巨野县六营灌区地下水回灌试验

(1.巨野县麒麟镇人民政府，山东 巨野 274900;2.巨野县水务局，山东 巨野 274900)

巨野县是山东省菏泽市下辖县，地处鲁西南大平原腹地，位于菏泽东部，因古有大野泽而得名。全县辖15个镇、2个街道办事处、1个省级经济开发区，人口101万，总面积1308km2，耕地面积114.9万亩。巨野县地处菏泽市引黄灌溉区域的最下游，农田灌溉使用的是上游引黄的尾水，是水资源严重匮乏的灌溉农业县。全县农业灌溉用水占总用水量的70%以上，随着自然条件的变化、人口的增长、经济社会的发展和城镇化水平的提高，各部门用水量将会急剧增加，水资源供需矛盾将日益突出。同时，巨野县无调蓄工程，地表径流得不到合理利用，加之河源来水时空分布不均，作物需水期河流来水量少，造成灌区作物生长发育期的“卡脖子旱”和季节性缺水的严重局面。因此，地下水改造潜力很大，通过灌区地下水回灌改造，能有效缓解水资源供需矛盾，解决长期水资源紧缺的现状，为实现全县节水型农业打下良好基础。

典型试验小区选在巨野县城东南约10km处的巨野县六营灌区。试验区面积为4125亩的封闭区域，地下水静水位埋深28m，表层大多为砂质壤土。巨野县属北温带半湿润性大陆季风区，四季分明，光照充足，温度适宜，雨热同季，适合农作物生长。六营灌区位于巨野县东部、麒麟镇南部，是一座综合性农业灌溉区域，此处可利用地表水源丰富，渠系发达，有可靠的回灌水源，因此适宜作为典型性试验区。灌区内多年平均降雨量673.4mm，最大年降雨量为1993年的1229mm，最小年降雨量为1988年的303mm，丰枯比为 4∶1。

图1 回灌井断面图(单位：mm)

1 试验设计与过程

1.1 试验设计

试验于2017年7月进行，尚未进入大规模降水月份，选择连续晴朗无降水天气以减少降雨对试验的影响。回灌井断面尺寸见图1，井深H为1.5m，井半径r为0.3m，初始静水位离地面1.4m，井的一侧布设4个观测孔(A、B、C、D)，与井的边缘距离依次是0.3m、0.9m、1.8m、3.0m。初始水位和设计水位差是1.27m，由于试验地区较为湿润，不考虑地面蒸发及水面蒸发。

1.2 试验程序

试验期间，每日上午8∶00对水位进行观测，观测后将井内水位增加至设计水位，之后每隔1h观察一次，午后14∶00观测一次，然后将水位增加到设计水位，仍然每隔1h观测一次，20∶00以后不进行观测，每日重复观测程序，至各观测点水位稳定为止，共进行了5天的持续观测。

2 试验数据处理分析

2.1 入渗过程曲线分析

从观测结果(见表1)可以看出各个观测点水位随时间的变化过程，随着试验时间的延长，水位变化开始趋于一致，而各观测孔的水位变化却表现出极大的差异性：同一时间段内，观测孔水位的上升幅度与观测孔和井的距离呈反相关，并随回灌时间的延长而减小，最终处于相对稳定状态。

2.2 回灌量、试验时间节点与井水位之间的相关性

因为试验最后1天的各观测点水位趋于稳定，因此，取此日的数据进行分析，试验自下午14∶00到晚上22∶00。

表1 第5天试验观测数据

注t为观测时段；T为累计回灌时间,h；H为井中水位,m；V为井中水位下降速率,m/h；W为累积回灌水量,m3；Q为入渗,m3/h。

由表1可知，随试验时间的推移，回灌的入渗率Q渐渐变小。分析其原因主要有：井水入渗到周围土层，井中水位下降导致回灌的水头和面积减小；周围土层因回灌水入渗导致水位抬高，两者间的水力坡降变小，导致回灌入渗率变小。随着时间的增加，补给水量增加，但生长速率逐渐减小，即曲线的斜率逐渐减小。

2.3 通过试验数据计算水文地质参数

试验区按照非完整井条件设置，因此，可以近似地看成潜水层隔水底板无限深，按照非完整井公式，得到水量公式如下：

(1)

则变换为K的表达式为

(2)

式中：K为渗透系数,m/d；Q为回灌入渗率,m3/d；S为井中水深,m；H1为潜水面到井底的距离,m；H为潜水含水层的厚度,m；r0为回灌井的半径,m；R为影响半径,m。

利用第5天稳定时段的观测数据计算：Q=0.181m3/d，H=0.79m，S=0.69m，r=0.3m。

利用式(2)计算渗透系数K：K=0.0408m/d(4.722×10-7m/s)

3 试验井水位对试验的影响

3.1 建立模型

通过回灌井的结构及尺寸，计算入渗系数K，利用式(1)得到不同井水深度的入渗量(见表2)，并对数据建模和分析。依据裘布依稳定井流公式，在井底井壁同时进水的非完整井条件下可计算出水量与抽水降深的关系，两者成二次抛物线相关，假设关系如下:

表2 不同水深时井的入渗率

续表

注H1为井中水位到井底的深度,m；S为井中水深,m；R为影响半径,m；Q为回灌入渗率,m3/d。

Q=aS+bS2

(3)

采用最小二乘法对系数进行拟合，得到a=0.1495，b=0.1168。

该表达式具有很好的相关系数(r=0.9797)，见图2。

图2 Q-S关系

3.2 拟合公式的应用示例

通过拟合的公式，可以得到0.6m井径的回灌井在采水条件下，使用回灌井补给地下水的入渗量。按照地面积水时间为2天计算，得到单井入渗量如下：

W=Qt=(0.1495S+0.1168S2)t

(4)

式中:S=1.4m；t=2天。

因此，单位面积的补给水量为3098mm，为降水量的16.5倍。由此看出，采用大井作为补给井，补给效果十分明显。

4 结 语

地下水回灌的作用主要有：ⓐ防止地震和增加地热资源等向地下注水；ⓑ地表水常含有许多悬浮物、有机质和细菌，不符合供水要求，将地表水通过回灌，使之转化为地下水，在其渗漏过程中，经过土壤的过滤和净化作用，使水质得到净化；ⓒ冬季向地下灌注冷水，夏季开采用于冷却降温，或夏季向地下灌注热水，冬季开采用于取暖；ⓓ控制和提高地下水水位，防止由于地下水水位大幅度下降导致水质恶化、地面下沉或海水入侵等不良后果；ⓔ利用地下的巨大容积，调蓄河道部分洪水及非用水季节的径流，代替修建地上水库；ⓕ对于含盐量过高或含有其他有害物质的地下水，通过打井抽排劣质水、回灌优质水，可逐渐改善地下水质；ⓖ增加地下水资源。

巨野县地下水资源严重短缺，多地已形成地下水漏斗，地下水下降漏斗的持续存在和扩展会产生一系列不良后果：水位下降，水源枯竭，水井报废；原提水机具失效，增加抽水投资；地面沉降、地裂、地面塌陷等严重问题；形成地域性地下水水位的不断下降，导致一些天然泉水的干枯；浅层淡水与咸水交替分布区，因过量开采，使淡水水压降低，导致周围咸水向淡水水体挤压，上面的咸水水体向下入渗，下面的咸水水体向上顶托补给，逐渐使淡水水体或淡水层的水矿化度增高，水质变坏；近海地区，由于下降漏斗的扩展，破坏了咸水体的天然平衡条件，引起海水倒灌，或沿构造破碎带入渗，造成淡水水质恶化；造成地下缺氧，威胁地下施工人员的人身安全。

本次试验通过试验数据分析，得到了巨野六营地区的土壤入渗性能，试验结果表明：利用当地灌溉机井和坑塘蓄水对浅层地下水回补是可行的且效果明显，可以增加浅层地下水的含量，并且通过资料得到的渗透系数与其他方法得到的数值相符，因此具有可靠性，可以用作试验生产的参考值。

通过选取代表性点位，对巨野县不同地下地质构造准确测定土壤渗透系数等指标，一方面可为当地科学规划设计、建设实施集中式地下水回灌工程提供准确的基础数据，另一方面结合当地海绵城市建设要求，提供不同地下土层的入渗能力、地下蓄水空间调蓄程度等基础指标，为合理布置分散式地表径流雨水入渗设施(透水型路面、渗透型下凹式绿地、植草沟、雨水花园、生态树池、渗沟等)提供扎实的科学依据。在巨野县地下水回灌建设过程中，地下水回灌的水源选取是另外一项重要考虑因素，源头地表径流雨水、河道地表水、城镇污水厂处理后达标回用水等均是回补的源头，如何结合当地地下土壤类型、性状、环境容量来合理判别回补水的水质，将是下一步重要研究内容，本文研究成果为此后续研究提供基础铺垫。

入渗井应用广泛，施工简便，在当地数量较多，干旱季节也可作为应急灌溉井使用，因此是地下水回灌的合适途径。本试验未对回灌方法的经济性进行分析，建议依托渠道，在进行灌溉的同时进行地下水的补给，补给方式的选择还需进一步研究。