南宮地下水庫回灌方式適宜性分析

田曉華，陳文婧，田戰輝，宋浩楠

(河北省水文工程地質勘查院，河北石家莊 050021)

“引黃入冀”工程，設計年入境引水量為5.0×108m3，但實際年平均引水量僅為2.0×108m3，除水價等因素外，引水時段與灌溉季節不匹配、缺乏相應調蓄工程是河北省未用足用好引黃水的主要原因。而地下水庫是優化水資源配置的一種重要手段。可以解決水資源匱乏，調節水資源時空分配，加大對地表水資源的截流，提高對區域水資源的利用率[1-2]。利用地下水庫可為引黃水調蓄提供巨大的存儲空間。將引黃水快速有效滲入地下，存儲在地下水庫庫容內，適時進行開采，解決引采存在時間差的問題。

南宮地下水庫就是典型的古河道型地下水庫，以古黃河、大清河、漳河沉積的細砂、粉砂為儲水介質，是理想的儲水空間[3-4]。筆者借助南宮地下水庫建設前期的大型回灌試驗契機，綜合考慮各類影響因素，構建回灌方式適宜性評價指標體系，開展南宮地下水庫不同人工回灌適宜性評價，以期為南宮地下水庫的建設提供科學依據，同時為支撐河北省地下水超采綜合治理工作，用足用好引黃水及當地地下水環境的改善提供新的思路。

1 研究區概況

南宮地下水庫位于河北省南宮市東南部，距南宮市區約30 km，地處黑龍港地區，古黃（河）、（大）清（河）、漳（河）故道處，屬古河道型地下水庫。南宮地下水庫所處區域屬溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區，年內溫差大，四季分明，春季干旱少雨，夏季潮濕悶熱。多年平均氣溫13 ℃左右，年內氣溫波動較大；多年平均降雨量為495.5mm，降雨量主要集中在6～10 月，約占全年總降雨量的60%以上。庫區南北長約20km，東西寬約10km，面積約253km2。

庫區內砂層比較發育，河床相砂層厚度較大，包氣帶巖性以砂夾粘性土為主，降水入滲系數0.20～0.35。孔隙率高，透水性好，地下水位埋深在15～30m。含水層以多層結構為主，厚度約2～20m，巖性多為粉砂、細砂。庫區南部富水性較好于北部，單井涌水量一般在300～1000m3/d，北部多為100～300m3/d。區內地下水化學類型復雜，以重碳酸鹽、氯化物—鈉鎂型水為主，礦化度一般在1.0～3.0g/L。庫底埋深約34m，為湖沼相壤土、粘土，庫區東西兩側以湖沼相及泛濫相壤土、粘土為主，夾砂壤土，為相對阻水帶，是一個良好的地下水庫儲水空間。

2 研究方法和數據

2.1 數據來源

本次試驗水源為岳城水庫水，經溹瀘河進入南宮境內，由南向北至清西干渠后，受南王莊樞紐控制，一部分進入溹瀘河北段，繼而進入喬村渠北段，另一部分進入清西干渠，后受試驗站渠閘控制分別進入試驗站渠和喬村渠南段。見圖1。

試驗采用三種回灌試驗方式進行：于溹瀘河北段、喬村渠、試驗站渠兩側共布設8條監測斷面，進行河渠回灌方式監測；于溹瀘河北段及喬村渠南段附近布設10組井灌監測斷面，進行井灌方式監測；并于試驗站渠東側布置一面灌試驗場（409 畝），進行面灌方式監測。井灌及面灌試驗場水源均就近取自河渠水。

累計進入南宮市境內的試驗總水量為570.91×104m3，其中溹瀘河北段及喬村渠北段的試驗水量為235.24×104m3，試驗站渠試驗水量68.96×104m3，喬村渠南段試驗水量32.81×104m3，面灌試驗場試驗水量58.95×104m3，其余水量為溹瀘河南段及清西干渠輸水消耗水量。

2.2 研究方法

2.2.1 地下水庫回灌方式適宜性評價指標體系

根據科學性、全面性、簡明性和可操作性指標選取原則，選擇入滲能力、日可入滲量、自凈能力、回灌工程建設成本、可操作性及安全風險等6項影響因子，構建地下水回灌適宜性指標體系（圖2）。

2.2.2 評價模型

采用多因素綜合評價模型計算地下水庫回灌適宜性程度：

式中：P——地下水庫回灌適宜性指數，是地下水庫回灌適宜性的量化指標，分值越大，表示適宜性程度越高；

wi——第i個評價因子的綜合權重；

xi——第i個評價因子的量化分值；

n——評價因子數量。

2.2.3 量化分級及權重的確定

由于許多評價指標都是定性描述為主，需要依照一定的量化標準將之定量化，方能進行疊加計算。同時為了解決不同指標的計量單位不同所帶來的量值無法對比問題，還需要對評價指標進行歸一化、正則化等處理。因此需對各影響因子進行量化分級，并綜合分析，按各因子的重要程度、相互關系賦予不同的權重。具體分級標準及權重見表1。

表1 地下水庫回灌方式適宜性評價指標量化分級表

3 地下水庫回灌方式適宜性評價

3.1 入滲能力及日可入滲量

3.1.1 河渠回灌方式

本次河渠回灌入滲試驗分為三部分，一部分為溹瀘河北段及喬村渠北段回灌入滲試驗，一部分為試驗站渠回灌入滲試驗，一部分為喬村渠南段回灌入滲試驗。

入滲能力用入滲強度進行表示，計算公式如下：

式中：V——入滲強度，m/d；

Q入滲——入滲水量，m3/d；

A蓄水水面——地表蓄水水面面積，m2。

單位河長入滲量按下式計算：

式中：q入滲——單位河長入滲量，104m3/（km·d）；

Q入滲——入滲水量，104m3；

L——水面縱長，km。

經計算，溹瀘河北段的穩定入滲強度為0.13m/d，單位河長入滲量為0.55×104m3/（km·d），日可入滲水量分別為4.67×104m3/d；試驗站渠的穩定入滲強度為0.06m/d，單位河長入滲量為0.04×104m3/（km·d），日可入滲水量分別為0.20×104m3/d；喬村渠的穩定入滲強度為0.20m/d，單位河長入滲量為0.14×104m3/（km·d），日可入滲水量分別為2.1×104m3/d。

3.1.2 面灌方式

按公式（1）計算，面灌場的入滲強度為0.09m/d。以本次面灌場日可入滲水量為準，為2.46×104m3/d。

3.1.3 井灌方式

井灌的入滲能力是以回灌量除以單井回灌形成最高水丘時的影響面積計算的。經計算，井灌的平均入滲強度為0.0003m/d。本次試驗單井影響范圍最大為300m，充分考慮河渠沿線實際情況，擬定井間距為1000m 為宜，可布設60 眼回灌井，即日可入滲水量為0.29×104m3/d。

3.1.4 入滲能力及日可入滲量對比分析

入滲能力及日可入滲量計算見表2。考慮到南宮地下水庫河渠入滲以溹瀘河入滲為主，具有代表性，本次選取溹瀘河入滲能力進行對比。經對比可知，河渠入滲能力＞面灌入滲能力＞井灌入滲能力，河渠日可入滲量＞面灌日可入滲能力＞井灌日可入滲能力。

表2 入滲能力及日可入滲量計算表

3.2 自凈能力

本次試驗充分考慮了回灌堵塞因素，未來回灌水源為引黃水，水質達標，且包氣帶均無明顯污染，故本次以自凈能力作為本次對回灌后水質的評價指標。多項研究表明，當包氣帶為第四系沉積物時，包氣帶厚度越大自凈能力越強，且不同介質巖性的自凈能力差異明顯，顆粒越細，自凈能力越強，反之則越差。對比三種入滲方式，河渠包氣帶厚度最大，一般為15～20m；面灌場包氣帶厚度次之，為12～13m；井灌不經包氣帶直接進入含水層。因此，河渠包氣帶的自凈能力＞面灌包氣帶的自凈能力＞井灌包氣帶的自凈能力。

3.3 回灌工程建設成本

回灌工程建設成本是影響地下水庫回灌方式適宜性的另一主要因素。

河渠回灌方式建設工程的資金投入主要為河道的清淤工作，另外還有少量的河道流量控制、河道巡查等人工投入。溹瀘河、喬村渠、清西干渠及試驗站渠長度分別為16km、15km、14km、5km，考慮到實際來水時長、來水特點，采用干式清淤，每2 年清淤1 次，清淤深度0.2m。“引黃入冀”工程冬四月放水計120d，期間擬安排4人輪流巡查并進行流量控制、記錄工作。

面灌方式建設工程的資金投入主要包括征地、田埂取土建造、輸水管線、揚水點建設、機電設備及安裝、盯防巡視等工作。由于當地庫區內暫無大面積可利用土地，擬長期征用本次試驗所占耕地。面灌場劃分為15個畦田，田埂平均高度為0.8m，頂寬為0.3m，邊坡1∶1，即田埂土方5795m3。需別處取土，取土距離為0.5km。每個畦田由一個揚水點供水，共布設15 個揚水點，安裝真空泵15 臺（15kW/h，單泵能力60m3/h），另備用4臺。輸水采用17根軟管輸水，備用5根，每根500m。揚水點、真空泵、輸水管線、輸電線路、變壓器均可利用本次實驗成果使用。預計取水時間持續120d，揚水點間接抽水80d。回灌過程中須有專人把守看護，預計需6人。

井灌方式工程建設的投資主要包括回灌井及反濾池施工、揚水點建設、占地、回灌消耗電及人工等方面。本次試驗的10眼回灌井、反濾池、揚水點均可利用設施作為長期使用，其余50眼回灌井設施投資均需考慮。每井設施占地0.2畝，預計回灌時間120d。與面灌方式選用一致泵型，60 臺泵同時運轉，間斷抽水合計60d。按每10眼回灌井需要1人監守，共6人，120d。

無論何種方式回灌，均配備不可預見費，按總費用3%計。結合現狀條件下當地相應項目市場價，選擇河渠回灌方式投資約為57.84 萬元。面灌方式投資為144.44萬元，井灌入滲投資為432.53萬元。

3.4 可操作性

南宮地下水庫地處華北平原，大面積土地類型為耕地，未利用土地或可變更類型的土地面積很小。從可操作性方面來講，河渠回灌方式僅占用自然河道，無過多因素干擾，可操作性強。因當地種植結構特點，冬季有大量農田閑置，也可選擇入滲條件較好的區域作為面灌場進行回灌。但選擇面灌方式需長期征占當地村民大量土地，存在不確定性，可操作性較弱。井灌方式僅占用少量土地，有較強的可操作性。

3.5 安全風險

南宮地下水庫庫區內主要河渠有4 條，總長度達50km，河道全線常年有村民活動，安全風險系數較高。面灌場南端緊靠村莊，長時間的放水回灌，存在一定程度的溺水風險，且水壓持續作用于田畦，有一定的決口風險。但面灌場范圍相對較小，巡查難度不大。相對河渠來講，其安全風險相對較小，安全風險級別為中等。對于井灌方式，各井灌點均配備封閉小房，僅專業人員可以進出，在巡查到位的情況下，能及時消除安全隱患，因此，井灌方式的安全風險最小，安全風險級別為低。

3.6 回灌方式適宜性評價

3.6.1 適宜性評價標準

將各評價因子分值加權求和，分值越高表明回灌方式越適宜，反之則適宜性越差。在綜合分析研究的基礎上，結合數據結果，將南宮市地下水庫回灌方式適宜性評價標準分為不適宜、較適宜、適宜3類，見表3。

表3 三種回灌方式適宜性評價標準分級表

3.6.2 適宜性評價

綜合來看，河渠回灌方式的入滲能力和日可入滲量最大，工程建設投入成本較低，可操作性強，安全風險性較大；面灌方式入滲能力和日可入滲量較大，但受占地、安全風險和投資方面的影響，回灌適宜性僅次于河渠回灌方式。井灌方式安全隱患小，但入滲能力差，日可入滲量小，投資大，且地下水自凈能力較弱，評分最低，適宜性相應也最差。故，南宮地下水庫回灌建議首選河渠回灌方式，其次為面灌方式，井灌方式效果不理想。

4 結論

通過南宮地下水庫回灌方式四適宜性的研究對比分析，得出如下認識：

（1）南宮地下水庫內砂層厚度相對較大，透水性好，河渠回灌方式無論是從入滲能力、工程建設成本還是可操作性及安全風險等方面考慮，均表現為很好的適宜性。

（2）區內土地利用程度較高，面灌方式往往存在場地受限、投資較大等弊端，但如果入滲場地夠大，入滲量是非常可觀的，在取水河道兩側如有合適坑塘、洼地等合適場地，也可適當處理后作為入滲場地，最大限度增加回灌入滲量。

（3）井灌具有占地面積小、安全風險低等優點，但由于古河道帶內含水層巖性顆粒普遍較細，多為粉砂、細砂，本次小口徑回灌井自然回灌入滲效果并不理想，建議未來采用大口徑豎井回灌或加壓回灌以加大回灌入滲能力。

華北平原中東部地區為地下水超采綜合治理重點、難點區域，區內古河道眾多，含水層巖性亦多為細顆粒物質，本次工作為該區域的地下水調蓄提供了較為豐富的參考依據，建議盡快綜合比選確定適宜進行地下水回灌的區域，開展地下水調蓄的相關工作，為地下水的超采綜合治理提供新的思路。