但区内原有的灌溉渠道已经遭到不同程度的破坏，没能发挥应有的作用，渠系灌溉受益面积减少，2000年以后完全荒废。应充分利用弃水，修复现有的农灌渠网，鼓励农民用地表水灌溉农田，地表水通过农田灌溉回渗补给浅层地下水，再以越流形式补给深层水，最终起到补给深层地下水的作用。

目前，水源地内的农田大多利用浅井进行灌溉，应充分利用现有的灌溉渠系，引用地表水进行灌溉，这样既减少了对地下水的开采，又增加了地下水的补给。

4)利用麦岭岗的沙坑进行人工补给。

由于人工挖沙，麦岭岗已形成近33.3万m2的大沙坑，坑壁和坑底均为冲积形成的分选较好的中细砂，揭露了浅层含水层，其渗透性好。沙坑深度5～10 m，总面积3.22 km2(约483亩)，二、三支渠距沙坑很近。将大陈闸库区地表水通过二、三支渠很容易引入该沙坑内，其位置又在水源地的中心地带，对地下水的补给是非常有利的，其渗漏补给量相当可观，同时也可以改善生态环境[8]。

5 结语

利用自然存在或人工修建的坑塘、沟、渠和地表水库，使地表水在重力作用下渗透补给地下水是一种接近天然的补给方式，补给效果较好。麦岭水源地内灌溉渠道、坑塘众多，特别是麦岭的巨大沙坑，有符合人工补源水质要求的地表水，地表岩土渗透性好。这些将有利于实施水源地地下水的人工补给。

麦岭水源地地下水储存量总计29.367 7亿m3，其中浅层水储量为5.055 8亿m3，深层水储量为24.311 9亿m3。地下含水层就是一个巨大的地下水库，可充分利用这一优势和地下水具有多年周期性补给的特点，作为多年调节型水源地，在枯水期(年)动用部分储存量，在丰水年(期)采取人工补源措施，使枯水期超量开采的地下水得到补偿[9]。

因此，必须加快地下水人工调蓄工程建设，利用水源地地表水资源丰富、地下储水空间大的特点，实现地表水与地下水联合调蓄，保证水源地特别是严重干旱年份的供水安全。

[1]姜宝良，张怀军．埋藏型冲洪积扇区供水水文地质勘察研究[M]．北京：中国大地出版社，2003:34-35.

[2]姜宝良，于福荣．严重干旱大型水源地地下水资源评价及应急供水研究[M]．北京：地质出版社，2015:31.

[3]林学钰，廖资生．地下水管理[M].北京：地质出版社，1995:66-67.

[4]田光辉，曾梅香，阮传侠.天津地热资源开发利用动态特征浅析[J].地下水，2008,30(5):28-31.

[5]华北水利水电大学．许昌市麦岭水源地应急供水研究[R].郑州：华北水利水电大学，2015:30-31.

[6]张明泉，曾正中.水资源评价[M]．兰州：兰州大学出版社，1994:16-17.

[7]尹承怀，倪深海．地下水资源管理[M]．北京：中国水利电力出版社，2001：36-37.

[8]刘增进，胡伟利.河南省农业水资源污染与防治研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版)，2014,35(2)：12-14.

[9]姜宝良．地表水与地下水联合优化管理调度研究：以河南省许昌市为例[M]．北京：中国大地出版社，2003：168.

(责任编辑：乔翠平)

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

姜宝良(1962—)，男，河南宜阳人，教授，硕导，从事水文地质、工程地质、环境地质等方面的研究。E-mail:1801521595@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.009

TV213.9

A

1002-5634(2017)01-0041-06