南宮地下水庫(kù)回灌方式適宜性分析

田曉華，陳文婧，田戰(zhàn)輝，宋浩楠

(河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北石家莊 050021)

“引黃入冀”工程，設(shè)計(jì)年入境引水量為5.0×108m3，但實(shí)際年平均引水量?jī)H為2.0×108m3，除水價(jià)等因素外，引水時(shí)段與灌溉季節(jié)不匹配、缺乏相應(yīng)調(diào)蓄工程是河北省未用足用好引黃水的主要原因。而地下水庫(kù)是優(yōu)化水資源配置的一種重要手段。可以解決水資源匱乏，調(diào)節(jié)水資源時(shí)空分配，加大對(duì)地表水資源的截流，提高對(duì)區(qū)域水資源的利用率[1-2]。利用地下水庫(kù)可為引黃水調(diào)蓄提供巨大的存儲(chǔ)空間。將引黃水快速有效滲入地下，存儲(chǔ)在地下水庫(kù)庫(kù)容內(nèi)，適時(shí)進(jìn)行開(kāi)采，解決引采存在時(shí)間差的問(wèn)題。

南宮地下水庫(kù)就是典型的古河道型地下水庫(kù)，以古黃河、大清河、漳河沉積的細(xì)砂、粉砂為儲(chǔ)水介質(zhì)，是理想的儲(chǔ)水空間[3-4]。筆者借助南宮地下水庫(kù)建設(shè)前期的大型回灌試驗(yàn)契機(jī)，綜合考慮各類影響因素，構(gòu)建回灌方式適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開(kāi)展南宮地下水庫(kù)不同人工回灌適宜性評(píng)價(jià)，以期為南宮地下水庫(kù)的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為支撐河北省地下水超采綜合治理工作，用足用好引黃水及當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的改善提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

南宮地下水庫(kù)位于河北省南宮市東南部，距南宮市區(qū)約30 km，地處黑龍港地區(qū)，古黃（河）、（大）清（河）、漳（河）故道處，屬古河道型地下水庫(kù)。南宮地下水庫(kù)所處區(qū)域?qū)贉貛О霛駶?rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)溫差大，四季分明，春季干旱少雨，夏季潮濕悶熱。多年平均氣溫13 ℃左右，年內(nèi)氣溫波動(dòng)較大；多年平均降雨量為495.5mm，降雨量主要集中在6～10 月，約占全年總降雨量的60%以上。庫(kù)區(qū)南北長(zhǎng)約20km，東西寬約10km，面積約253km2。

庫(kù)區(qū)內(nèi)砂層比較發(fā)育，河床相砂層厚度較大，包氣帶巖性以砂夾粘性土為主，降水入滲系數(shù)0.20～0.35。孔隙率高，透水性好，地下水位埋深在15～30m。含水層以多層結(jié)構(gòu)為主，厚度約2～20m，巖性多為粉砂、細(xì)砂。庫(kù)區(qū)南部富水性較好于北部，單井涌水量一般在300～1000m3/d，北部多為100～300m3/d。區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)類型復(fù)雜，以重碳酸鹽、氯化物—鈉鎂型水為主，礦化度一般在1.0～3.0g/L。庫(kù)底埋深約34m，為湖沼相壤土、粘土，庫(kù)區(qū)東西兩側(cè)以湖沼相及泛濫相壤土、粘土為主，夾砂壤土，為相對(duì)阻水帶，是一個(gè)良好的地下水庫(kù)儲(chǔ)水空間。

2 研究方法和數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次試驗(yàn)水源為岳城水庫(kù)水，經(jīng)溹瀘河進(jìn)入南宮境內(nèi)，由南向北至清西干渠后，受南王莊樞紐控制，一部分進(jìn)入溹瀘河北段，繼而進(jìn)入喬村渠北段，另一部分進(jìn)入清西干渠，后受試驗(yàn)站渠閘控制分別進(jìn)入試驗(yàn)站渠和喬村渠南段。見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)采用三種回灌試驗(yàn)方式進(jìn)行：于溹瀘河北段、喬村渠、試驗(yàn)站渠兩側(cè)共布設(shè)8條監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行河渠回灌方式監(jiān)測(cè)；于溹瀘河北段及喬村渠南段附近布設(shè)10組井灌監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行井灌方式監(jiān)測(cè)；并于試驗(yàn)站渠東側(cè)布置一面灌試驗(yàn)場(chǎng)（409 畝），進(jìn)行面灌方式監(jiān)測(cè)。井灌及面灌試驗(yàn)場(chǎng)水源均就近取自河渠水。

累計(jì)進(jìn)入南宮市境內(nèi)的試驗(yàn)總水量為570.91×104m3，其中溹瀘河北段及喬村渠北段的試驗(yàn)水量為235.24×104m3，試驗(yàn)站渠試驗(yàn)水量68.96×104m3，喬村渠南段試驗(yàn)水量32.81×104m3，面灌試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)水量58.95×104m3，其余水量為溹瀘河南段及清西干渠輸水消耗水量。

2.2 研究方法

2.2.1 地下水庫(kù)回灌方式適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)科學(xué)性、全面性、簡(jiǎn)明性和可操作性指標(biāo)選取原則，選擇入滲能力、日可入滲量、自凈能力、回灌工程建設(shè)成本、可操作性及安全風(fēng)險(xiǎn)等6項(xiàng)影響因子，構(gòu)建地下水回灌適宜性指標(biāo)體系（圖2）。

2.2.2 評(píng)價(jià)模型

采用多因素綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算地下水庫(kù)回灌適宜性程度：

式中：P——地下水庫(kù)回灌適宜性指數(shù)，是地下水庫(kù)回灌適宜性的量化指標(biāo)，分值越大，表示適宜性程度越高；

wi——第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的綜合權(quán)重；

xi——第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的量化分值；

n——評(píng)價(jià)因子數(shù)量。

2.2.3 量化分級(jí)及權(quán)重的確定

由于許多評(píng)價(jià)指標(biāo)都是定性描述為主，需要依照一定的量化標(biāo)準(zhǔn)將之定量化，方能進(jìn)行疊加計(jì)算。同時(shí)為了解決不同指標(biāo)的計(jì)量單位不同所帶來(lái)的量值無(wú)法對(duì)比問(wèn)題，還需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化、正則化等處理。因此需對(duì)各影響因子進(jìn)行量化分級(jí)，并綜合分析，按各因子的重要程度、相互關(guān)系賦予不同的權(quán)重。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 地下水庫(kù)回灌方式適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分級(jí)表

3 地下水庫(kù)回灌方式適宜性評(píng)價(jià)

3.1 入滲能力及日可入滲量

3.1.1 河渠回灌方式

本次河渠回灌入滲試驗(yàn)分為三部分，一部分為溹瀘河北段及喬村渠北段回灌入滲試驗(yàn)，一部分為試驗(yàn)站渠回灌入滲試驗(yàn)，一部分為喬村渠南段回灌入滲試驗(yàn)。

入滲能力用入滲強(qiáng)度進(jìn)行表示，計(jì)算公式如下：

式中：V——入滲強(qiáng)度，m/d；

Q入滲——入滲水量，m3/d；

A蓄水水面——地表蓄水水面面積，m2。

單位河長(zhǎng)入滲量按下式計(jì)算：

式中：q入滲——單位河長(zhǎng)入滲量，104m3/（km·d）；

Q入滲——入滲水量，104m3；

L——水面縱長(zhǎng)，km。

經(jīng)計(jì)算，溹瀘河北段的穩(wěn)定入滲強(qiáng)度為0.13m/d，單位河長(zhǎng)入滲量為0.55×104m3/（km·d），日可入滲水量分別為4.67×104m3/d；試驗(yàn)站渠的穩(wěn)定入滲強(qiáng)度為0.06m/d，單位河長(zhǎng)入滲量為0.04×104m3/（km·d），日可入滲水量分別為0.20×104m3/d；喬村渠的穩(wěn)定入滲強(qiáng)度為0.20m/d，單位河長(zhǎng)入滲量為0.14×104m3/（km·d），日可入滲水量分別為2.1×104m3/d。

3.1.2 面灌方式

按公式（1）計(jì)算，面灌場(chǎng)的入滲強(qiáng)度為0.09m/d。以本次面灌場(chǎng)日可入滲水量為準(zhǔn)，為2.46×104m3/d。

3.1.3 井灌方式

井灌的入滲能力是以回灌量除以單井回灌形成最高水丘時(shí)的影響面積計(jì)算的。經(jīng)計(jì)算，井灌的平均入滲強(qiáng)度為0.0003m/d。本次試驗(yàn)單井影響范圍最大為300m，充分考慮河渠沿線實(shí)際情況，擬定井間距為1000m 為宜，可布設(shè)60 眼回灌井，即日可入滲水量為0.29×104m3/d。

3.1.4 入滲能力及日可入滲量對(duì)比分析

入滲能力及日可入滲量計(jì)算見(jiàn)表2。考慮到南宮地下水庫(kù)河渠入滲以溹瀘河入滲為主，具有代表性，本次選取溹瀘河入滲能力進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比可知，河渠入滲能力＞面灌入滲能力＞井灌入滲能力，河渠日可入滲量＞面灌日可入滲能力＞井灌日可入滲能力。

表2 入滲能力及日可入滲量計(jì)算表

3.2 自凈能力

本次試驗(yàn)充分考慮了回灌堵塞因素，未來(lái)回灌水源為引黃水，水質(zhì)達(dá)標(biāo)，且包氣帶均無(wú)明顯污染，故本次以自凈能力作為本次對(duì)回灌后水質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。多項(xiàng)研究表明，當(dāng)包氣帶為第四系沉積物時(shí)，包氣帶厚度越大自凈能力越強(qiáng)，且不同介質(zhì)巖性的自凈能力差異明顯，顆粒越細(xì)，自凈能力越強(qiáng)，反之則越差。對(duì)比三種入滲方式，河渠包氣帶厚度最大，一般為15～20m；面灌場(chǎng)包氣帶厚度次之，為12～13m；井灌不經(jīng)包氣帶直接進(jìn)入含水層。因此，河渠包氣帶的自凈能力＞面灌包氣帶的自凈能力＞井灌包氣帶的自凈能力。

3.3 回灌工程建設(shè)成本

回灌工程建設(shè)成本是影響地下水庫(kù)回灌方式適宜性的另一主要因素。

河渠回灌方式建設(shè)工程的資金投入主要為河道的清淤工作，另外還有少量的河道流量控制、河道巡查等人工投入。溹瀘河、喬村渠、清西干渠及試驗(yàn)站渠長(zhǎng)度分別為16km、15km、14km、5km，考慮到實(shí)際來(lái)水時(shí)長(zhǎng)、來(lái)水特點(diǎn)，采用干式清淤，每2 年清淤1 次，清淤深度0.2m。“引黃入冀”工程冬四月放水計(jì)120d，期間擬安排4人輪流巡查并進(jìn)行流量控制、記錄工作。

面灌方式建設(shè)工程的資金投入主要包括征地、田埂取土建造、輸水管線、揚(yáng)水點(diǎn)建設(shè)、機(jī)電設(shè)備及安裝、盯防巡視等工作。由于當(dāng)?shù)貛?kù)區(qū)內(nèi)暫無(wú)大面積可利用土地，擬長(zhǎng)期征用本次試驗(yàn)所占耕地。面灌場(chǎng)劃分為15個(gè)畦田，田埂平均高度為0.8m，頂寬為0.3m，邊坡1∶1，即田埂土方5795m3。需別處取土，取土距離為0.5km。每個(gè)畦田由一個(gè)揚(yáng)水點(diǎn)供水，共布設(shè)15 個(gè)揚(yáng)水點(diǎn)，安裝真空泵15 臺(tái)（15kW/h，單泵能力60m3/h），另備用4臺(tái)。輸水采用17根軟管輸水，備用5根，每根500m。揚(yáng)水點(diǎn)、真空泵、輸水管線、輸電線路、變壓器均可利用本次實(shí)驗(yàn)成果使用。預(yù)計(jì)取水時(shí)間持續(xù)120d，揚(yáng)水點(diǎn)間接抽水80d。回灌過(guò)程中須有專人把守看護(hù)，預(yù)計(jì)需6人。

井灌方式工程建設(shè)的投資主要包括回灌井及反濾池施工、揚(yáng)水點(diǎn)建設(shè)、占地、回灌消耗電及人工等方面。本次試驗(yàn)的10眼回灌井、反濾池、揚(yáng)水點(diǎn)均可利用設(shè)施作為長(zhǎng)期使用，其余50眼回灌井設(shè)施投資均需考慮。每井設(shè)施占地0.2畝，預(yù)計(jì)回灌時(shí)間120d。與面灌方式選用一致泵型，60 臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，間斷抽水合計(jì)60d。按每10眼回灌井需要1人監(jiān)守，共6人，120d。

無(wú)論何種方式回灌，均配備不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)，按總費(fèi)用3%計(jì)。結(jié)合現(xiàn)狀條件下當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)項(xiàng)目市場(chǎng)價(jià)，選擇河渠回灌方式投資約為57.84 萬(wàn)元。面灌方式投資為144.44萬(wàn)元，井灌入滲投資為432.53萬(wàn)元。

3.4 可操作性

南宮地下水庫(kù)地處華北平原，大面積土地類型為耕地，未利用土地或可變更類型的土地面積很小。從可操作性方面來(lái)講，河渠回灌方式僅占用自然河道，無(wú)過(guò)多因素干擾，可操作性強(qiáng)。因當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，冬季有大量農(nóng)田閑置，也可選擇入滲條件較好的區(qū)域作為面灌場(chǎng)進(jìn)行回灌。但選擇面灌方式需長(zhǎng)期征占當(dāng)?shù)卮迕翊罅客恋?，存在不確定性，可操作性較弱。井灌方式僅占用少量土地，有較強(qiáng)的可操作性。

3.5 安全風(fēng)險(xiǎn)

南宮地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)主要河渠有4 條，總長(zhǎng)度達(dá)50km，河道全線常年有村民活動(dòng)，安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高。面灌場(chǎng)南端緊靠村莊，長(zhǎng)時(shí)間的放水回灌，存在一定程度的溺水風(fēng)險(xiǎn)，且水壓持續(xù)作用于田畦，有一定的決口風(fēng)險(xiǎn)。但面灌場(chǎng)范圍相對(duì)較小，巡查難度不大。相對(duì)河渠來(lái)講，其安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，安全風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為中等。對(duì)于井灌方式，各井灌點(diǎn)均配備封閉小房，僅專業(yè)人員可以進(jìn)出，在巡查到位的情況下，能及時(shí)消除安全隱患，因此，井灌方式的安全風(fēng)險(xiǎn)最小，安全風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為低。

3.6 回灌方式適宜性評(píng)價(jià)

3.6.1 適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將各評(píng)價(jià)因子分值加權(quán)求和，分值越高表明回灌方式越適宜，反之則適宜性越差。在綜合分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果，將南宮市地下水庫(kù)回灌方式適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為不適宜、較適宜、適宜3類，見(jiàn)表3。

表3 三種回灌方式適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)表

3.6.2 適宜性評(píng)價(jià)

綜合來(lái)看，河渠回灌方式的入滲能力和日可入滲量最大，工程建設(shè)投入成本較低，可操作性強(qiáng)，安全風(fēng)險(xiǎn)性較大；面灌方式入滲能力和日可入滲量較大，但受占地、安全風(fēng)險(xiǎn)和投資方面的影響，回灌適宜性僅次于河渠回灌方式。井灌方式安全隱患小，但入滲能力差，日可入滲量小，投資大，且地下水自凈能力較弱，評(píng)分最低，適宜性相應(yīng)也最差。故，南宮地下水庫(kù)回灌建議首選河渠回灌方式，其次為面灌方式，井灌方式效果不理想。

4 結(jié)論

通過(guò)南宮地下水庫(kù)回灌方式四適宜性的研究對(duì)比分析，得出如下認(rèn)識(shí)：

（1）南宮地下水庫(kù)內(nèi)砂層厚度相對(duì)較大，透水性好，河渠回灌方式無(wú)論是從入滲能力、工程建設(shè)成本還是可操作性及安全風(fēng)險(xiǎn)等方面考慮，均表現(xiàn)為很好的適宜性。

（2）區(qū)內(nèi)土地利用程度較高，面灌方式往往存在場(chǎng)地受限、投資較大等弊端，但如果入滲場(chǎng)地夠大，入滲量是非?？捎^的，在取水河道兩側(cè)如有合適坑塘、洼地等合適場(chǎng)地，也可適當(dāng)處理后作為入滲場(chǎng)地，最大限度增加回灌入滲量。

（3）井灌具有占地面積小、安全風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，但由于古河道帶內(nèi)含水層巖性顆粒普遍較細(xì)，多為粉砂、細(xì)砂，本次小口徑回灌井自然回灌入滲效果并不理想，建議未來(lái)采用大口徑豎井回灌或加壓回灌以加大回灌入滲能力。

華北平原中東部地區(qū)為地下水超采綜合治理重點(diǎn)、難點(diǎn)區(qū)域，區(qū)內(nèi)古河道眾多，含水層巖性亦多為細(xì)顆粒物質(zhì)，本次工作為該區(qū)域的地下水調(diào)蓄提供了較為豐富的參考依據(jù)，建議盡快綜合比選確定適宜進(jìn)行地下水回灌的區(qū)域，開(kāi)展地下水調(diào)蓄的相關(guān)工作，為地下水的超采綜合治理提供新的思路。