黄河流域松散岩层浅层地下水回灌试验分析——以聊城市茌平区为例

郭忠华，王学民，常 彬，付兆健

(1.山东省物化探勘查院，山东 济南 250013；2.山东省地质勘查工程技术研究中心，山东 济南 250013)

浅层地下水是水资源的重要组成之一，亦是黄河流域工业发展和居民生活主要供水水源[1]。自20世纪70年代以来，随着经济的快速发展，山东省黄河流域地区的地表水受到了不同程度的污染，地下水开采量的急剧增加和补给量的不足，导致该区地下水平衡遭到破坏，产生了水质恶化、地下水位降落漏斗、地面沉降等与地下水开采密切相关，严重影响区域可持续发展的一系列环境地质问题[2]。地下水回灌是解决许多地方环境地质问题的有效方法。早在十八世纪末，欧洲一些国家已经开展了对人工补给地下水的应用和研究，我国对地下水回灌的研究是从20世纪60年代的上海、天津等城市针对控制地面沉降开始，总结了不同水文地质条件下的人工补给经验，并取得了一系列重要成果[3-6]。

茌平区位于山东省西部，隶属聊城市，是典型的黄河流域城市。茌平区近些年由于工业和居民生活用水大量开采浅层地下水，出现了地面沉降、地下水位降落漏斗，并不断向四周扩散，已经对社会、经济和环境带来了严重危害[7-9]。因此，本文以茌平区浅层地下水为例，选定合适区域开展浅层地下水单井自然回灌和单井加压回灌试验，取得相关回灌参数，根据试验数据和理论分析该区地下水位变化、含水层最大回灌量，初步评价含水层的回灌能力，对实现地下水资源可持续开发利用，保障经济可持续发展有着重要的意义，为后期合理回灌方案的设计提供依据，为黄河流域地区环境地质问题的防治工作提供借鉴[10-13]。

1 回灌试验场地地质情况

茌平区位于山东省西部，气候属暖温带半湿润季风气候区，四季变化明显。年平均气温13.6℃，年平均降水量为560.88 mm，降水量年变化大，区域内河流纵横交错，有徒骇河和马颊河2条主要河流。茌平区位于华北平原，大地构造位置处于华北地台的东南部，黄河下游冲积平原黄河以北地带，地势较平缓，地面倾斜方向基本随河流流向自西南向东北微倾，高处标高35.0 m，低处标高26.5 m，平均坡降1/15 000。区内全部为第四系覆盖，地表埋深200 m以内为第四系的近代黄河冲积层，地层主要为粉土、粘性土和细砂层。

1.1 工程地质条件

试验场选于茌平区城区振兴街道办事处，场区范围71 km2，区域地下水位埋深4～12 m，全新统堆积层夹有淤泥层，结构复杂，受聊考断裂强烈活动的影响，地震烈度大于7度，地壳不稳定，工程条件复杂。试验场地勘察深度控制范围内土层共分为9层，土层交互存在。其中第②层、第④层、第⑥层、第⑨层为灰黄、黄褐色粉质粘土，可塑，具中压缩性，总厚度43.49 m；第⑤层为红褐色粘土，稍湿～湿，松软～可塑，具有中压缩性，承载力高，厚度11.86 m；第③层、第⑦层为灰褐色粉土，颗粒细腻均匀，稍湿～饱和，松散～中密，可塑，微固结，总厚度11.85 m；第⑧层为黄褐色细砂，结构松散，很湿～饱水，承载力较高，但在地震烈度7度区具有砂土地震液化现象，主要矿物成分为长石、石英、云母，厚度15.3 m，为浅层主要含水层。地层情况见表1。

表1 试验场地地层情况

1.2 水文地质条件

茌平区浅层潜水-微承压水，位于自地面以下60～100 m，一般底层埋深80 m左右。地下水的补给主要为大气降水，另有河流侧向渗漏补给、地下水的侧向径流补给以及灌溉回渗。地下水垂向运动强烈，动态类型主要为降水入渗-蒸发型，降水入渗-开采型，降水入渗-开采、蒸发型等。古河道带单井涌水量大于1 000～2 000 m3/d。水化学类型多为HCO3-Na·Mg型，矿化度一般小于2 g/L，地下水总硬度一般大于390 mg/L[14]。茌平区的浅层水位呈近年来呈逐渐下降趋势，2014年以后下降尤为明显。茌平城区浅层地下水位、降水量综合动态变化曲线见图1。

H-水位标高，D-水位埋深，P-降水量图1 茌平城区浅层地下水位、降水量综合动态曲线图

1.3 环境地质条件

地面沉降主要指巨厚松散沉积物分布区因长期超量开采地下水，引起水位大幅度下降，在上部重力和自重作用下，土体空隙被压缩变密，造成地面垂直下降的地质现象。近些年茌平区由于工业和居民生活用水不断开采地下水，地面沉降问题在区内普遍存在。地面沉降在区内造成的灾害是缓慢的，但是一旦形成危害，治理的可能性很小，地面沉降将会威胁地面建筑物、道路、桥梁、管道和防洪系统，造成城市防洪标准降低、建筑物开裂、道路变形、地下管道破裂等危害。

2 回灌试验设计及试验安排

本次回灌试验的目的含水层为第8层潜水层，埋深66～81.3 m，层厚15.3 m。本次回灌试验设置两口试验井，一口开采井SW4，1口回灌井SW5，井深均为84 m，回灌井与开采井相距约50 m，回灌试验井结构示意图见图2。

图2 回灌试验井结构示意图

根据场地地质条件和实际情况，本次回灌采用同层回灌方法，回灌试验分单井自然回灌和单井加压回灌两部分完成，试验持续进行，历时346 h。单井自然回灌于2014年10月9日8:00开始，2014年10月17日8:00结束，回灌时间持续8 d，共192 h，含两个升程，每个升程历时4 d。单井加压回灌试验回灌压力从0.00 MPa开始加至0.16 MPa，分三次分段加压，第一次加压回灌试验开始于2014年10月17日8:00，结束于2014年10月19日5:30，时间持续45.5 h，回灌压力从0.00 MPa加至0.05 MPa，稳定在0.05 MPa；第二次加压回灌试验开始于2014年10月19日5:30，结束于2014年10月21日9:30，时间持续52 h，回灌压力从0.05 MPa加至0.10 MPa，稳定在0.10 MPa；第三次加压回灌试验开始于2014年10月21日9:30，结束于2014年10月23日16:00，时间持续56.5 h，回灌压力从0.10 MPa加至0.16 MPa，稳定在0.16 MPa。试验前测量静水位，试验过程中连续测量动水位，试验结束后，测量恢复水位至初始状态。

3 回灌试验结果及分析

3.1 单井自然回灌

单井自然回灌试验分两个升程进行，回灌井初始水位为10.32 m，回灌结束后动水位抬升至0.19 m。表2为试验期间两次升程回灌量和水位对比，回灌试验过程中回灌量、水位与时间关系曲线如图3所示。

根据试验数据和表2、图3可以看出，单井自然回灌最大回灌量约为6.12 m3/h，水位变化与回灌量成正相关关系，回灌量越大，水位恢复越高。且在每次回灌升程开始的12 h内，回灌量对动水位的影响明显，之后的回灌过程中，回灌量的小幅度波动对动水位影响不大，水位比较稳定，说明目的含水层回灌通畅，回灌效果较好[15-16]。

表2 两次升程回灌量与水位对比

图3 回灌试验Q、S-t曲线

3.2 单井加压回灌

由单井加压回灌试验结果可知，单井加压最大回灌量约为37.30 m3/h，此时回灌压力为0.16 MPa。试验期间，回灌量与回灌压力关系曲线如图4所示，SW4单井开采量与SW5单井不同压力条件下回灌量历时曲线如图5所示。由图4可见，单井加压回灌试验回灌量与回灌压力正相关性明显，随着回灌持续时间增加，回灌压力不断增大，回灌量也不断增加。由图5可见，在每次加压开始的30 min水位抬升较快，后变化趋于平稳，当回灌压力达到0.16 MPa时，回灌量和开采量一致，此时开采水量完全灌入回灌井，可实现100%回灌。

图4 回灌量与回灌压力关系曲线

图5 开采量与回灌量历时曲线

3.3 对比分析

通过单井自然回灌和单井加压回灌试验对比分析，两次回灌试验均取得了较好的回灌效果，差异在于无压和有压条件下回灌流量的不同，单井自然回灌最大回灌量约为6.12 m3/h，单井加压回灌最大回灌量约为37.30 m3/h。与浅层地下水自然回灌相比，加压回灌增加了地下水补给量，能够起到较好的抬升地下水位的作用，且效果非常显著。但考虑到加压回灌成井和维护成本高，耗电量大，且存在一定安全隐患，故对黄河流域松散岩层浅层含水层进行地下水自然回灌是控制地下水位，地面沉降的较好方式。为实现地下水的完全回灌，下一步可以考虑采用自然回灌条件下一抽多灌的回灌方式配置抽、灌数量进行试验研究。

4 结语

(1)回灌试验实测结果表明，单井自然回灌最大回灌量约为6.12 m3/h，单井加压回灌最大回灌量约为37.30 m3/h。

(2)通过对比分析，与自然回灌相比，加压回灌能有效增加回灌量，回灌压力越大，回灌效果越好，当回灌压力达到0.16 MPa时，可实现完全回灌。

(3)通过对茌平区浅层地下水回灌试验研究分析，建议应用单井自然回灌方式，采用一抽多灌配置抽、灌井数量，这样可以使抽取的地下水得到完全回灌，防止水资源浪费。

(4)经过试验研究分析，茌平区浅层地下水回灌含水层通畅，回灌可以恢复或抬升地下水位，对黄河流域第四系松散岩层浅层地下水降落漏斗、地面沉降等环境地质问题的治理能起到有效作用。