南宫地下水库回灌方式适宜性分析

2022-02-13田晓华陈文婧田战辉宋浩楠

西部探矿工程 2022年1期

田晓华，陈文婧，田战辉，宋浩楠

(河北省水文工程地质勘查院，河北石家庄 050021)

“引黄入冀”工程，设计年入境引水量为5.0×108m3，但实际年平均引水量仅为2.0×108m3，除水价等因素外，引水时段与灌溉季节不匹配、缺乏相应调蓄工程是河北省未用足用好引黄水的主要原因。而地下水库是优化水资源配置的一种重要手段。可以解决水资源匮乏，调节水资源时空分配，加大对地表水资源的截流，提高对区域水资源的利用率[1-2]。利用地下水库可为引黄水调蓄提供巨大的存储空间。将引黄水快速有效渗入地下，存储在地下水库库容内，适时进行开采，解决引采存在时间差的问题。

南宫地下水库就是典型的古河道型地下水库，以古黄河、大清河、漳河沉积的细砂、粉砂为储水介质，是理想的储水空间[3-4]。笔者借助南宫地下水库建设前期的大型回灌试验契机，综合考虑各类影响因素，构建回灌方式适宜性评价指标体系，开展南宫地下水库不同人工回灌适宜性评价，以期为南宫地下水库的建设提供科学依据，同时为支撑河北省地下水超采综合治理工作，用足用好引黄水及当地地下水环境的改善提供新的思路。

1 研究区概况

南宫地下水库位于河北省南宫市东南部，距南宫市区约30 km，地处黑龙港地区，古黄（河）、（大）清（河）、漳（河）故道处，属古河道型地下水库。南宫地下水库所处区域属温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，年内温差大，四季分明，春季干旱少雨，夏季潮湿闷热。多年平均气温13 ℃左右，年内气温波动较大；多年平均降雨量为495.5mm，降雨量主要集中在6～10 月，约占全年总降雨量的60%以上。库区南北长约20km，东西宽约10km，面积约253km2。

库区内砂层比较发育，河床相砂层厚度较大，包气带岩性以砂夹粘性土为主，降水入渗系数0.20～0.35。孔隙率高，透水性好，地下水位埋深在15～30m。含水层以多层结构为主，厚度约2～20m，岩性多为粉砂、细砂。库区南部富水性较好于北部，单井涌水量一般在300～1000m3/d，北部多为100～300m3/d。区内地下水化学类型复杂，以重碳酸盐、氯化物—钠镁型水为主，矿化度一般在1.0～3.0g/L。库底埋深约34m，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，是一个良好的地下水库储水空间。

2 研究方法和数据

2.1 数据来源

本次试验水源为岳城水库水，经溹泸河进入南宫境内，由南向北至清西干渠后，受南王庄枢纽控制，一部分进入溹泸河北段，继而进入乔村渠北段，另一部分进入清西干渠，后受试验站渠闸控制分别进入试验站渠和乔村渠南段。见图1。

试验采用三种回灌试验方式进行：于溹泸河北段、乔村渠、试验站渠两侧共布设8条监测断面，进行河渠回灌方式监测；于溹泸河北段及乔村渠南段附近布设10组井灌监测断面，进行井灌方式监测；并于试验站渠东侧布置一面灌试验场（409 亩），进行面灌方式监测。井灌及面灌试验场水源均就近取自河渠水。

累计进入南宫市境内的试验总水量为570.91×104m3，其中溹泸河北段及乔村渠北段的试验水量为235.24×104m3，试验站渠试验水量68.96×104m3，乔村渠南段试验水量32.81×104m3，面灌试验场试验水量58.95×104m3，其余水量为溹泸河南段及清西干渠输水消耗水量。

2.2 研究方法

2.2.1 地下水库回灌方式适宜性评价指标体系

根据科学性、全面性、简明性和可操作性指标选取原则，选择入渗能力、日可入渗量、自净能力、回灌工程建设成本、可操作性及安全风险等6项影响因子，构建地下水回灌适宜性指标体系（图2）。

2.2.2 评价模型

采用多因素综合评价模型计算地下水库回灌适宜性程度：

式中：P——地下水库回灌适宜性指数，是地下水库回灌适宜性的量化指标，分值越大，表示适宜性程度越高；

wi——第i个评价因子的综合权重；

xi——第i个评价因子的量化分值；

n——评价因子数量。

2.2.3 量化分级及权重的确定

由于许多评价指标都是定性描述为主，需要依照一定的量化标准将之定量化，方能进行叠加计算。同时为了解决不同指标的计量单位不同所带来的量值无法对比问题，还需要对评价指标进行归一化、正则化等处理。因此需对各影响因子进行量化分级，并综合分析，按各因子的重要程度、相互关系赋予不同的权重。具体分级标准及权重见表1。

表1 地下水库回灌方式适宜性评价指标量化分级表

3 地下水库回灌方式适宜性评价

3.1 入渗能力及日可入渗量

3.1.1 河渠回灌方式

本次河渠回灌入渗试验分为三部分，一部分为溹泸河北段及乔村渠北段回灌入渗试验，一部分为试验站渠回灌入渗试验，一部分为乔村渠南段回灌入渗试验。

入渗能力用入渗强度进行表示，计算公式如下：

式中：V——入渗强度，m/d；

Q入渗——入渗水量，m3/d；

A蓄水水面——地表蓄水水面面积，m2。

单位河长入渗量按下式计算：

式中：q入渗——单位河长入渗量，104m3/（km·d）；

Q入渗——入渗水量，104m3；

L——水面纵长，km。

经计算，溹泸河北段的稳定入渗强度为0.13m/d，单位河长入渗量为0.55×104m3/（km·d），日可入渗水量分别为4.67×104m3/d；试验站渠的稳定入渗强度为0.06m/d，单位河长入渗量为0.04×104m3/（km·d），日可入渗水量分别为0.20×104m3/d；乔村渠的稳定入渗强度为0.20m/d，单位河长入渗量为0.14×104m3/（km·d），日可入渗水量分别为2.1×104m3/d。

3.1.2 面灌方式

按公式（1）计算，面灌场的入渗强度为0.09m/d。以本次面灌场日可入渗水量为准，为2.46×104m3/d。

3.1.3 井灌方式

井灌的入渗能力是以回灌量除以单井回灌形成最高水丘时的影响面积计算的。经计算，井灌的平均入渗强度为0.0003m/d。本次试验单井影响范围最大为300m，充分考虑河渠沿线实际情况，拟定井间距为1000m 为宜，可布设60 眼回灌井，即日可入渗水量为0.29×104m3/d。

3.1.4 入渗能力及日可入渗量对比分析

入渗能力及日可入渗量计算见表2。考虑到南宫地下水库河渠入渗以溹泸河入渗为主，具有代表性，本次选取溹泸河入渗能力进行对比。经对比可知，河渠入渗能力＞面灌入渗能力＞井灌入渗能力，河渠日可入渗量＞面灌日可入渗能力＞井灌日可入渗能力。

表2 入渗能力及日可入渗量计算表

3.2 自净能力

本次试验充分考虑了回灌堵塞因素，未来回灌水源为引黄水，水质达标，且包气带均无明显污染，故本次以自净能力作为本次对回灌后水质的评价指标。多项研究表明，当包气带为第四系沉积物时，包气带厚度越大自净能力越强，且不同介质岩性的自净能力差异明显，颗粒越细，自净能力越强，反之则越差。对比三种入渗方式，河渠包气带厚度最大，一般为15～20m；面灌场包气带厚度次之，为12～13m；井灌不经包气带直接进入含水层。因此，河渠包气带的自净能力＞面灌包气带的自净能力＞井灌包气带的自净能力。

3.3 回灌工程建设成本

回灌工程建设成本是影响地下水库回灌方式适宜性的另一主要因素。

河渠回灌方式建设工程的资金投入主要为河道的清淤工作，另外还有少量的河道流量控制、河道巡查等人工投入。溹泸河、乔村渠、清西干渠及试验站渠长度分别为16km、15km、14km、5km，考虑到实际来水时长、来水特点，采用干式清淤，每2 年清淤1 次，清淤深度0.2m。“引黄入冀”工程冬四月放水计120d，期间拟安排4人轮流巡查并进行流量控制、记录工作。

面灌方式建设工程的资金投入主要包括征地、田埂取土建造、输水管线、扬水点建设、机电设备及安装、盯防巡视等工作。由于当地库区内暂无大面积可利用土地，拟长期征用本次试验所占耕地。面灌场划分为15个畦田，田埂平均高度为0.8m，顶宽为0.3m，边坡1∶1，即田埂土方5795m3。需别处取土，取土距离为0.5km。每个畦田由一个扬水点供水，共布设15 个扬水点，安装真空泵15 台（15kW/h，单泵能力60m3/h），另备用4台。输水采用17根软管输水，备用5根，每根500m。扬水点、真空泵、输水管线、输电线路、变压器均可利用本次实验成果使用。预计取水时间持续120d，扬水点间接抽水80d。回灌过程中须有专人把守看护，预计需6人。

井灌方式工程建设的投资主要包括回灌井及反滤池施工、扬水点建设、占地、回灌消耗电及人工等方面。本次试验的10眼回灌井、反滤池、扬水点均可利用设施作为长期使用，其余50眼回灌井设施投资均需考虑。每井设施占地0.2亩，预计回灌时间120d。与面灌方式选用一致泵型，60 台泵同时运转，间断抽水合计60d。按每10眼回灌井需要1人监守，共6人，120d。

无论何种方式回灌，均配备不可预见费，按总费用3%计。结合现状条件下当地相应项目市场价，选择河渠回灌方式投资约为57.84 万元。面灌方式投资为144.44万元，井灌入渗投资为432.53万元。

3.4 可操作性

南宫地下水库地处华北平原，大面积土地类型为耕地，未利用土地或可变更类型的土地面积很小。从可操作性方面来讲，河渠回灌方式仅占用自然河道，无过多因素干扰，可操作性强。因当地种植结构特点，冬季有大量农田闲置，也可选择入渗条件较好的区域作为面灌场进行回灌。但选择面灌方式需长期征占当地村民大量土地，存在不确定性，可操作性较弱。井灌方式仅占用少量土地，有较强的可操作性。

3.5 安全风险

南宫地下水库库区内主要河渠有4 条，总长度达50km，河道全线常年有村民活动，安全风险系数较高。面灌场南端紧靠村庄，长时间的放水回灌，存在一定程度的溺水风险，且水压持续作用于田畦，有一定的决口风险。但面灌场范围相对较小，巡查难度不大。相对河渠来讲，其安全风险相对较小，安全风险级别为中等。对于井灌方式，各井灌点均配备封闭小房，仅专业人员可以进出，在巡查到位的情况下，能及时消除安全隐患，因此，井灌方式的安全风险最小，安全风险级别为低。

3.6 回灌方式适宜性评价

3.6.1 适宜性评价标准

将各评价因子分值加权求和，分值越高表明回灌方式越适宜，反之则适宜性越差。在综合分析研究的基础上，结合数据结果，将南宫市地下水库回灌方式适宜性评价标准分为不适宜、较适宜、适宜3类，见表3。

表3 三种回灌方式适宜性评价标准分级表

3.6.2 适宜性评价

综合来看，河渠回灌方式的入渗能力和日可入渗量最大，工程建设投入成本较低，可操作性强，安全风险性较大；面灌方式入渗能力和日可入渗量较大，但受占地、安全风险和投资方面的影响，回灌适宜性仅次于河渠回灌方式。井灌方式安全隐患小，但入渗能力差，日可入渗量小，投资大，且地下水自净能力较弱，评分最低，适宜性相应也最差。故，南宫地下水库回灌建议首选河渠回灌方式，其次为面灌方式，井灌方式效果不理想。