对偶反滤回灌井室内稳定流试验研究

魏鹏昆，李旺林,2，李 纳，吴泽华，徐 芳，何家鹏(.济南大学，济南 250022；2. 山东省地下水数值模拟与污染控制工程技术研究中心，济南 250022；.山东省邹平县水利局，山东 邹平 256200；.福建省水利水电科学研究院，福州 5000)

山东半岛属于低山丘陵区，暖温带湿润季风气候，70%～80%的年降雨量集中出现在7-8月份，而枯水季节出现河水断流和枯涸现象，经统计该区人均水资源占有量为291.2 m3，水资源利用率不足30%，属于较为严重的缺水地区。为了有效利用雨洪资源，山东半岛建设了一批地下水回灌工程，其中反滤回灌井是最常用的一种回灌设施[1]。反滤回灌井是一种自身具有一定净水能力的特殊回灌井，适用于上部为壤黏土、下部为砂层或砂与壤土互层的地层，一般布置在河道内或回灌渠内。反滤回灌井由回灌池和普通的回灌井组成，其回灌井位于回灌池底部中心处，回灌池是一个上大下小的四方台形的土坑，坑内回填砂、砾石2层反滤料，使其具有过滤水中颗粒和杂质的能力。当水流流经回灌池时，河水渗入回灌池，经过滤后进入回灌井内，并转化为地下水。

如何提高回灌设施的回灌能力是回灌工程设计的一个重要问题。目前，在提高回灌设施的回灌能力方面，主要集中在2点：一是减少回灌设施和含水层的堵塞，二是提高回灌设施的单位回灌量。前者是目前地下水回灌研究的热点，后者研究较少。

在回灌设施和含水层堵塞方面，代表性的研究有：林学钰分析了人工回灌过程中地下水主要溶质组分的变化趋势和相关水岩反应[2]；黄修东研究了井灌过程中可能发生的物理、生物堵塞[3]；郑西来研究了悬浮固体颗粒对含水介质堵塞的机理[4]；Li Ma在回灌池中用干、湿循环和保持低水头的办法，以减少生物堵塞[5]；N. Phien-wej分析了回灌水中携带空气引起的堵塞、回灌水与自然地下水化学不相容引起的堵塞、回灌水中悬浮颗粒引起的堵塞[6]；A.F. Bichara研究了不同条件下承压含水层回灌井堵塞的规律[7]。

在提高回灌设施的单位回灌量方面，代表性的研究有：A.K.Rastogi采用伽辽金有限元方法分析了矩形、正方形、正六边形、圆形、正三角形等回灌池的回灌效果，得出等面积、等回灌率和其他条件相同的情况下，矩形回灌池的回灌量最大[8]；李旺林研究了反滤回灌井单井回灌量的定量计算方法[9]，分析了现有反滤回灌井存在的主要问题，探讨了如何提高反滤回灌井单井回灌量的问题[10]，并介绍了多面进水反滤回灌井及单井回灌量的计算方法[11]。

本文在分析现有反滤回灌井存在问题的基础上，以提高大单井回灌量为前提，设计了3种新型对偶反滤回灌井，研制了室内稳定流回灌试验装置，进行了普通回灌井、现有反滤回灌井和3种对偶反滤回灌井的室内稳定流回灌试验研究。这有助于进行反滤回灌井单井回灌量的定量计算和提高反滤回灌井的回灌能力，对于地下水库回灌工程设计具有重要的现实意义。

1 对偶反滤回灌井设计

新型对偶反滤回灌井设计的基本原则和方法如下。

(1)尽可能地增加回灌池的过水断面面积。反滤回灌井由回灌井和回灌池2部分组成。对于目前的反滤回灌井，其回灌井的可回灌量相对较大，而回灌池的渗入水量过于偏低[10,11]，制约了反滤回灌井的单井回灌量。因此，如何提高回灌池的渗入水量是提高现有反滤回灌井回灌量的重要因素。提高回灌池的渗入水量的途径有2个：一是选用更大渗透系数的反滤材料，这方面潜力不大，如选土工织物代替砂反滤层，其渗透系数相当或略微增大；二是增加回灌池的过水断面面积，这方面很有潜力。

现有反滤回灌井回灌池的入渗断面只有顶面，对于一个外径0.8 m的回灌井，其回灌池顶面面积已达3.9 m×3.9 m=15.21 m2，如再继续增大回灌池表面面积，占地更大，已不经济。因此在减少占地面积的前提下，如何增大过水断面面积是回灌池改进或优化设计的重点。

(2)提高反滤回灌井的抗淤能力。由于现有反滤回灌井顶高程与河床表面基本持平，对于河床纵向比降平缓的河段，或筑坝建闸挡水蓄水的河段，在现有反滤回灌井表层很容易产生淤积，淤泥充填回灌池上层砂层孔隙，使回灌池失去渗水功能，大幅度地降低反滤回灌井回灌量，淤积严重的，使反滤回灌井失去回灌的功能。据统计，山东胶东半岛，河床平缓或蓄水河段的反滤回灌井，经历1～2个汛期，淤积作用基本可使反滤回灌井丧失回灌能力。

(3)提高反滤回灌井的抗冲能力。由于现有反滤回灌井的回灌池为土坑，对于河床纵向比降较陡的河段，回灌池容易冲毁，带走反滤砂，使其丧失反滤能力，其后果导致泥沙颗粒进入回灌井，细小颗粒进入含水层，使回灌井淤积填埋，并使含水层淤堵，并降低储水能力。因此，还有必要对回灌池加以保护。

对现有反滤回灌井改进设计思路：如果将回灌池从地下抬高至地面以上，从原来的土坑变为有硬质材料护壁的回灌井口，并由原来回灌池表面一面入渗进水的方式，改为从回灌井口顶面、外侧面入渗进水的方式，即可防冲抗淤，又可增大过水断面面积；如果在井口中间掏空，让水流从井口中间穿过，则又可增加内侧面、内侧底面入渗进水，使入渗过水断面面积最大化。另外，再以相当或较大渗透系数的土工织物代替砂反滤层，即不会减少渗入水量，又不失反滤功能，而且维修、更换方便。

设计了3种新型对偶反滤回灌井，对偶反滤回灌井由回灌井和对偶回灌井口组成。3种新型对偶反滤回灌井的对偶回灌井口分别为：第1种为圆形对偶井口，其回灌井口为顶面、外侧面、内侧面、底面均能进水的2个对称的半个空心圆柱体，见图1(a)～(d)；第2种为方形对偶井口，其回灌井口为顶面、外侧面、内侧面、底面均能进水的2个对称的空心长方体，见图1(a)、(e)～(g)；第3种为台形对偶井口，其回灌井口为顶面、外侧面、内侧面、底面均能进水的2个对称的空心长方台体，见图1(h)～(j)。

图1 对偶回灌井口结构示意图Fig.1 The structural diagram of dual recharge wellhead 注：1-回灌池；2-侧壁；3-土工织物；4-河底地面；5-外侧壁孔口；6-内侧壁孔口；7-回灌井；8-反滤料。

与普通反滤回灌井相比，对偶反滤回灌井具有以下特点。

(1)回灌池置于地面之上，称之为对偶回灌井口，其顶面、外侧面、内侧面以及内底面均可进水，增加了进水断面面积，提高了抗淤能力。

(2)对偶回灌井口采用硬质塑料、钢、薄壁钢筋混凝土材料等，增强了抗冲能力。

(3)对偶回灌井口外表覆盖一层土工织布，既能有效过滤回灌水中的杂质，也能节省砂砾石反滤料，且维修简便、容易更换。

(4)对偶回灌井口底部一定高度范围内做成不透水的，可防止雨洪初期劣质河水回灌至含水层。

(5)如果河水临时受到污染，可在对偶回灌井口土工织物反滤层外侧，再加套一层土工膜，使对偶回灌井口外表增加了一层不透水层，以防止污染的河水回灌至含水层。

对偶反滤回灌井的适用条件如下。

(1)我国北方中小型流域季节性河流，汛期河水大量遗弃，非汛期流域缺水，河水没有污染或轻微污染。

(2)含水层上部为不透水层或弱透水层，即地层表层为壤土或黏土，或含水层为砂层、黏土互层结构，通过回灌井经历各层含水层的水力联系。

(3)对偶反滤回灌井位于河流河床、滩地，或专用引水回灌渠内。

2 对偶反滤回灌井稳定流试验

2.1 试验设计

(1)试验装置。室内回灌试验装置由有机玻璃材料制作，为长1.8 m、宽0.8 m、高1.3 m的长方体，试验装置能模拟半个完整反滤回灌井或非完整反滤回灌井的稳定流回灌试验。试验装置详见图2。

图2 室内回灌试验装置示意图Fig.2 The schematic diagram of laboratory recharge test device

室内回灌试验装置由供水系统、排水系统、回灌系统和测量系统4部分组成。供水系统包括水源、稳压水箱、水表、进水管和进水口。排水系统包括出水口、调节水箱排水孔和底排水孔。回灌系统主要由回灌水槽、回灌井、各种井口、长方体容器和地下水位调节池组成，其中水槽用于模拟天然河道，长方体容器用于模拟含水层，地下水位调节池用于控制回灌井周围地下水位，见图3(a)。回灌井半径10 mm，由有机玻璃管制作，取一半，黏于长方体容器一侧壁的正中间。考虑与回灌井模型一致性，各种回灌井口模型比例为1:25，均取一半，过水断面面积的开孔率约为20%，其中圆形对偶井口高110 mm，外径为40 mm，内径为20 mm；方形对偶井口高110 mm，边长为40 mm；台形对偶井口高110 mm，上口长边边长为35 mm，下口长边边长为40 mm，过水断面面积的开孔率为20%，详见图3(b)～(d)。为了进行对比分析，又制作了原回灌池模型，取一半，其底部尺寸为40 mm×20 mm长方形，顶部尺寸为40 mm×80 mm长方形，详见图3(e)。测量系统分为水位测量系统和流量测量系统，包括水槽水位标尺、测压管、进水和出水流量测量等。测压管布置于长方体容器底部，共计20只，按水平线、垂直线和对角线4条线布置，主要用于测量含水层地下水位。测压管布置见图4。

图3 回灌装置和回灌井口Fig.3 Recharge device and wellhead of recharge well

图4 回灌装置底部测压管布置Fig.4 Piezometric tube distribution map in the bottom of recharge device

(2)试验方案。试验模拟承压含水层完整井稳定流，拟做5种井的稳定流回灌试验：方案一为普通回灌井稳定流回灌试验，仅有回灌井、无井口；方案二为现有反滤回灌井的稳定流回灌试验，模拟原四方台体回灌池，池内设置砂、碎石2级反滤料；方案三为圆形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验；方案四为台形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验；方案五为方形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验。

其中方案一为普通回灌井，代表目前国外和国内(除山东半岛)常用的地下水回灌设备；方案二为现有反滤回灌井，代表目前山东半岛常用的地下水回灌设备；方案三～五为研制的新型对偶反滤回灌井。

(3)试样制备。试验装置表层为黏土，下层为砂，砂控制干密度1.44～1.50 g/cm3，渗透系数为3.07～3.55×10-4m/s。砂样采用天然河砂，平均粒径0.836，不均匀系数3.2，曲率系数1.18，为不良级配粗砂，砂样颗粒大小分布曲线见图5。

图5 砂样颗粒分布曲线Fig.5 Sand particles distribution curve

回灌井口反滤采用土工织物，其单位面积重量为200 g/m2，厚度为3 mm，土工织物+有机玻璃井口(约20%的开孔率)的综合渗透系数为6.2 ×10-4m/s。

(4)室内回灌试验结束标准和资料整理。试验结束标准：当连续测量3次回灌量，其中每2次连续测量回灌量之差均不大于后一次(指连续2次测量中的第2次)回灌量的5%时，回灌试验即可结束。试验资料整理：取最后3次回灌量测量值的平均值作为回灌试验的结果。

2.2 室内稳定流回灌试验

试验模拟承压含水层完整井稳定流，水槽内稳定回灌水位92 cm(长方体容器底部为0基准水位)左右，周围地下水位20 cm。为保持周围地下水位稳定，在安装井对面的侧壁下部，设置一砾石排水带，排水带出口与两侧调节水箱相连，使该侧地下水位与两侧调节水箱的水位保持一致。试验时，水由稳压水箱流出，由水槽一侧进入水槽，水流流经反滤回灌井时，一部分水通过回灌井口或回灌池渗入回灌井口内，然后以垂直流方式进入回灌井，再以水平流方式进入砂层，砂层中水再流入两侧调节水箱；水槽内其余的水经水槽另一侧排水管排出。打开调节水箱排水阀，使两侧调节水箱内水位稳定在20 cm高程左右，通过测定调节水箱排出水量，即可得承压含水层完整反滤回灌井稳定流时的单井回灌量。当水槽内回灌水位和调节水箱水位保持稳定时，单位时间内从调节水箱排水阀排出的水量即等于反滤回灌井的单井回灌量。

先后进行了普通回灌井、现有反滤回灌井、圆形对偶反滤回灌井、方形对偶反滤回灌井和台形对偶反滤回灌井的稳定流回灌试验，并进行了平行试验。

2.3 试验成果与分析

在水槽回灌水位为92 cm、周围地下水位为20 cm的条件下，各种承压含水层完整井稳定流试验中实测的地下水位线(沿水平线布置测压管得到)见图6，实测单井回灌量见表1。

图6 实测地下水位线(测压管沿水平线布置)Fig.6 Measured groundwater level (piezometric tube along horizontal line)

从图6中可以看出：

(1)普通回灌井地下水位线最高，对偶反滤回灌井的地下水位线次之，现有反滤回灌井的地下水位线最低。

(2)水槽回灌水位为0.92 m时，普通回灌井井口处的地下水位为0.51 m，而现有反滤回灌井回灌池附近的地下水位为0.25 m，说明现有反滤回灌井回灌池的综合水头损失最大，回灌井的回灌能力未充分发挥，大大影响了现有反滤回灌井的回灌能力。

(3)对偶反滤回灌井回灌井口处的地下水位高0.47～0.50 m，同现有反滤回灌井回灌池相比，其综合水头损失相对较小，较大程度地发挥了回灌井的回灌能力，但还是一定程度地影响了现有反滤回灌井的回灌能力。

表1 单井回灌量汇总表Tab.1 The summary statement of single-well recharge volume

从表1中可以得出：

(1)现有反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的15.4%，说明回灌池产生较大的水头损失，大幅度地降低了回灌量。

(2)圆形对偶反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的79.1%，台形对偶反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的76.2%，方形对偶反滤回灌井的单井回灌量为普通回灌井的76.7%，说明对偶回灌井口也产生一定的水头损失，并影响回灌量。

(3)同现有反滤回灌井相比，对偶反滤回灌井的单井回灌量大约增加了395%～414%，说明对偶回灌井口大大提高了反滤回灌井的回灌能力。

3 讨 论

3.1 回灌试验次数对单井回灌量影响分析

图7 单井回灌量Q与回灌次数N关系曲线Fig.7 The curve of single-well recharge volume Q and recharge times N

图7为方形对偶反滤回灌井的单井回灌量Q与回灌次数N关系曲线。由图7可知：初次试验单井回灌量最大，随回灌试验次数的增加，其单井回灌量逐渐减小，并趋向稳定，其稳定单井回灌量约为初次试验单井回灌量的79%。这是由于在室内稳定流回灌试验中，当水流经过回灌井口土工布渗入回灌井，进入含水砂层，以及在含水砂层渗流的回灌过程中，水流中还夹杂着一定量的空气，另外含水层中还存在一些封闭气泡和细小的泥沙颗粒，这些都会产生一定的堵塞作用，影响单井回灌量。

3.2 井口类型对单井回灌量影响分析

由表1知：方形对偶井口的过水断面面积最爱，台形次之，圆形最小。一般而言，渗水量与进水断面面积成正比，由此可以推论：方形对偶回灌井口的单井回灌量最大，台形对偶回灌井口次子，圆形对偶回灌井口最小。然而实验结果却表明：圆形对偶回灌井口的单井回灌量反而大于方形对偶回灌井口的，而方形对偶回灌井口的单井回灌量却大于台形对偶回灌井口的。这说明回灌井口类型影响单井回灌量。

产生这种现象的原因是：对于圆形对偶回灌井口，反滤回灌井中回灌井的过水断面是圆形，当水流从井口进入回灌井内部时，由于井口和回灌井的断面现状一致，其水流流态比较流畅，水头损失较小；而方形和台形对偶回灌井口，则由于井口和回灌井断面现状的差异，影响水流流态，水头损失较大，因此，圆形比方形、台形对偶回灌井口具有较大的单井回灌量。而方形和台形对偶回灌井口，二者断面形状相近，水流流态相近，方形对偶回灌井口因过水断面较大而具有较大的单井回灌量。另外，文献[8]中的回灌池为单纯的大型回灌池，回灌池下不存在普通回灌井，其研究结论自然与本次试验结果不同。

4 结 语

通过试验与分析，得出以下结论。

(1)对偶反滤回灌井的下部不透水壁，可防止雨洪初期劣质水回灌含水层。如果将土工膜套在对偶回灌井口土工织物反滤层外侧，可预防污染河水回灌至含水层，增强了对偶反滤回灌井的抗污性。

(2)在试验条件下，普通回灌井、现有反滤回灌井、圆形对偶反滤回灌井、台形对偶反滤回灌井和方形对偶反滤回灌井的单井回灌量分别为19.82、3.05、15.68、15.11和15.20 L/min，同现有反滤回灌井相比，对偶反滤回灌井单井回灌量增加了395%～414%，且具有较强防淤抗冲能力，同时还节约了砂砾石材料。

(3)反滤回灌井初次回灌试验的单井回灌量最大，随回灌试验次数的增加，其单井回灌量逐渐减小，并趋向稳定。

(4)对偶回灌井口类型影响单井回灌量，圆形对偶回灌井口的进水水流流态最好，单井回灌量最大。

对偶反滤回灌井特别适用于降雨集中、汛期大量雨洪遗弃、分布有众多季节性河流的我国北方地区，它能够在汛期将更多的遗弃雨洪转化为可利用水资源，这对于提高我国北方流域水资源利用率、缓解水资源短缺的矛盾具有重要的现实意义，对于海绵城市建设具有重要的借鉴作用。同现有反滤回灌井相比，对偶反滤回灌井具有较大的回灌能力、较强的防淤抗冲能力和一定的抗污能力，对偶反滤回灌井及其回灌系统将会具有广阔发展前景。

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