巨野縣六營灌區地下水回灌試驗

(1.巨野縣麒麟鎮人民政府，山東 巨野 274900;2.巨野縣水務局，山東 巨野 274900)

巨野縣是山東省菏澤市下轄縣，地處魯西南大平原腹地，位于菏澤東部，因古有大野澤而得名。全縣轄15個鎮、2個街道辦事處、1個省級經濟開發區，人口101萬，總面積1308km2，耕地面積114.9萬畝。巨野縣地處菏澤市引黃灌溉區域的最下游，農田灌溉使用的是上游引黃的尾水，是水資源嚴重匱乏的灌溉農業縣。全縣農業灌溉用水占總用水量的70%以上，隨著自然條件的變化、人口的增長、經濟社會的發展和城鎮化水平的提高，各部門用水量將會急劇增加，水資源供需矛盾將日益突出。同時，巨野縣無調蓄工程，地表徑流得不到合理利用，加之河源來水時空分布不均，作物需水期河流來水量少，造成灌區作物生長發育期的“卡脖子旱”和季節性缺水的嚴重局面。因此，地下水改造潛力很大，通過灌區地下水回灌改造，能有效緩解水資源供需矛盾，解決長期水資源緊缺的現狀，為實現全縣節水型農業打下良好基礎。

典型試驗小區選在巨野縣城東南約10km處的巨野縣六營灌區。試驗區面積為4125畝的封閉區域，地下水靜水位埋深28m，表層大多為砂質壤土。巨野縣屬北溫帶半濕潤性大陸季風區，四季分明，光照充足，溫度適宜，雨熱同季，適合農作物生長。六營灌區位于巨野縣東部、麒麟鎮南部，是一座綜合性農業灌溉區域，此處可利用地表水源豐富，渠系發達，有可靠的回灌水源，因此適宜作為典型性試驗區。灌區內多年平均降雨量673.4mm，最大年降雨量為1993年的1229mm，最小年降雨量為1988年的303mm，豐枯比為 4∶1。

圖1 回灌井斷面圖(單位：mm)

1 試驗設計與過程

1.1 試驗設計

試驗于2017年7月進行，尚未進入大規模降水月份，選擇連續晴朗無降水天氣以減少降雨對試驗的影響?；毓嗑當嗝娉叽缫妶D1，井深H為1.5m，井半徑r為0.3m，初始靜水位離地面1.4m，井的一側布設4個觀測孔(A、B、C、D)，與井的邊緣距離依次是0.3m、0.9m、1.8m、3.0m。初始水位和設計水位差是1.27m，由于試驗地區較為濕潤，不考慮地面蒸發及水面蒸發。

1.2 試驗程序

試驗期間，每日上午8∶00對水位進行觀測，觀測后將井內水位增加至設計水位，之后每隔1h觀察一次，午后14∶00觀測一次，然后將水位增加到設計水位，仍然每隔1h觀測一次，20∶00以后不進行觀測，每日重復觀測程序，至各觀測點水位穩定為止，共進行了5天的持續觀測。

2 試驗數據處理分析

2.1 入滲過程曲線分析

從觀測結果(見表1)可以看出各個觀測點水位隨時間的變化過程，隨著試驗時間的延長，水位變化開始趨于一致，而各觀測孔的水位變化卻表現出極大的差異性：同一時間段內，觀測孔水位的上升幅度與觀測孔和井的距離呈反相關，并隨回灌時間的延長而減小，最終處于相對穩定狀態。

2.2 回灌量、試驗時間節點與井水位之間的相關性

因為試驗最后1天的各觀測點水位趨于穩定，因此，取此日的數據進行分析，試驗自下午14∶00到晚上22∶00。

表1 第5天試驗觀測數據

注t為觀測時段；T為累計回灌時間,h；H為井中水位,m；V為井中水位下降速率,m/h；W為累積回灌水量,m3；Q為入滲,m3/h。

由表1可知，隨試驗時間的推移，回灌的入滲率Q漸漸變小。分析其原因主要有：井水入滲到周圍土層，井中水位下降導致回灌的水頭和面積減??；周圍土層因回灌水入滲導致水位抬高，兩者間的水力坡降變小，導致回灌入滲率變小。隨著時間的增加，補給水量增加，但生長速率逐漸減小，即曲線的斜率逐漸減小。

2.3 通過試驗數據計算水文地質參數

試驗區按照非完整井條件設置，因此，可以近似地看成潛水層隔水底板無限深，按照非完整井公式，得到水量公式如下：

(1)

則變換為K的表達式為

(2)

式中：K為滲透系數,m/d；Q為回灌入滲率,m3/d；S為井中水深,m；H1為潛水面到井底的距離,m；H為潛水含水層的厚度,m；r0為回灌井的半徑,m；R為影響半徑,m。

利用第5天穩定時段的觀測數據計算：Q=0.181m3/d，H=0.79m，S=0.69m，r=0.3m。

利用式(2)計算滲透系數K：K=0.0408m/d(4.722×10-7m/s)

3 試驗井水位對試驗的影響

3.1 建立模型

通過回灌井的結構及尺寸，計算入滲系數K，利用式(1)得到不同井水深度的入滲量(見表2)，并對數據建模和分析。依據裘布依穩定井流公式，在井底井壁同時進水的非完整井條件下可計算出水量與抽水降深的關系，兩者成二次拋物線相關，假設關系如下:

表2 不同水深時井的入滲率

續表

注H1為井中水位到井底的深度,m；S為井中水深,m；R為影響半徑,m；Q為回灌入滲率,m3/d。

Q=aS+bS2

(3)

采用最小二乘法對系數進行擬合，得到a=0.1495，b=0.1168。

該表達式具有很好的相關系數(r=0.9797)，見圖2。

圖2 Q-S關系

3.2 擬合公式的應用示例

通過擬合的公式，可以得到0.6m井徑的回灌井在采水條件下，使用回灌井補給地下水的入滲量。按照地面積水時間為2天計算，得到單井入滲量如下：

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

(4)

式中:S=1.4m；t=2天。

因此，單位面積的補給水量為3098mm，為降水量的16.5倍。由此看出，采用大井作為補給井，補給效果十分明顯。

4 結 語

地下水回灌的作用主要有：?防止地震和增加地熱資源等向地下注水；?地表水常含有許多懸浮物、有機質和細菌，不符合供水要求，將地表水通過回灌，使之轉化為地下水，在其滲漏過程中，經過土壤的過濾和凈化作用，使水質得到凈化；?冬季向地下灌注冷水，夏季開采用于冷卻降溫，或夏季向地下灌注熱水，冬季開采用于取暖；?控制和提高地下水水位，防止由于地下水水位大幅度下降導致水質惡化、地面下沉或海水入侵等不良后果；?利用地下的巨大容積，調蓄河道部分洪水及非用水季節的徑流，代替修建地上水庫；?對于含鹽量過高或含有其他有害物質的地下水，通過打井抽排劣質水、回灌優質水，可逐漸改善地下水質；?增加地下水資源。

巨野縣地下水資源嚴重短缺，多地已形成地下水漏斗，地下水下降漏斗的持續存在和擴展會產生一系列不良后果：水位下降，水源枯竭，水井報廢；原提水機具失效，增加抽水投資；地面沉降、地裂、地面塌陷等嚴重問題；形成地域性地下水水位的不斷下降，導致一些天然泉水的干枯；淺層淡水與咸水交替分布區，因過量開采，使淡水水壓降低，導致周圍咸水向淡水水體擠壓，上面的咸水水體向下入滲，下面的咸水水體向上頂托補給，逐漸使淡水水體或淡水層的水礦化度增高，水質變壞；近海地區，由于下降漏斗的擴展，破壞了咸水體的天然平衡條件，引起海水倒灌，或沿構造破碎帶入滲，造成淡水水質惡化；造成地下缺氧，威脅地下施工人員的人身安全。

本次試驗通過試驗數據分析，得到了巨野六營地區的土壤入滲性能，試驗結果表明：利用當地灌溉機井和坑塘蓄水對淺層地下水回補是可行的且效果明顯，可以增加淺層地下水的含量，并且通過資料得到的滲透系數與其他方法得到的數值相符，因此具有可靠性，可以用作試驗生產的參考值。

通過選取代表性點位，對巨野縣不同地下地質構造準確測定土壤滲透系數等指標，一方面可為當地科學規劃設計、建設實施集中式地下水回灌工程提供準確的基礎數據，另一方面結合當地海綿城市建設要求，提供不同地下土層的入滲能力、地下蓄水空間調蓄程度等基礎指標，為合理布置分散式地表徑流雨水入滲設施(透水型路面、滲透型下凹式綠地、植草溝、雨水花園、生態樹池、滲溝等)提供扎實的科學依據。在巨野縣地下水回灌建設過程中，地下水回灌的水源選取是另外一項重要考慮因素，源頭地表徑流雨水、河道地表水、城鎮污水廠處理后達標回用水等均是回補的源頭，如何結合當地地下土壤類型、性狀、環境容量來合理判別回補水的水質，將是下一步重要研究內容，本文研究成果為此后續研究提供基礎鋪墊。

入滲井應用廣泛，施工簡便，在當地數量較多，干旱季節也可作為應急灌溉井使用，因此是地下水回灌的合適途徑。本試驗未對回灌方法的經濟性進行分析，建議依托渠道，在進行灌溉的同時進行地下水的補給，補給方式的選擇還需進一步研究。