河南省新乡市小店工业园区地表水回渗与管井回灌试验研究

庞宇飞，康 剑，赵 冠

（河南地矿集团中昊建设工程有限公司，河南 郑州 450007）

中国北方地区相对于南方地区干旱少雨，地表水量季节性变化很大，地下水补给量有限，而地下水的开发利用量往往大于南部地区。华北地区一些长期超强度开采地下水地带，已经出现地下水位持续下降，并形成大面积地下水降落漏斗。借鉴国内外通过河流地表水重力势能自然转移与地下水赋存形式的相互转化，及人工回灌技术（李恒太等， 2008），即可缓解地下水水位持续下降、地面沉降、海水入侵等环境地质问题。

近年来，许多西方发达国家利用多余的水源人工补给地下水的工作得到了迅速发展，在开发利用地下水的总量中人工补给量一般占到20%～30%以上，在缓解地下水降落漏斗持续扩大方面成效明显。我国的地下水人工补给回灌工作起步相对较晚，最初主要是上海、天津沿海城市利用抽水试验（主灿等，2018）和回灌技术研究因地下水开采而引起的水位下降、地面沉降及海水入侵等问题。目前国内研究已经延伸到济南等内陆城市地表水转化为地下水资源优化配置模型研究（冯宝平等，2017）。朱金峰等（2017）对国内近20年来地表水与地下水相互作用的研究成果进行归纳总结，并梳理出地表水与地下水的研究热点和前沿问题。近年来，在我国北方地区利用天然河道渗漏补给地下水如济南玉符河补给趵突泉泉域地下水及开采关系研究等，都取得了典型示范效果。位于华北平原地区的新乡市小店工业园区处于黄河中下游冲积平原地带，工业聚集区内企业生产生活用水主要依靠自备井供水，形成地下水降落漏斗面积近10 km2，已给当地工农业生产生活造成不利影响，为缓解地下水漏斗下降趋势，有关技术单位开展了地表水回渗和管井回灌补给地下水试验研究工作。本文采用柳青河地表水回渗与管井回灌2种试验方法，探讨补充浅层地下水有效水量的可行方法，以期对类似地区开展回灌工作提供参考。

1 地表水回渗试验

1.1 本次试验场地条件

（1）场地位于黄河中下游冲积平原新乡市小店工业园区，微地貌属于黄河故道古河床。地势西南高、东北低，地表高程西南部75～81 m，东北部平均72 m，地表坡降1/3000，具有地表水自西南向东北自流的优势条件。

（2）场地包气带岩性以具有透水性较好的粉砂、粉土为主，地表水具有较好的入渗条件。其中，柳青河左岸800 m以西包气带岩性为粉土，以东包气带岩性为粉细砂。包气带厚度一般3.5～7.5 m，柳青河河床以下包气带厚度一般2～6 m。

（3）接受补给的目的层为第Ⅰ含水层，地下水类型以潜水为主，含水层岩性主要为细砂、中砂，含水层单层厚度8～25 m，总厚度40～60 m。含水层具有较大的孔隙和孔隙度，分布面积为33 km2。

（4）柳青河在小店工业园区内自西南向东北流经上游、下游2个观测断面长度8.73 km，河段宽7～15 m，深度1.3～2.0 m，常年有水。现状条件下，柳青河河底高于区内第Ⅰ含水层组地下水位2～6 m，河底未硬化，断面之间没有引水设备，没有排水通道，具备进行地表水回渗试验的有利条件。

1.2 工程布置

在小店工业园区内柳青河上游、下游分别设置观测断面，对柳青河流量和水位进行观测，观测频率每5 d 1次，观测时间2013年4月1日—9月30日，同时在柳青河两岸及周边布置若干个地下水动态观测井，同步观测地下水位。柳青河回灌补给地下水试验工程布置见图1。

图1 试验工程布置图Fig. 1 Layout of test project

1.3 柳青河回渗试验结果

试验期间，对柳青河上游断面、下游断面流量和水面蒸发量进行观测，采用公式（1）计算柳青河回渗量。

式中，ΔQ为柳青河水回渗量（m3·s-1）；Q1为上游断面河水流量（m3·s-1）；Q2为下游断面河水流量（m3·s-1）；为柳青河水面蒸发量（m3·s-1）；Ԑ0为地表自然水体水面蒸发强度（m·s-1）；L为柳青河上、下游断面之间河段长度（m），L=8575 m；M为柳青河上、下游断面之间河流平均宽度（m），M=11 m。

试验期间，柳青河上游断面流量为0.401～0.634 m3·s-1，下游断面流量0.266～0.431m3·s-1，蒸发量0.003～0.005 m3·s-1，柳青河水回渗量0.049～0.306 m3·s-1。上游断面（Q1）、下游断面（Q2）流量及水面蒸发量观测结果见图2，回渗补给量历时曲线见图3。

1.4 地表回渗试验效果分析

2013年4月1日—9月30日地表水回渗试验期数据（河南工程水文地质勘察院有限公司，2013）显示，河水回渗补给量区间值为0.049～0.306 m3·s-1，平均值为0.184 m3·s-1，柳青河河水回渗地下水总补给量为290.93万m3，取得了较为满意的地表回渗试验效果。试验期内，由于在小店工业园区范围内，工业和生活开采井正常运转，且河流两岸农田灌溉正常进行，加之第Ⅰ含水层组浅层地下水接受大气降水和灌溉回渗等补给，无法单一利用观测井浅层地下水位升降数据单独反映柳青河地表回渗效果，试验区内试验效果主要通过柳青河蒸发量、回渗水量变化实测数据体现出来。试验期间观测井地下水位变化可以作为参考资料进行分析。2013年4月1日试验开始后，开采区降落漏斗中心地带B15井及河流两岸周边区域共10个代表性观测井。从6月30日、9月30日实测水位数据可知，7个井9月30日实测水位比6月30日实测水位普遍同步有所回升，1个井水位不变，远离河岸2个井水位稍有下降。地下水位的变化说明地表回渗试验取得了较为满意的效果。由此说明本次地表水回渗补给地下水试验，适合于在包气带岩性为粉细砂、粉土，厚度3.5～7.5 m，且与下部含水层有较好的水力联系的地区应用和推广。

对于因长期大量开采地下水而形成降落漏斗区域，需要长期利用河水回渗补给，才能起到补充地下水资源的作用。但是，采用长期地表水回渗补给地下水，应注意长期回渗可能引起附近土壤盐渍化、沼泽化（沈时德，1993）及水质污染（西汝泽等，2012）等环境地质问题，应及时采取对应的防治措施。

2 管井注入回灌试验

2.1 试验场地条件

本次利用小店镇西侧新乡宜兰酒店院内2眼供水井，进行地下水抽水试验和管井注入回灌试验。回灌场地范围有限，占地少，水量浪费少。2眼井的井深均为55 m，管井结构相同，滤水管埋深10～50 m，井间距23 m。开采目的层岩性均为粉细砂、含泥质细中砂层。

2.2 抽水试验

（1）抽水试验技术要求

开展单孔稳定流抽水试验，目的是确定单井涌水量与水位降深之间的关系，采用解析法求取水文地质参数，为回灌试验确定回灌量及预测可能的回灌时间奠定基础。

抽水试验出水量和地下水动水位观测精度符合GB 50027－2001《供水水文地质勘察规范》技术要求。恢复水位观测，停泵后立即对抽水孔进行恢复水位观测，观测频率和精度与抽水试验的水位观测相同。抽水及恢复过程中对原始资料和表格进行及时记录和整理。

（2）抽水试验技术参数

2013年5月20—22日，通过利用抽水井稳定流抽水试验，取得的试验参数数据为：单井出水量22 m3·h-1，稳定水位降深3.54 m，稳定水位延续时间24 h，单位涌水量6.21 m3·h-1·m-1，滤水管直径325 mm，管井回灌试验场地地下水静水位埋深7.15 m，潜水含水层总厚度47.85 m。采用解析法计算含水层影响半径、渗透系数等参数，利用潜水完整井经验公式联立求解，迭代法计算公式如下：

式中，K为含水层渗透系数（m·d-1）；R为抽水试验影响半径（m）；r为井管半径（mm）；Q为单井出水量（m3·h-1）；H为潜水含水层总厚度（m）；S为单井稳定水位降深（m）。

经计算，回灌场地含水层的渗透系数为3.13 m·d-1，抽水试验影响半径为86.6 m，大于两井间距55 m，处于两眼井相互影响范围内，是比较理想的间距设计。

2.3 工程布置

回灌试验井按一抽一灌布置，即水井J1为抽水井，同时采用三通阀门控制水量技术，对水井J2进行回灌。井间距23 m，正好在抽水试验影响半径范围内，设计方案有利于提升水井回灌量。

回灌试验按如下设计进行：1）回灌孔、抽水孔水位可测量；2）回灌量可调节、可测量；3）定流量数值按设计水位高低而定；4）采用水表计量水量，水位观测采用电测水位计。回灌试验前，先对抽水孔做单孔稳定流抽水试验，抽水试验结束，水位恢复至抽水前的初始水位后再做回灌试验。

2.4 管井回灌试验

（1）回灌试验技术要求

试验采用自然重力回灌法。

首先进行最大灌入量试验（设计注水孔水位上升至孔口2 m时的灌入量为最大灌入量），稳定延续一定时间后，再通过调节水量，进行不同水量、水位间的相关试验。

水位、水量与水温观测：试验开始前观测抽水孔与注水孔的静水位。试验开始后，立即观测抽水孔的水位，注水孔的观测以水流入注水孔内的那一刻算起；水量观测与水位观测同步进行；水温观测在回灌试验前3日进行静水位、水温观测；试验开始4 h内每30 min测1次，以后每2 h观测1次。

（2）管井回灌试验结果

依据抽水和回灌试验结果和回灌试验稳定回灌量大小，选用与之对应的抽水量时的单位涌水量，计算单位回灌量与单位涌水量之比，以确定试验第Ⅰ含水层组的回灌能力。回灌试验取得有关参数分别为：静止水位7.15 m，单井涌水量22 m3·h-1，单位涌水量6.21 m3·h-1·m-1，抽水与回灌试验延续时间48 h，稳定水位延续时间24 h,稳定回灌量5.5 m3·h-1，回灌试验井水位升幅2.07 m，单位回灌量2.66 m3·h-1·m-1，单位回灌量与单位涌水量之比为43%（河南工程水文地质勘察院有限公司，2013）。回灌试验历时曲线见图4。

图4 回灌试验历时曲线Fig. 4 Duration curve of recharge test

2.5 管井注入法回灌试验效果分析

本次管井回灌试验稳定回灌量为5.5 m3·h-1，对比抽水试验出水量22 m3·h-1，回灌量较小，回灌井稳定水位升幅2.07 m，单位回灌量2.66 m3·h-1·m-1。从回灌试验结果分析可知，单位回灌量与单位涌水量之比为43%，小于50%，说明本地区第Ⅰ含水层组含泥质细中砂含水层回灌能力较差。主要是含水层颗粒较细时，井管和含水层易产生较强的物理和化学的堵塞作用（黄修东等，2009），堵塞过程与渗流特征交互作用（杜新强等，2009），造成管井注入法回灌试验效果较差。说明管井注入法回灌不适于在本地区使用。

3 结论

利用柳青河天然河床，以河水为水源，借助地表水和地下水之间的天然水头差，在场地开阔及地势自然坡降由高到低使河水自流条件下，自然渗漏补给地下水，河床可以及时清淤保持长期入渗，这种补给方法成本费用较低。新乡市小店工业园区，包气带岩性为具有渗透性的粉细砂层、粉土层且厚度3.5～7.5 m，接受补给的含水层分布面积大于30 km2、总厚度大于40 m，这是重力法自然入渗补给地下水的必要条件。从试验成果分析可知，地表河水回渗地下水效果较好，适宜本地区和类似地区推广应用。建议今后可以选择受降水、人工开采地下水影响较小的河谷平原地区，通过观测井地下水位的变化取得更直观的试验效果。

小店工业园区开采含水层为粉砂、含泥质细中砂层，含水层颗粒较细，渗透系数较小，当水量集中注入水井时，水井及其附近含水层中流速较大，滤水管缝隙和含水层空隙易堵塞，使得注入水量不能很快通过滤水管进入附近含水层，也不能很快向外围含水层扩散，影响范围有限，故回渗效率仅为43%，回渗效果不明显，说明本区不适合采用管井回灌补给地下水。建议本地区和类似地区不适宜推广应用管井注入法。