潮白河河道地下水人工回灌包氣帶水分運移模擬*

白福高 劉明柱 劉偉江 陳 堅 文 一(環境保護部環境規劃院，北京 100012)

地下水庫是一種主動性、有目的性的儲存、調節和利用地下水資源的工程措施。地下水超采已使地下含水層騰空了很大的蓄水庫容，為建立地下水庫創造了條件。此外，在水資源開發利用與水環境保護方面，包氣帶土壤水分滯留曲線非常重要[1]。研究包氣帶水分運移特征，建立地下水流數值模擬模型，預測不同回灌補水條件下地下水水分運移演化趨勢，為地下水庫工程設計及周邊地下水環境安全保障提供技術支撐和評價的有效手段，意義顯著。人工回灌過程中所發生的水-巖相互作用是影響回灌層地下水環境質量的重要因素[2]。李永濤等[3]研究指出，回灌過程中入滲速度隨水層的厚度增大而增大，且入滲速度與回灌水頭高度呈對數關系。根據潮白河河道開展的地下水人工回灌試驗，分析試驗場地水文地質條件，運用Hydrus-2D模擬軟件建立適用于二維地下水數值模擬的水分運移模型，預測不同回灌補水條件下試驗場地包氣帶水分演化的時空分布特征，為試驗場地地下水庫調蓄工程設計提供參考依據。

1 試驗場地

1.1 場地概況

作為地下水庫區，首先應具備足夠的地表蓄水場地，地形較平緩，以便為地表水下滲補給提供足夠的場地和時間，所以主要河流的河床及兩側沖洪積平原區、沖積平原灌區是較理想的庫址[4]。試驗場地位于潮白河沖洪積扇上，地下水資源豐富。為分析潮白河河道的回灌能力、查明潮白河河道包氣帶地層分布狀況等內容，在潮白河河道內布設人工回灌試驗場地，布設了地層勘探鉆孔20余個，鉆孔深度10～80 m不等，其中用以查明包氣帶地層分布情況的鉆孔17個，用以觀測人工回灌試驗過程的水位波動觀測孔8個(編號為G01-1、G02-1、G04-1、G05-1、G07-1、G08-1、G09-1、G10-1)，呈十字狀分布，具體見圖1。

圖1 試驗場地平面圖Fig.1 Plan of the test site

試驗場地內建立了10 m×4 m×6 m的回灌坑，坑底用粒徑為10～20 cm的卵石鋪墊，坑壁用木板支護，防止回灌過程中坍塌。回灌試驗時間為15.0 d。試驗過程中的補給水源為回灌坑西側100 m外的基巖水源井，可穩定提供試驗所需的水源。

1.2 場地地層劃分

ROCKWORKS三維成圖軟件在三維地質成圖方面有許多特別的功能[5]。本研究根據鉆孔資料，采用ROCKWORKS三維成圖軟件進行試驗場地地下結構的劃分，具體見圖2。試驗場地地層巖性主要為粉質黏土層、卵石層、卵石填土層、細砂層等，其中卵石層占據了相當的厚度，其次是弱透水層——粉質黏土層，總體滲透能力較強。

1.3 回灌試驗觀測數據

回灌試驗共進行15.0 d，在回灌過程中對鉆孔水位數據進行實時監測，選取典型觀測孔水位波動數據繪制鉆孔水位標高波動，具體如圖3所示。

2 模型的建立

2.1 模型概化

模型總模擬深度約為42 m，其中潛水埋深為40.103 m。模型運行時間為15.0 d，結果分12次輸出。模擬采用Ven Genuchten模型進行數值計算[6]。模型建立過程中針對水流區域進行不規則三角形網格剖分，根據模擬范圍，確定模型剖分方式為：三角形網格邊長為2.7 m，整個模擬區域被剖分成1 793個不規則三角形網格、953個剖分點。模型的基本框架如圖4所示，因細砂層相對較薄且不連續，遂在進行模型概化過程中省略了細砂層。模型建立過程中設置兩個觀測點，其中觀測點1位于回灌坑的正下方潛水表面，觀測點2位于距離觀測點1水平方向8 m的位置。

圖2 試驗場地地層巖性分布Fig.2 Stratigraphic distribution of the test site

圖3 典型鉆孔水位標高波動Fig.3 Level fluctuation of typical drilling

圖4 模型基本框架Fig.4 Basic framework of the model

2.2 模型條件與參數

通過Hydrus-2D模擬軟件的菜單Condition/Initial Conditions/Water Flow IC給定水流初始條件，即整個水流區域的壓力水頭或含水率初始分布。壓力水頭需要根據實際試驗過程中鉆孔的水位變化情況經多次調整來確定。本次野外現場試驗回灌坑內給定回灌水頭為1.0 m。在后期的模擬過程中將改變回灌水頭分別為1.5、2.0、2.5 m。從而分析和比較不同回灌水頭條件下的回灌能力和效果。上表面給定大氣邊界條件。由于建模底部含有將近2 m的潛水埋深，遂給定為自由邊界條件。建模區域兩側的條件根據模型需要給定為可變邊界條件。根據鉆孔的水位實測數據，在建模過程中確定觀測點，以用來驗證模型建立的可靠性。

2.3 可靠性分析

根據已給定的邊界、分層情況等條件，開始進行模型的建立和運行，并根據運行情況適當調整模型參數。為了驗證模型模擬的可靠性，可根據建模過程中設置的特殊鉆孔的數據與試驗數據(見圖3)進行比較，驗證其可靠性，具體模擬結果見圖5。

比較圖5與圖3可觀察到，觀測點2處的水位抬升了約2 m，與實際水位抬升高度相符；在受回灌影響的時間尺度上，模擬結果與實際觀測結果也保持一致。這說明，從時間尺度和水位抬升兩方面充分驗證了模型的可靠性。

圖5 觀測點2的水分運移情況Fig.5 Moisture migration in the simulated observation point 2

3 包氣帶水分運移模擬結果

3.1 實際回灌條件的下水分運移模型

對回灌水頭為1.0 m時包氣帶水分運移進行了模型運行，限于篇幅，只選取了典型模型運行結果列于圖6，其中P為包氣帶的負壓，以所能支持水柱高度表示，單位為m。回灌補給約經過1.2 d開始影響地下水。隨著時間的推移，影響范圍逐漸擴大，回灌坑正下方形成水丘，與設想的水分運移規律相符合。

3.2 不同回灌條件下水分運移規律分析

不同回灌條件下，通過Hydrus-2D水分運移模擬軟件模擬潮白河河道包氣帶水分運移情況。結果顯示，在不同的回灌水頭下，包氣帶中水分運移的趨勢保持一致。不同回灌水頭下觀測點1處的壓力水頭、含水率變化分別見圖7、圖8。

圖6 回灌水頭為1.0 m時包氣帶水分運移典型模型運行結果Fig.6 The typical simulated moisture transport of vadose zone under 1.0 m injection head

圖7 不同回灌水頭下觀測點1處的壓力水頭變化Fig.7 Pressure head variation of observation point 1 under different injection heads

圖8 不同回灌水頭下觀測點1處的含水率變化Fig.8 Moisture content variation of observation point 1 under different injection heads

由圖7可見：(1)回灌試驗初期，觀測點1處的壓力水頭呈稍微下降趨勢，隨后開始逐漸回升并不斷抬升，最終基本保持恒定，此時壓力水頭平均抬升約1 m。(2)觀測點1處壓力水頭所受影響的快慢存在差異。即隨著回灌水頭的抬升，壓力水頭的上升時間逐漸提前，壓力水頭趨于穩定的時間也逐漸提前，同時達到穩定后，壓力水頭在數值上也呈現逐漸提高的趨勢。

由圖8可見：(1)回灌試驗初期，觀測點1處的含水率呈短暫上升趨勢隨后開始下降，之后主要受回灌試驗的影響，含水率迅速抬升，達到一定程度后保持不變。(2)含水率短暫上升達到第1個峰值的

時間點、含水率下降至最小值的時間點以及迅速回升達到穩定的時間點隨著回灌水頭的抬升而不斷提前。

4 結論和建議

(1) 潮白河河道包氣帶分層情況相對簡單，以卵石層為主，其中夾雜著粉質黏土、卵石填土、細砂層，總體滲透能力較強。

(2) 當回灌水頭為1.0 m時，回灌補給約經過1.2 d開始影響地下水。

(3) 觀測點1處的壓力水頭呈稍微下降趨勢，隨后開始逐漸回升并不斷抬升，最終基本保持恒定，此時壓力水頭平均抬升約1 m。

(4) 建議水資源回灌過程可在下游適當采取攔截工程，使回灌水頭稍微提高，從而達到快速入滲的效果，以減少地表水資源的蒸發損失。開展華北平原地下水污染防控工作中，涉及處理后污水回灌工程時，可參考本研究的相應結果，為華北平原地下水的防控工作提供基礎資料。

[1] 王金生，楊志峰，陳家軍，等.包氣帶土壤水分滯留特征研究[J].水利學報，2000(2)：1-5.

[2] 石旭飛，張文靜，王寒梅，等.人工回灌過程中的水-巖相互作用模擬[J].吉林大學學報(地球科學版)，2013，43(1)：220-226.

[3] 李永濤，王文科，肖建英，等.非均質條件下河流包氣帶水分運移的原位實驗[J].安全與環境學報，2012，12(3)：134-137.

[4] 徐建國，衛政潤，張濤，等.環渤海山東地區地下水庫建設條件分析[J].地質調查與研究，2004，27(3)：197-202.

[5] 童艷光，劉春明，柳建新.ROCKWORKS三維成圖在物探中的應用研究[J].物探化探計算技術，2007，29(2)：167-170.

[6] 何曉文，許光泉，李青青.充填結構包氣帶水分運動參數實驗研究[J].地下水，2012，34(6)：13-16.