人工湖补充地下水试验研究

葛晓通

(河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056021)

1 概 述

水是维持地球生物的必需物质，是人类进行生产、生活的重要资源。随着社会经济的快速发展，地下水资源消耗量逐年增加，长期超采致使地下水位大幅下降，在集中开采地带，大型区域性地下水降落漏斗不断出现，供水环境不断恶化。战略储备资源、供水资源的严重不足，已制约了华北地区的经济发展。在华北平原地下水日益恶化的供水环境下，开展人工湖补充地下水是较为有效的措施。

目前，一些发达国家已建成数百座地下水库，用于保护和改善地下水环境、高效利用现有水资源。如美国、欧盟 12 国、加拿大、沙特阿拉伯、日本、印度等，传统修建地表水库储水方法已不再使用，改为利用地下含水层的广阔空间，建立地下水库[1]，恢复地下水资源。中国北京、辽宁、台湾、山东等地区向地下含水层中补水以改善和恢复地下水资源。华北平原补充地下水的研究前人已作过大量工作，张云[2]等认为利用外调水源对其地下水进行补充调蓄，将是解决这种困扰的重要途径之一。许广明[3]等认为要改善或遏制华北平原地下水日趋恶化的供水环境，开展地下水人工调蓄是较为有效的措施。张光辉[4]认为对灌溉农业进行规模化降耗、减蒸、节水改造，是缓解华北平原水资源紧缺和地下水超采的有效方法。陈海波[5]等在对补充地下水新途径的探讨中提到保持地下水采补平衡与发展井灌，节水、回灌是两个重要举措，并且就采用科学种田新方法、改进耕作方式、利用雨季增加雨水回灌量等问题进行了探讨。农业节水成功经验较多，但对回灌地下水有效的方法介绍较少。

本文是基于上述研究成果，针对华北平原目前面对的水危机压力[6]，选择邯郸市馆陶县为试验地点，结合其环境地质条件，通过水平衡原理进行系统分析，利用卫西干渠补充地下水资源的技术方法等问题进行了相关探讨，为补充地下水[7]途径提供了新的思路。

2 试验具体介绍

馆陶县隶属河北省邯郸市，海河流域黑龙港上游，位于华北平原地区，总面积456.3 km2。21世纪初，邯郸市馆陶县地下水平均水位埋深在20～25 m之间，近些年有持续下降的趋势。试验湖为河北省邯郸市馆陶县卫西干渠西侧两个人工湖，地理坐标为N36°31′，E115°15′。卫西干渠全长37.5 km，馆陶县共有坑塘690个，蓄排涝渠道12条，水利化程度达90%。

试验拟将上述人工湖作为封闭的系统，两者可通过闸门连接卫西干渠，两湖之间无连接。水平衡指用水单位的各用水单元或系统的输入水量之和应等于输出水量之和[8]，由水平衡原理可得以下公式：

Qin-ET+R-I-Qout=ΔV

(1)

式中：Qin为通过闸门进入人工湖水量；ET为蒸发量；R为降雨量；I为入渗水量；Qout为通过水泵抽出人工湖水量；ΔV为湖水总体积变化量。

试验仪器包括：①高精度的瑞士KELLER传感器，可记录水位、水压力、温度等数据。工作频率为每4 min记录一次数据，工作环境是保持其一端在空气中，一端在水中，其内存可持续工作一个月；②下载安装适用于Windows7系统的Logger 5.1电脑软件；③蒸发皿里面的水只能通过蒸发作用挥发到空气中，通过外界降雨和人工补给进入蒸发皿。对于蒸发条件来说，蒸发皿与湖水面相接触保证两者相同的环境条件(温度、降雨、风速、湿度等)。4个角固定的泡沫保证了蒸发皿的稳定性，也避免了浪花进入蒸发皿影响数据准确性。在蒸发皿中心铁管中，放置瑞士KELLER传感器来记录蒸发皿内水位、水压力、温度等数据；④其他仪器包括小型无人机、水准仪、土壤分析仪等。蒸发皿与KELLER传感器安装现场见图1。

图1 KELLER传感器与蒸发皿安装现场图Fig.1 KELLER sensor and Evaporation pan installation site diagram

3 分析过程

3.1 水位、蒸发量、入渗率、温度等数据分析

经过2016年3月7日至5月10日的测量，通过Logger5.1电脑软件连接蒸发皿、湖一湖二以及卫西干渠里的KELLER传感器记录其每段时间内的数据。蒸发皿管壁上安装有一个竖直放置的钢尺，可以读出一段时间后蒸发皿水深变化量。若每两次去现场记录数据的时段内无自然降雨，因蒸发皿与试验湖处于完全相同的环境条件，则蒸发皿里的水位下降深度可近似认为是该时段湖面蒸发水深值；若有自然降雨，则与气象部门联系取得这段时间的某次降雨量，加入馆陶入渗模型[9]当中。

实际试验中，取试验湖与卫西干渠连接闸门上的一个点作为固定参照点，每次去现场用塔尺测量人工湖水面与该参照点间的垂直距离，计算出每个时间段内试验湖水位手测变化值。单位时间内通过地表单位面积入渗到土体中的水量称为入渗率[10]，通过计算分析，试验湖与卫西干渠的水位、蒸发量、入渗率、温度等数据的变化情况见图2～图7。

图2反映了湖一中的水位自3月7日至5月10日的变化过程。红色曲线为经修正从传感器中计算出的数据，匹配上现场选定参照点手测数据，可以看出二者的匹配程度理想。

图2 湖一中的水位随着时间变化情况Fig.2 Water level over time of lake 1

图3反映了湖一中的蒸发皿自3月7日至4月30日累计蒸发量。试验中需读取蒸发皿竖直钢尺上的数值，且记录加水后钢尺上的数值，得到一个特定时段蒸发水深值，这是图3中在同一个时间节点有两个手测数据的缘由。结合通过电脑连接蒸发皿铁管内传感器数据，计算出3月7日至4月30日每日蒸发量为0.004 1 m/d。可以看出，累计蒸发量曲线持续上升，见图3红色曲线。

图3 蒸发皿中累计蒸发量Fig.3 Cumulative evaporation from evaporation pan

图4反映了以时间和入渗率为横纵坐标，从3月8日至5月7日随时间变化的湖水入渗率。可以看出，入渗率在0.025～0.06 m/d之间，3月28日入渗率最大为0.06 m/d，4月14日入渗率最小为0.025 m/d。

图4 随着时间推移入渗率变化情况Fig.4 Infiltration rate over time

图5反映了基于每日入渗率平均值随湖水深度的变化情况。由红色直线可以看出，其符合入渗率随湖水深度增加而线性增加的变化规律，符合预期设想。

图6反映了3月8日至5月10日空气与湖水的温度对比中，湖水每日平均温度比空气每日平均温度高，湖水的比热容比空气大故其变化过程更加平缓，空气与湖水的温度都随气候逐渐回暖呈现出逐步上升的趋势。通过对比蒸发皿传感器中每日平均蒸发量和通过式(2)计算蒸发量结果可看出，计算蒸发量的变化趋势更加平缓，两者拟合程度较好，说明本试验蒸发量数据准确性较高。

(2)

式中：E0为蒸发量；Tm=T+0.006h；T为每日温度平均值；h为海拔值；A为纬度坐标值；Td为露点温度值。

图5 基于每日入渗率平均值随水深变化情况Fig.5 Infiltration rate based on daily average values

图6 温度和蒸发量随时间变化情况Fig.6 Temperature and evaporation plot on daily average

图7反映了蒸发皿内水温与湖水水温的变化过程。可以看出，蒸发皿水温比湖水水温稍高，计算均值高约1.02℃。蒸发皿里水温突变原因是随着蒸发皿内水位下降，传感器直接与金属管壁接触，使其数据在短时间内变大。整个试验过程两者温度值非常接近，相关系数达96%，符合试验假定蒸发皿与湖面保持相似自然条件的假定，确保试验中蒸发量计算准确。

图7 蒸发皿和湖一水温随试验时间变化情况Fig.7 Water temperature of evaporation pan and lake 1 over time

3.2 入渗体积计算过程

经小型无人机飞行测量可知，两个人工湖平均表面积为35 900 m2，平均水深值为3.19 m。经测量，试验前水位已经下降0.91 m，故试验过程中水位变化值为2.28 m。试验期内，蒸发水位变化值为0.3 m，占总水位变化值的13.16%，试验周期内入渗水位变化值为1.98 m。试验进行前，水位变化值中蒸发水位变化值为0.12 m，入渗水位变化值为0.79 m。整个人工湖入渗水位变化值为2.77 m，总入渗体积为99 443 m3。

3.3 人工湖补充馆陶县多年平均地下水超采量可行性分析

根据《河北省馆陶县水资源评价》，馆陶县多年平均水资源总量为6 229.9×104m3，人均水资源占有量为207.9 m3，属水资源严重不足县。馆陶县地下水多年平均可开采量为5 751.5×104m3，现状年地下水实际开采量为7 734×104m3，超采量为1 982.5×104m3，地下水开发利用程度为134.5%，超出率达34.5%，属于严重超采。通过试验可知，建造表面积3.6×104m2、平均深度3.19 m的人工湖，蒸发入渗时期总入渗水量约为10×104m3，故需要198个同等规模的人工湖补充馆陶县多年平均超采量。已知馆陶县共有坑塘690个，可以通过修缮已有坑塘，卫西干渠汛期将水储存于距离渠道较近的坑塘，利用坑塘的入渗作用补充馆陶县地下水量。

3.4 应对水资源短缺其他方法的思考

3.4.1 水资源短缺概念

水资源短缺[12]指水资源相对不足，满足不了人们正常生产、生活和生态的需求。用户的工业、农业、生活 、环境等用水需求得不到保障是水资源短缺的具体表现，与水资源数量及其经济结构、时空分布、气候条件、用水习惯等因素有关。随着经济的快速发展和人口激增，对水资源的需求不断增加，加上对水资源不合理的开发利用，不同程度的缺水问题出现在不同国家和地区[13]。

3.4.2 解决水资源短缺问题的方法

笔者认为解决水资源短缺问题[14]迫在眉捷,应“节流”与“开源”并举。可从政府部门和当地群众两方面分析，又可分为合理分配、增加供应、增强保护[15]3个方面。政府部门方面：①重新制定水价收费标准；②修建水库存蓄水资源，合理利用地下水、跨流域调配水资源；③积极发展新型科技，使海水淡化早日实现；④输水渠道内衬，提升渠道水利用率；⑤做好人民群众保护水资源的宣传工作等。当地人民方面：①调整农业种植结构[16]，尽可能种植节水抗旱品种；②采取蔬菜膜下滴灌、铺设微喷带、固定式喷灌等节水措施；③提高农作物种植技术，减少回流等。

4 结 论

21世纪以来，针对地下水水位连年下降问题有3种应对方法：①水资源再分配；②减少使用量；③增加供应量。本文着眼于第三点，以馆陶县具体人工湖为例，应用蒸发皿、瑞士KELLER传感器及Logger5.1电脑软件等，计算出表面积为3.6×104m2、平均深度为3.19 m的人工湖，蓄满一次补充地下水水量约为10×104m3，为华北地区实际补充地下水水量提供了新的思路。