大清河流域平原区地下水人工补给潜力与补给方式分析

杜新强，王钰升，冶雪艳，路 莹，赵婧彤，张赫轩

吉林大学新能源与环境学院，长春 130021

0 引言

20世纪60年代以来，随着水资源供需矛盾和环境问题日益突出，世界各国地下水人工补给研究得到了快速发展[1]。地下水人工补给是指利用一定的工程设施将补给水源引入地下含水层的过程，目的是增加地下水资源量、缓解地下水位持续下降、净化水质、遏制海水入侵，以及有效地改善生态环境[2-6]。人工补给方式通常可分为地表入渗法和管井回灌法两种，前者对水质要求低、成本低，但通常面积较大、单位面积入渗量小；后者效率高、面积小，但成本高且易堵塞[7-11]。我国开展地下水人工补给研究有50多年的历史[5]：北京市水文地质队在20世纪六七十年代曾在长辛店地区的河道、水库、渗坑及深井进行人工补给试验，水位恢复效益显著[12]；上海市在1965年将黄浦江水通过深井补给含水层，有效地解决了地面沉降问题[13]；1989年在华北平原区进行了历时两年的以天然河道人工补给地下水的工程，实现了水资源的科学调配和循环利用，效果显著[14]。

大清河流域平原区作为地下水支撑型农业的重要粮食产区之一，农业用水量巨大，在人类开采地下水能力增强、降水出现连续枯水年的情况下[15]，区域地下水位持续下降，形成了世界上最大的地下水降落漏斗，导致地面沉降、地面塌陷等一系列资源环境问题[16-17]，严重制约了区域社会经济的健康发展。流域内的白洋淀作为河北省最大的湖泊，也是华北平原重要的生态湿地，有着不可替代的生态功能，被称为“华北之肾”[18]。受人类地下水超采的影响，白洋淀水域总面积已从20世纪50年代初的567.6 km2下降到21世纪10年代的366.0 km2，甚至在20世纪80年代还曾出现过干涸[19]。

大清河流域地下水位下降对环境造成的生态负效应已逐渐显露，因此亟需采取措施遏制地下水位下降及其引发的生态环境及社会环境不良影响。河水入渗补给是傍河水源地的重要补给方式[20],高桂全等[21]及费宇红等[22]研究证明了河水入渗补给在研究区内是可行的；董小涛等[23]研究认为区内可开展雨水促渗、水库放水补给、南水北调水调蓄等3种补给工程;张艺武[24]研究表明研究区河道附近区域较为适宜开展人工补给工作。总体来看,目前研究区还是主要以河水入渗补给作为人工地下水补给方式，补给方式较为单一，而针对研究区地下水位恢复所进行的其他人工补给方式的研究还有待探讨。本文首先根据流域水文、水文地质条件特征，对该区域开展地下水人工补给的潜力进行了划分，然后在白洋淀北部白沟引河沿岸的典型高潜力区进行综合野外调查与试验，确定不同地段宜采用的地下水人工补给方式;以期更有效地提升该区地下水位，恢复大清河流域的生态环境，确定合理的人工补给工程建设位置及有效的补给方式，为该区域实际地下水人工补给工程建设方案的设计提供参考。

1 研究区概况

大清河流域平原区地处华北平原北部、大清河流域东部，研究区面积13 338 km2，地势较为平缓，西高东低，平均海拔31 m(图1)。行政区划上，研究区覆盖了河北省23个县市及北京市房山区。该区属半干旱半湿润地区[25]，多年平均降水量为727 mm，最大年降水量为1 150 mm，降水主要集中在7—8月，其间降水占全年总量的54%[26]，可形成雨洪水，而在其他月份则降水基本消耗于蒸发及下渗[24]。区内大清河支流包括潴泷河、唐河等7条较大的天然河流及1条人工河——白沟引河，但由于降水季节分配不均及降水量的减少，本区天然河川径流量较少，部分河道甚至常年断流[15]。流域上游有6个主要水库，分别为安各庄水库、龙门水库、西大洋水库、王快水库、口头水库和横山岭水库[27]，其中王快水库及安各庄水库年弃水量在1亿m3以上、横山岭水库及西大洋水库年弃水量在0.5亿m3左右、龙门水库及口头水库年弃水量在0.1亿m3以下。此外，流经区内的外调水工程包括南水北调工程[28]及引黄入冀补淀工程[29]，南水北调对保定多年平均分配水量约为5.5亿m3/a[30-31]，引黄入冀补淀工程对白洋淀补水量为2.55亿m3/a[24]。可见，区内以外调水与水库弃水为主的地表水资源较为丰富，可作为地下水人工补给的主要补给水源，雨洪水及天然河水作为补给水源的潜力较低。

a图，底图来源于91卫图助手免费版，网址为 http://www.91weitu.com/。

研究区内地表出露地层为第四系冲洪积松散地层，厚度10 m左右，主要含水层呈条带状穿插于黏土、亚黏土层中，该含水层可进一步划分为：Ⅰ、Ⅱ浅层含水层组，岩性主要以全新统(Q4)和上更新统(Q3)中、细、粉、粉细砂为主，深度为150～180 m，含水层厚度一般小于40 m；Ⅲ、Ⅳ深层含水层组，为承压水，岩性主要以中更新统(Q2)和下更新统(Q1)粗、中、细砂为主，深度为350～600 m，厚度一般为 100～180 m[32]。研究区内地下水位降落漏斗主要发生在浅层含水层内(图1)，因此，本次研究主要针对浅层地下水系统开展人工补给潜力的分析。

2 基于GIS的地下水人工补给潜力分区

2.1 数据收集及指标分级

依据人工补给工程建设的适宜条件要求，本研究中利用ArcGIS确定地下水人工补给潜力区时，综合考虑地表高程、地表坡度、补给水源、地下水埋深及与河道距离5个因素。通过搜集相关数据网站及卫星影像资料[33]，绘制各影响因素分布图(图2)。

1)地表高程：本区高程数据通过从91卫图(http://www.91weitu.com/)下载的高程影像数据分析获取(图2a)。高程关系到工程施工的难易与汇集水量的多少，参考彭晓鹃等[33]及焦胜等[34]的研究结果，将本区高程划分为5个等级：150～200，100～150，50～100，25～50，4～25 m(表1)。

2)地表坡度：基于1)中的高程数据，利用ArcGIS中的坡计算功能获取研究区坡度分布图(图2b)，得到坡度范围为0°～6°。根据Wang[35]的研究可知，坡度小于2°不易发生水土流失，可以使补给水保留较长时间，更有利于充分补给地下含水层；因此以坡度2°作为分级标准，将研究区坡度划分为2°～6°和0°～2°两个等级(表1)。

3)补给水源：根据行政规划，研究区主要补给水来源有4种，包括外调水、水库弃水、雨洪水及天然河水。根据不同河道水源在河道上的汇流情况及前文介绍的水源水量情况，将研究区补给水源分为5个等级：天然河水、雨洪水、水库弃水、外调水、外调水与水库弃水汇流(图2c、表1)。

4)地下水位埋深：根据2019-04的地下水水位统测数据，经由ArcGIS克里金插值算出研究区地下水位分布(图2d)可知，一般地下水埋深越大，人工补给的储水空间就越大。结合前人的分级标准[36-38]，将本区地下水位埋深划分为5个等级：<5，5～10，10～20，20～30，>30 m(表1)。

5)与河道距离：距离河道越远，通常引水所需的工程成本越高，本区与河道距离由四维地球(https://siweiearth.com/)遥感数据分析获得，借鉴Enrique等[39]与河道距离的分级原则，将其划分为<1，1～2，2～3，3～4，>5 km等 5个等级(图2e、表1)。

各指标等级划分及对人工补给潜力影响的赋值见表1，其中潜力分值范围为1～10，数值越大，潜力越大。

2.2 层次分析法

本文对于研究区地下水人工补给潜力的划分采用层次分析法，该方法是将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，并层次化多目标，然后对决策者提供的判断数据的层次和一致性进行排序的一种决策方法，广泛应用于环境规划等众多领域[40-41]。其具体步骤如下。

1)构造指标判别矩阵。

根据所选择的评价指标之间对人工补给潜力的贡献重要性大小不同，构造指标判别矩阵A，矩阵的元素aij表示i行对j列的重要性，值在0～9间，1表示因素i与因素j同等重要，对角线均为1，aij=1/aji：

a. 高程；b. 坡度；c. 补给水源；d. 地下水位埋深；e. 与河道距离。

(1)

本次选择指标数为5个，构建的判别矩阵A是一个5×5矩阵，根据前人评价所赋权重的大小关系[24,34,36]确定出本次评价的判别矩阵(表2)，以判断各指标间相对重要性。

表1 不同约束条件属性范围潜力分值

表2 评价指标的判别矩阵

2)各指标权重值确定。

计算矩阵(1)中行元素乘积Mi，并算其n次方根Wi：

(2)

式中，n为判别矩阵的最大行数或者最大列数，本研究判别矩阵的最大行数i和最大列数j相等，即n=5。

对向量w=[W1,W2，…，Wn]T归一化，wi即为指标权重：

(3)

按上述步骤，最终计算出各指标权重，结果见表3。

表3 各指标标准权重计算值

3)判别矩阵合理性检验。

计算矩阵最大特征根公式为

(4)

式中：λmax为最大特征根；W为特征向量。

通过一致性指标IC对矩阵进行一致性校验，并根据平均随机性指标IR，判别指标一致性比率RC:

(5)

按式(5)算得所构建矩阵的λmax为5.043，IC为0.011。经查阅文献[42]，当矩阵阶数为5时，IR值为1.12，由此得到RC为0.01。一般而言，当阶数大于2时，RC<0.10，即可认为矩阵一致性满意，说明矩阵符合一致性要求，可用于后续评价。

4)综合人工补给潜力分值计算与分级。

本次研究选用加权平均综合指数模型来确定研究区的潜力分布，根据单项指标潜力大小分值Pi及标准权重wi，计算出综合人工补给潜力分值IP：

根据IP值的大小，按照自然间断点分级法将其划分为5个等级，分级标准见表4。

表4 人工补给潜力分级

2.3 地下水人工补给潜力评价结果

将2.1中的5个指标栅格图层叠加，利用ArcGIS栅格计算功能，获得研究区范围内人工补给潜力等级的分布(图3)。其中：1)研究区西北部及南部部分河道附近2 km范围内区域主要为高人工补给潜力区，即外调水与水库弃水汇流进入白洋淀河道沿岸区域。该部分区域水源为水库弃水、南水北调外调水或引黄入冀补淀外调水，水量丰富，水质较好；地下水埋深在10～50 m间，存在两个大型地下水位降落漏斗，储水空间较丰富。2)由于研究区中部区域地下水埋深太浅，北部区域地下水埋深较浅且可利用水源较少，以及西南部远离河道区域地势较高且可利用水源较少，因此这些区域人工补给潜力低。3)研究区南部部分河道沿岸5 km范围内区域虽然地下水埋深较大，但水源为水量较少的天然河水，所以其人工补给潜力以中—较高为主。

综合分析，建设地下水人工补给工程受水源因素影响最大，高潜力区皆位于易县、定兴及霸州沿线以南部分河道沿岸。进一步对比各河道可知，白沟引河位于两条支流交汇的下游，汇集了南水北调外调水、安各庄水库弃水及白沟河天然河水三方水源，相较其他高补给潜力区水量更为丰富；同时该河道紧临地下水位降落漏斗，水力坡度大，利于补给水的扩散，所以更适合选择该河段及沿岸开展地下水人工补给工程。

3 典型高潜力地段地下水人工补给方式

3.1 野外调查与试验

地下水人工补给方式按大类可分为地表入渗与地下灌注两种，适宜采用哪种方式主要由地表渗透能力所决定，同时补给水源的水质特征也是需要考虑的重要因素。因此，本研究根据前述潜力区评价结果，在人工补给潜力最高的白洋淀以北白沟引河沿岸地段开展进一步野外调查与试验，包括补给水源与地下水水质分析、河道两岸与河道内渗透性调查以及沿岸浅层含水层的导水性调查。

1)补给地下水源与地下水水质分析：先在白沟引河采集2个地表水样品，在河沿岸浅层地下水井内采集3个地下水样品；再采用哈希水质分析仪(HQ40d)进行水质现场检测，检测指标包括pH、溶解氧质量浓度、氧化还原电位及电导率；然后进行室内分析，室内分析指标包括COD(化学需氧量)、氨氮、总氮、氟化物、重金属元素(锌、铜、砷、硒、镉、铬、铅)的质量浓度，分析方法依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[43]及《地下水质量标准》(GBT 14848—2017)[44]。

图3 研究区地下水人工补给潜力等级分布

2)河道两岸渗透性调查：采用单环渗水试验方法，在白沟引河沿岸共进行6组试验，评估包气带稳定入渗能力。

3)河道渗透性调查：采用竖管试验方法，在白沟引河河道内从上游至下游沿程布设7个试验点，测定其河床渗透系数。

4)浅层含水层导水性调查：在典型地段浅层地下水井内开展微水试验，测定其浅层地下水的渗透系数，共进行8组试验。

各试验调查点位置分布见图4。

3.2 结果分析

3.2.1 补给水源与补给区地下水水质对比

调查水质结果统计如表5所示。该地段内地表水水质整体偏碱性，pH值在8.21～9.16之间，而地下水pH值则普遍小于7.50；地表水较地下水的电导率明显偏低，地表水的电导率在551～1 027 μS/cm之间，地下水则大于1 003 μS/cm，表明地下水的矿化度普遍低于地下水；水中污染指标(包括毒理学指标和一般化学指标)，除氟化物和镉外，地表水均劣于地下水，所以，采用河道内水进行人工补给时，需根据不同补给方式对水质的要求增设水质的预处理设施，以保证补给水质的安全。

补给前需对地表水的COD、总氮、氨氮、锌、铜、砷、硒、铬、铅几项超标组分进行处理，据相关文献显示，砂过滤和水生植物可对这些超标组分起到一定的去除效果[45-48]。对于水质要求较低的地表入渗方式，可采用这些简单的处理方式，但对井灌等水质要求高的补给方式而言，需更严格的水处理工艺以最大限度降低补给带来的水质风险。

3.2.2 包气带入渗条件

包气带的渗透性直接决定着人工补给方式及相应的补给效率是否适宜。野外渗水试验测算得到的包气带渗透系数(K)分布如图5所示。由《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)[49]可知，渗透系数在0.864～8.640 m/d之间属于中等透水层，渗透系数在8.640～864.000 m/d之间属于强透水层；本调查区包气带渗透系数为1.00～5.00 m/d，个别区域渗透系数在10.00 m/d以上，即以中等透水层为主，个别区域为强透水层。其中：调查区白沟引河上游及中游偏下区域渗透性良好，渗透系数在5.00 m/d以上，相对适宜开展地表入渗补给工程，可采取一定的促渗措施，以达到良好的补给效果；白沟引河中上游、中下游及下游大部分区域渗透能力有限，包气带渗透系数在3.00 m/d左右或更低，需采用井灌入渗方式。

图4 野外试验点位分布图

表5 研究区地表水与地下水水质对比

3.2.3 河床渗透性

通过在调查区域的河道上进行河道竖管试验，可计算出该段河道河床的渗透系数。为方便看出河道渗透系数沿程变化情况，以DY1点为起点，以距离DY1点距离为横轴，点位渗透系数为纵轴，绘制出河道渗透性变化曲线(图6)。结果显示：河床的渗透系数性基本在0.01～0.09 m/d之间，渗透性极差，透水性弱，这是因为河床上覆淤泥质层，淤泥质层含水量较低且十分坚硬；此外白沟引河中下游渗透性要好于上游，若在拟利用河道进行地表入渗回补地下水，可选取白沟引河中下游河段进行，并建议对河道底部进行清淤工作，以达到较好的人工补给效果。

3.2.4 浅层含水层导水能力

通过在村落中存留的旧水井的井孔开展微水实验，将微水试验[50-51]测得的数据导入AquiferTest软件中，算出拟补给区不同点位的含水层水平渗透系数，并根据渗透系数划分了拟补给区上的含水层水平渗透系数分区(图7)。含水层的水平渗透系数决定着补给水在含水层中的运移能力，其数值较大时，可防止补给过程中形成较大水丘，且不容易堵塞。计算结果显示，研究区拟补给区内的含水层渗透系数在1.00～8.00 m/d之间，其中大部分区域含水层渗透系数在3.00～5.00 m/d之间。依据《水文地质手册》[52]，拟补给区内的含水层属于良透水层，适宜开展地下水人工补给工程。此外，白沟引河上游及中游偏下区域渗透系数在3.00 m/d以上，渗透性良好，利于补给水在含水层中的迁移，适宜开展地下水人工补给工程；而中上游及下游部分区域渗透性较差，不宜开展人工补给工程。

3.3 地下水人工补给方式综合分析

根据上述野外调查获得的地表水质和包气带、河道及含水层渗透性特征，结合不同地下水人工补给方式的适用条件，对白沟引河地段优先采用的人工补给方式进行了规划(图8)。其中红色区域为人工补给潜力较低区，不适宜进行人工补给，其余地段适宜可开展人工补给。从图8可以看出，该地段可开展的人工补给方式主要有3种。

1)入渗池或天然渗坑：工程选址应在上游及中游河道沿岸(图8中浅绿色区域)，这些地段无论是包气带还是含水层渗透性均良好，渗透系数均在5.00 m/d左右或更高，有利于补给水地表下渗及其在含水层内的水平扩散。但检测结果显示，补给水源中部分水质指标劣于该地段地下水水质指标，为保证水质安全，可将河道水通过生态水渠引至修建的地表入渗池或天然渗坑中。生态水渠中可修建砂过滤设施和种植水生植物，从而在引水过程中对水质实现净化。

K为渗透系数。

图6 白沟引河河道渗透性分布

2)井灌：工程适宜选择在白沟引河中下游河道沿岸(图8中浅黄色区域)，此地段包气带渗透性中等，但含水层渗透性良好，渗透系数为3.00～5.00 m/d。由于人工补给井灌对水质要求较地表入渗方式更为严格，因此，就本区现状补给水源水质而言，需进行严格的水质处理方可用于人工补给。

图7 白沟引河附近含水层渗透性分布

图8 白沟引河附近适宜开展的人工补给方式

3)河道入渗：白沟引河河道中下游河床(图8绿色粗实线)渗透性相对其余段较高，渗透系数在0.05 m/d左右；因此可在该河段修建拦水坝，提升河道水位并增加河道入渗面积，利用河道进行入渗补给。为进一步提高河床入渗能力，最好先对河床进行清淤或采取其他促渗措施，以去除河底表层的淤泥质黏性土。

图8中红色区域为人工补给潜力较低区，不宜进行人工补给。

4 结论与建议

1)研究区西北部及南部部分河道沿岸由于具丰富的地表水源及较丰富的储水空间而具有较高的人工补给潜力，其中又以白洋淀以北白沟引河沿岸地段较优；研究区南部部分河道沿岸区域天然河水水量较少，因而人工补给潜力小于西北部及南部高潜力区；研究区中部区域、北部部分区域及西南部远离河道区域由于地下水埋深太浅、可利用水源较少和地势较高，因此人工补给潜力低。

2)白沟引河上游地段及中下游部分地段由于包气带及含水层渗透性均较为良好，可将河道水经由生态水渠引至修建的地表入渗池或天然渗坑内入渗补给地下含水层，其中上游地段地表水质较好，为优选地段；白沟引河中下游地段含水层渗透性良好但包气带渗透性较差，且水质较差，需将河水水质处理达标后通过井灌方式补给地下含水层；白沟引河河道中下游地段渗透性较高，可修建拦水坝利用河道进行入渗补给，并进行河底清淤或采取其他促渗措施，以达到良好的补给效果。