靖邊縣四柏樹海則引水回滲試驗

宋壽鵬，楊 濤，康衛東

（1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海200092；2.石家莊經濟學院，石家莊050031；3.西北大學 地質學系，西安710029）

引水回滲一般應具備4個基本條件［1］：一是有利于地表水引滲的場所，二是有可供引滲的水源，三是有可用于蓄水的地下空間，四是有良好的地下水開采條件。

靖邊縣北部風沙灘地區地處毛烏素沙漠南緣與黃土丘陵的過渡地區［2］；其枯竭的海則是良好的地表水引滲場所；干涸海則的四周分布諸多河流和地表水庫，能為引水回滲提供洪水水源；厚度達50m以上的砂性地層，以第四系潛水為主，而地下水大量開采所形成了大厚度包氣帶，提供了蓄水空間；北部風沙灘地區是農灌分散開采地下水和水源地集中開采地下水的重要地區，其地下水的開采條件良好。

在四柏樹海則野外回滲試驗的基礎上，著重分析了引水回滲對區域水環境改善的可能性，并輔以數值模擬相論證。因此，人工引水回滲，對防止淡水資源枯竭和水質惡化，對防止生態環境的進一步惡化以及改善沙漠灘地區人居環境等具有重要意義［3］。

1 研究方法

1.1 四柏樹海則引水回滲試驗介紹

四柏樹海則現已完全干涸，其地形整體東高、西低。據布設的18個探坑揭露，地形較高處的地下水位埋深1～2.2m，地形較低處的地下水位埋深0.5－0.6m（圖1）。滲坑選擇在四柏樹海則地形低洼的西北角，坑內最低點的地下水位埋深僅0.255m。

因滲坑附近既無地表水源、也無水井可供利用，故采用打井抽取地下水作為回滲水源，抽水井（編號ZK1）位于滲坑西北方向，井深30m，在抽水井與基準點之間的連線上布設了兩個觀測孔（編號為G1、G2），兩觀測孔孔深均為10m，含水層為細砂層，地下水位埋深3m。

圖1 四柏樹海子回滲試驗滲坑地形等值線圖

回滲試驗歷時367.6h，注水入坑（抽水）歷時5 h；采用連續恒定流量注水（即定流量抽水），注水入坑（抽水）流量8.62m3／h，5h入坑水量43.12m3；試驗期最大集水面積為319m2。

由圖2－4可知ZK1孔抽水80min后兩個觀測孔水位趨于穩定，停抽26min后G1觀測孔水位完全恢復，停抽126min后G2觀測孔水位完全恢復。根據抽水試驗數據求得參數見表1，計算的含水層滲透系數K為6.8m／d，抽水試驗影響半徑R為74m。

圖2 抽水試驗觀測孔水位降深

圖3 抽水試驗G1觀測孔水位恢復

圖4 抽水試驗G2觀測孔水位恢復

表1 四柏樹海則ZK1孔抽水試驗數據及其成果

由圖5、圖6的ZK1孔抽水期間以及停抽后的滲坑水位上升與下降曲線可知，滲坑水位開始急劇上升，隨著時間的延長上升速率變緩，反映后期注水量的增加主要表現為滲坑水面積的增加，水層厚度增加較慢；滲坑水位下降總體比較平穩，有先快后慢的趨勢，但變化不大，反映水滲失比較穩定；回滲試驗至24日有較強降水匯入坑中，使坑水位有明顯幅度的上升。抽水期間入滲強度為0.31m3／（d·m2），停抽后入滲強度開始為0.02m3／（d·m2），最后穩定在0.01m3／（d·m2）。滲坑早期入滲強度大于晚期入滲強度，可能與初入滲坑的水有相當一部分濕潤干燥的土壤有關，顯然穩定后的入滲強度對模擬引水回灌具有很好的代表性。

圖5 抽水期間滲坑水位上升曲線

圖6 ZK1孔停抽后滲坑水位下降曲線

1.2 雙環滲水試驗

為獲取四柏樹海則各處地表土層入滲參數的變化情況，在四柏樹海則洼地內均勻布設了10處地點進行雙環滲水試驗，滲水穩定時間大于2h。

綜合上述滲水試驗的成果，以坑滲試驗后期的入滲強度計算值，作為四柏樹海子引水回灌的入滲參數是可靠的。

1.3 四柏樹海則引水回滲分析

四柏樹海則近似一個圓形洼地，東高西低，平均深度1～2m。由圖7可知，洼地圈閉的總面積為54 281m2，洼地底部面積為42 623m2；洼地區入滲強度取坑滲試驗的結果為0.01m3／（d·m2）；洼地區全部被水淹沒后的入滲量為426m3／d，如果全年被水淹沒，則年入滲量為16萬m3。

圖7 四柏樹海則形狀及滲坑位置圖

靖邊縣多年平均降水量396.1mm，多年平均蒸發度1 835mm，蒸發折算系數取0.58，四柏樹海則全年被水淹沒的年純蒸發量約為3萬m3。

四柏樹海則年平衡引水量為最大入滲量與純蒸發量之和，年平衡引水量為19萬m3，保證四柏樹海則全年有水的最小引水注入量確定為20萬m3／a。

2 引水回滲數值模擬及其效果分析

建立包含四柏樹和煉油廠兩個水源地以及四柏樹海則與楊家灣水庫區的地下水數值模型，將四柏樹海則最小引入量作為注水井加入模型中，預測現狀開采水平下未來30a地下水位變化趨勢及四柏樹海子引水回滲引起的地下水位升幅變化。

預測結果表明，模型區地下水位整體趨勢沒有發生太大的變化，四柏樹海則中心處形成封閉的降落漏斗，北部風沙灘地區地下水位略有所升高；四柏樹海則水位升幅大于1m，北部風沙灘地區水位升幅為0.4～0.6m。

3 引水回滲的環境效應分析

綜合考慮靖邊縣境內地表水資源的質量、數量、開發利用條件，水庫多年平均可利用量為2 908萬m3／a，保證率90%的可利用量為1 922萬 m3／a。在水資源開發利用規劃中，是以保證率90%的可利用量進行規劃的，所以正常年份多于保證率90%的可利用量的那部分水資源量即可作為回灌水源加以利用，考慮到豐、平、枯水年的交替變化以及提高引水的可靠性度等因素，可按50%折算可利用的引滲水量。據此算得水庫可利用的引滲水量為493萬m3／a。

四柏樹海則引水回滲模擬預測表明，引水注入量20萬m3／a，入滲補給地下水量16萬m3／a，可增加海則面積42 623m2。水庫可利用的引滲水量為493萬m3／a，入滲水量為約290萬m3／a，可回滲海子面積約1km2。可見，引水回滲是對整個地區的環境生態效應的一種有效的改善途徑。

4 結論

通過野外試驗，綜合分析了引水回滲后對四柏樹海則環境的影響。研究結果表明：

（1）通過野外回滲試驗取得可靠的引水回滲入滲系數0.01m／d，并計算出保證四柏樹海則全年有水的最小引水注入量確定為20萬m3／a。

（2）建立地下水數值模型后，預結果表明，模型區地下水位整體趨勢沒有發生太大的變化，北部風沙灘地區地下水位略有所升高；四柏樹海則水位升幅大于1m，北部風沙灘地區水位升幅為0.4～0.6m。

（3）對其他25個與四柏樹海則類似的海則而言，使地下水采補平衡良性方向發展，實現綠洲生態的恢復和人居環境的改善，引水回滲無疑是整個地區環境生態效應的一種有效的改善途徑。

致謝：文中部分數據由陜西省地勘局908水文地質工程地質大隊提供，在此表示感謝！

［1］ 朱思遠，田軍倉，李全東.地下水庫的研究現狀和發展趨勢［J］.節水灌溉，2008（4）：23－27.

［2］ 王瑋，馬思錦，郭洪鈞.四柏樹水源地三維水文地質數值模擬中的參數最優估計［J］.地下水，2003，25（3）：141－146.

［3］ 王瑋，馬思錦，陳建敏.四柏樹水源地保護區劃分研究［J］.人民黃河，2008，30（3）：48－49.