平度市地下水人工回灌补源试验研究*

2018-07-30刘贯群岳彩东王松禄孙运晓朱利文

中国海洋大学学报（自然科学版） 2018年9期

刘贯群, 岳彩东, 王松禄, 周恒, 孙运晓, 朱利文

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室, 山东青岛 266100；3.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东青岛 266100； 4.青岛水文水资源勘测局平度分局，山东平度 266700)

水源短缺是世界各地社会经济发展的重要限制因素之一。在以地下水为主要水源的地区，地下水超采现象十分普遍，这导致了水资源枯竭和水质恶化。地下水人工回灌是一种将地表水转移并储存到含水层中的技术，可有效解决水资源短缺问题。该技术在国内外应用范围广泛，主要包括补充地下水资源量[1]、防治海水入侵[2-3]、控制地面沉降[4-5]以及地下储能[6]等方面。

地下水人工回灌可分为地表入渗法和管井回灌法[7-8]，回灌方法的选择取决于水文地质条件。地表入渗法占地面积大，对回灌水质的要求不高，适用于地形平坦、地下水埋藏浅或地面土层渗透性好的地区[10]。管井回灌法占地面积小，对水质要求高，适合于地下水埋藏深、地面土层透水性差或受场地限制不能进行地表入渗的地区[9]。回灌井包括普通回灌井、ASR (Aquifer Storage and Recovery)井[11]、反滤回灌井[12]等多种形式。井的回灌方式分为无压回灌和压力回灌[13-14]，压力回灌要求回灌井管路密封，无压回灌不额外施加压力，是一种比较经济的回灌方式。在目前的人工回灌研究中，通常认为回灌与抽水没有实质性的区别，回灌是抽水的逆过程，一般将抽水井的计算公式用于回灌井计算中[15-17]。

地下水是平度市的主要供水源，2015年全市的地下水开采量约占总供水量的四分之三[18]。降水减少致使多年连续超采，水资源量不断减少，导致农田减产、部分工业停产，严重阻碍了当地经济的发展。由于城镇的发展规划和经济快速增长的需要，不可能对地下水的开采量进行限制，地下水人工回灌便成为恢复地下水位、增加地下水资源的必然选择。通过在研究区进行现场回灌试验研究，确定不同回灌井的适宜水文地质条件，确定回灌井运行参数，并探索回灌过程中渗透系数的变化规律，最终完善人工回灌技术，促进地下水人工回灌工程的实施和推广，为地下水人工回灌提供技术支持和借鉴。

1 研究区概况

1.1 研究区位置

研究区位于山东省平度市蓼兰镇(见图1)，场区地貌成因形态类型属洪冲积平原，海拔高程在17.67～16.14 m之间，整体地势为东北高、西南低。研究区内有现河流经，且自东向西横跨整个试验场地，现河为季节性河流，属于北胶莱河水系。

图1 研究区地理位置图Fig.1 The location of the study area

1.2 水文地质条件

试验场地的含水层为盖层较厚的潜水含水层，地下水为赋存于第四系冲积和冲洪积层中的松散岩类孔隙水。试验场地的地层结构自上到下分为4层，分别为素填土、粉质黏土、中粗砂和泥质砂岩。地下水主要赋存于中粗砂层，厚度为7～8 m，透水性较强。含水层的上覆粘性土层较厚，不利于大气降水和地表水对地下水的补给，透水性差的泥质砂岩构成了含水层良好的隔水底板，有利于地下水的聚积，地下径流补给是地下水的主要补给来源。地下水埋藏较深，潜水的蒸发量几乎为0。场地内农田面积广泛，主要农作物为小麦、玉米和少量蔬菜，地下水人工开采强度大，农业开采是地下水的主要排泄方式。

在进行回灌试验前，对7、9和10号井(位置见图2)进行抽水试验，利用稳定流公式和非稳定流直线图解法求解水文地质参数，具体结果见表1。

表1 水文地质参数计算成果Table 1 The results of hydrogeologic parameter

1.3 回灌方法和试验场地布置

研究区的农田面积广泛，耕地的不可占用性限制了地表入渗设施的面积，且地下水埋藏较深，含水层上覆弱透水厚，不宜使用地表入渗，因此采用管井回灌法。含水层渗透性较强，不需通过加压来增加回灌量，所以采用无压回灌的方式，不仅节约建设费用，还可简化操作过程。

试验场地的设施主要包括四个部分：回灌水预处理设施、输水管线、回灌井和观测井(见图2)。回灌水为蓄积在河道中的雨洪水，回灌水的预处理工艺为“沉降-消毒-过滤”，处理设施包括沉降池、消毒装置和袋式过滤器。回灌井分为反滤回灌井和普通回灌井，经过沉淀、消毒和布袋过滤后的水进入到普通回灌井，而进入到反滤回灌井的回灌水只需经过自然沉降和消毒处理。反滤回灌井的观测井为G1号井，普通回灌井自东向西分别为7、9和10号井，G6和6号井为7号回灌井的观测井，10号井仅在单独回灌9号井时作为观测井使用。

图2 试验场地平面布置图Fig.2 Layout of test site

2 反滤回灌井现场试验

反滤回灌井是一种将反滤功能和回灌功能集中一体的新型回灌设施，常布置与河道中，适用于回灌水质好、包气带薄的地区。反滤回灌井在结构上比普通回灌井多了一个回灌池，可以起到过滤回灌水的作用。在回灌时，普通回灌井只有井流过程，而反滤回灌井除了井流过程，还有回灌池处向下的渗流过程。试验所用反滤回灌井由2眼回灌井和1座回灌池组成(见图3)。

在2016年10月31日—11月2日，进行反滤回灌井试验，利用三角堰测量回灌流量，并记录观测井G1的水位，观测井G1到最近的反滤回灌井距离为4 m，试验结果如图4所示。

反滤回灌井流量的时间变化曲线可以分为非稳定阶段和稳定阶段。回灌初期为非稳定阶段，注入的水量除进入回灌井外，还填充于回灌池的滤料孔隙中，所以此阶段的回灌量大。当回灌池孔隙充满水时，为避免池内的水溢出，需要调节回灌水量，因此回灌量变化频率高。进入稳定阶段后，回灌水丘和回灌流量都相对稳定，反滤回灌井的回灌流量稳定为18.06 m3/h，回灌结束时，观测井G1的水位上升了0.30 m。

图3 反滤回灌井平面图(a)、剖面图(b)Fig.3 Planar graph (a) and profile (b) of the filter well

反滤回灌井的渗流过程包括回灌池的入渗过程和回灌井的井流过程，而普通回灌井只有井流过程。渗流过程主要受回灌池的面积和滤料渗透能力的影响，是反滤回灌井渗流过程的控制过程。由于试验场地大部分土地是农田，回灌池的面积受到了限制。回灌池的滤料层包括砂层和碎石层，碎石层的渗透性大于砂层，则水的渗流速度主要受砂层渗透性的影响。根据达西试验求得，该砂层的渗透系数为12.3 m/d，明显小于含水层的渗透系数，所以回灌水在滤料中的渗流速度小于在含水层的渗流速度。由此可知，在研究区的水文地质条件下，反滤回灌井的回灌能力小于普通回灌井。

图4 反滤回灌井流量与观测井G1水位的历时曲线Fig.4 The time curve of the filter well flow rate and the water level of the observation well

3 普通回灌井现场试验

3.1 间歇回灌与连续回灌试验

利用7号普通回灌井进行间歇回灌与连续回灌试验，以G6和6号井为观测井，考察间歇与连续两种运行方式的不同回灌效果。2016年11月2—5日进行间歇回灌试验，试验过程中，每回灌一段时间，停灌1.0～1.5 h，共间歇停灌4次，间歇停灌总时长5 h，试验结果如图5(a)所示。2016年11月7—13日进行连续回灌试验，回灌流量固定为11.43 m3/h，连续回灌140 h，试验结果见图5(b)。

利用单井回灌量q分析两种不同运行方式的回灌效果，试验过程中，单位回灌量的变化情况如图6所示。其变化特征为：无论间歇或者连续回灌，其单位回灌量都随回灌时间而降低；间歇回灌过程中单位回灌量的降幅小于连续回灌。

回灌量降低的原因主要是自然衰减和堵塞。自然衰减是指在回灌过程中，随着回灌时间的推移，回灌水丘范围扩大，回灌井周围的水位不断上升，水力梯度减小，使得回灌量也减小。堵塞的发生使得含水介质的渗透能力降低，从而使回灌量减小。回灌量的影响因此还包括回灌方式、回灌井结构、回灌时长、含水层岩性等。

分析认为，即使没有发生堵塞，回灌量也会因为水力梯度的降低而减小，所以无论间歇或者连续回灌，其回灌量都随回灌时间而降低。随着回灌的进行，回灌井周围的水力负荷较大，含水介质骨架压缩，使得含水层的孔隙减小，导致井的回灌能力下降，单位回灌量降低。而间歇回灌可以暂时减小含水层的水力负荷，使得含水介质发生弹性恢复，防止介质孔隙进一步被压缩，从而减缓井回灌能力下降的趋势[22-23]。

图5 7号井间歇回灌(a)和连续回灌(b)的水位与流量历时曲线Fig.5 The curves of water level and flow rate in intermittent recharge test (a) and continuous recharge test (b)

综上所述，间歇回灌虽然无法阻止回灌井回灌能力的下降，但可以在一定程度上，恢复和维持回灌能力，减缓其降低的速度。

图6 7号井不同回灌方式单位回灌量随时间的变化曲线Fig.6 The change curve of unit volume with time under different recharge modes of No.7 well

3.2 回灌井间距

根据抽水试验的结果(见表1)可知，研究区抽水时的影响半径约为70 m，为了尽量减少回灌井之间的影响，将10与9号回灌井的间距设计为75 m。在2016年11月7—13日对10号井进行回灌试验，此时段9号井也在进行回灌，分析两井在相同时段的水位变化(见图7)。

在10号井开始进行回灌试验之前，9号井已经回灌了43 h，受其影响，10号井的水位在回灌前由-1.16 m上升为-0.73 m。11月7—11日，10号井的回灌量为15.86 m3/h，10号井的水位基本稳定(1.20 m)；在同一时段内，9号井的水位呈上升趋势，由6.33 m上升为15.97 m。在11月11日11:30，将10号的回灌量增大为28.27 m3/h，则10号井水位由1.20 m上升为2.21 m；同一时段内，9号井的水位无明显变化。

9与10号井同时回灌时，其井水位的变化趋势各不相同，相互的干扰较小，两个井的水位按照各自的规律而变化。一般认为到回灌井的距离越远，受到影响越小[21]，因此建议在水文地质条件相似的地区进行的人工回灌时，回灌井之间的距离应至少在75 m以上。

3.3 最大稳定回灌量

本次回灌试验于2016年11月5日开始进行，直至11月13日停止。回灌井为9号井，在试验过程中，通过控制管路阀门改变回灌量，以确定井的最大回灌能力。9号井的初始水位为-1.10 m，试验期间回灌流量Q和9号井水位变化见表2。

图7 10和9号井的水位历时曲线Fig.7 Water level duration curve of No.10 and 9 wells

表2 9号井回灌过程中的流量和水位变化Table 2 The flow and water level changes of No.9 well

9号井的初始水位为-1.10 m，在回灌量为29.14 m3/h时，井的水位抬升为1.83 m。随着回灌量的增大，井的水位不断上升。当回灌量增大为40.09 m3/h时，水位达到15.79 m，此时水位埋深为1.08 m，回灌井几乎被注满。为了避免回灌水从井口溢出，将回灌流量调小为38.09 m3/h，水位先下降为0.58 m，然后随着回灌的持续，水位又上升。为了防止井溢，不断将回灌流量调小，直至试验结束。

根据回灌试验结果，参照井孔最大涌水量的推算方法[19-20]，分析回灌流量Q与水位升幅s为指数型：Q=a+blgs。通过图解拟合得出其关系为Q= 19.94+19.77 lgs(见图8)，当水位上升至含水层顶板时，水位升幅s为4.79 m，此时9号回灌井的稳定回灌量为33.4 m3/h。

图8 9号井回灌试验的Q-lgs曲线Fig.8 The Q-lgs curve of No.9 well

图9 7号井回灌的渗透系数衰减曲线Fig.9 The attenuation coefficient of the permeability coefficient of No.7 well

3.4 回灌过程中堵塞分析

3.4.1 潜水回灌井在7号井的连续试验过程中，回灌井的水位始终低于含水层顶板，则7号井为潜水回灌井。含水层的渗透系数根据公式(1)计算。

(1)

式中：K为渗透系数，m/d；Q为回灌流量，m3/d；R为影响半径，m；r为回灌井半径，m；hw为回灌井水位与含水层底板的距离，m；H0为含水层厚度，m。

含水层堵塞导致渗透系数降低，渗透系数随时间的变化见图9，其变化特征：回灌前期逐渐降低，随后基本保持不变。分析渗透系数降低的原因为：(1)在回灌过程中，回灌井的水位较高，井附近的水力梯度大，水的渗流速度快，含水层颗粒介质发生了重新排列[24-25]，使得含水层压密，含水介质孔隙减小，从而导致含水层的渗透性能降低。(2)现场回灌过程中，回灌水中含有少量气泡和悬浮物，使含水层发生了堵塞，降低了含水层的渗透系数。

利用Bianchi提出的概括性方程[26]，描述回灌井渗透系数的变化情况，该方程可表示为公式(2)。

K=K∞+(K0-K∞)e-λt。

(2)

式中：K0为初始时刻的渗透系数，m/d；K∞为终点时刻的渗透系数，m/d；λ为经验参数，代表含水层的堵塞速度，h-1；t为回灌时间，h。

通过拟合求得渗透系数随时间的变化规律为K= 40.61+ (64.85-40.61)e-0.03t，渗透系数的衰减并不严重，可以继续进行回灌。

3.4.2 潜水-承压回灌井在9号井回灌过程中，井的水位超过含水层顶板(标高为3.69 m)，在井的附近出现承压水流区，9号井成为了潜水-承压回灌井。根据公式(3)计算潜水-承压回灌井的渗透系数。

(3)

式中M为中粗砂层顶板与底板之间的距离，单位为m。

渗透系数的变化特征明显(见图10)：回灌前期，渗透系数降低幅度大；随着回灌的进行，其衰减趋势逐渐变缓；回灌后期，渗透系数趋于稳定。分析渗透系数降低的原因为：(1)当流量较大、运行时间较长时，过滤系统的滤袋会出现破损的状况，导致悬浮颗粒物直接进入回灌井，引起含水介质发生物理堵塞，含水层渗透性能降低。(2)在回灌过程中，在9号井周围形成了承压段，水力负荷大，导致井的结构出现损坏，悬浮物进入含水层，进而发生堵塞。悬浮物堵塞一般在回灌的初期较为严重，在回灌后期，含水介质吸附悬浮物的能力较弱，渗透系数趋于稳定[27]。