王志強

（太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原030008）

我國是一個水資源貧乏的國家，特別是北方地區(qū)，在地表水不足的情況下大量超采地下水，結果導致地下水位的區(qū)域性下降，引起一系列的環(huán)境問題.面對水資源嚴重短缺的現狀，為緩解水資源供需矛盾和改善地下水環(huán)境，國內外的專家學者開始研究引用洪水資源補充地下水，以實現水資源的可持續(xù)利用.

引洪補源就是利用汛期洪水來補充地下水，這時不僅要考慮洪水所能帶到土壤的養(yǎng)分，還要考慮洪水水量能對地下水位帶來的影響.在某一時段內，流入含水層的水量如大于從含水層中排出的水量，由于含水量的增加，則反映出地下水位上升的動態(tài)變化，反之則反映出地下水位下降的動態(tài)變化[1].在天然條件下，對于一個含水層或含水層系統(tǒng)而言，其周邊的補排環(huán)境具有相對穩(wěn)定性，因此地下水的補給量與排泄量在多年中可保持均衡的特征.

由于人類活動的開展，諸如:墾殖耕耘，平整土地；開渠引水，實施灌溉；修路挖溝，筑壩蓄水；鑿觀測孔抽水，礦坑疏干等，都會改變地下水的天然均衡關系[2]，改變地下水的天然動態(tài)特性.采用明渠滲水和井孔注水等回灌地下水等工程措施，則是一種直接改變地下水位的人工措施.對地下水實施人工調節(jié)，可以遏止地下水位大幅度下降，保護地下水資源.從這個角度加以考慮，引洪補源則是一種補充地下水的有效途徑.

1 引洪補源效果觀測設施的布置

在2004年和2005年，依據引洪補源項目的要求，在羅莊試驗田區(qū)域內布設了一個面積為28hm2的地下水位觀測區(qū)，區(qū)內開鑿觀測孔15眼.為了同時監(jiān)測線補和大面積面補效果，觀測孔橫豎向分別布置成3個斷面，其布置平面圖如圖1所示.沿著干渠布置3個觀測孔1，2，3號，然后在垂直于干渠的斷面上，每隔一定的距離，布置一個觀測孔，和沿著干渠的觀測孔位于同一條直線上，例如3，4，9，10號，觀測孔呈矩陣式排列，即L3×4排列，然后在11號觀測孔的左側在橫向布3個觀測孔，即13，14，15號觀測孔.觀測孔深度一般都達到20m以上，孔徑1m左右.

2 引洪補源效果觀測方案

地下水均衡方程中輸入項包括降雨、灌溉，以及側向補給，輸出項包括蒸發(fā)、人工開采等，因此觀測儀器包括雨量計，灌溉水量儀器量水堰、蒸發(fā)皿、人工開采觀測孔所用水表等[3].

鑿好觀測孔以后，用自制電子計量計定期測量.在灌溉和降雨期間，每隔1天觀測1次；其他時段每5天觀測1次地下水位.在觀測孔群附近定一個基準面，用水準儀分別測出15個觀測孔臺與這個基準面的高差，每次先測量相對于各自觀測孔臺的相對水位深度，然后通過這個高差得到各個觀測孔內水位相對于基準面的絕對水位埋深.定基準點的絕對高程為100m，這樣根據每個觀測孔臺面與基準點的高差和水位計量器測值兩者之和，就可以得出各個觀測孔相對于100m數值的絕對水位值，一般水位在80～100m之間.

圖1 觀測孔布置圖

3 單次引洪補源灌溉引起的地下水位變化過程

2005年3月11日到3月20日在御河灌區(qū)羅莊試驗田周圍觀測孔群附近面積77.2hm2的區(qū)域內，進行了春澆補水，灌溉水量136 235m3，灌溉方式采用漫灌.為了對比分析，在春澆前曾對15個觀測孔的地下水位進行了讀取，作為背景值，然后在春灌結束后第2天開始每天1次對每個觀測孔地下水位進行連續(xù)觀測，借以觀測春灌效果.結果如圖2、圖3所示.為了分析方便，分別從橫縱兩個方向的各個剖面上加以分析，同時考察面補和線補的效果.

3.1 縱斷面單次灌水情況下觀測孔地下水位的變化特性

圖2 剖面A上各觀測孔的單次灌水條件下水位變化圖

剖面A上的各個觀測孔，在春澆結束后，地下水位剛開始上升并不明顯，說明灌溉的水分還沒有到達潛水層，只是在逐步向下運移，1＃和3＃觀測孔在4月6日左右開始上升，說明灌溉水分經過1個月時間的運移，到達含水層界面.而2＃觀測孔在3月24日就開始上升，說明2＃觀測孔附近的灌溉水很快達到含水層界面，這是由于土層土質結構的差異造成的.而同時，地下水位在到達較高點后，在維持高水位幾天后，又開始下降，這是由于當地居民開采等因素造成的:在沒有新的補給項的情況下，地下水有一部分被開采，還有一部分發(fā)生側向地下徑流，側向補給水位低的區(qū)域.從整體來看，1＃，2＃到3＃水位水平逐漸降低，表明支渠的行水形成了線補效應，距離支渠最近的1＃觀測孔接受了更多的補給，2＃次之，3＃接受的最少，因而形成了3條均值逐漸減少的曲線.

3.2 橫斷面單次灌水情況下觀測孔地下水位的變化特性

從圖3中可以發(fā)現，類似于在縱斷面所作的分析，在橫斷面內，從各個觀測孔得到的絕對水位都是在春澆過后，地下水位有一次上升的過程，但如前所述，各個觀測孔水位上升的進度不一樣，這是由各個觀測孔附近地質差別決定的.從幾個斷面的整體來看，在接近干渠的幾個觀測孔由于能夠接受干渠的側滲補給，地下水位比較高而且較為接近，而且在灌水后都比較平穩(wěn).隨著與干渠距離的增大，觀測孔的水位水平逐漸降低，可見在面補條件下，局部的線補對地下水位的動態(tài)影響亦很明顯.當然，類似于在縱向的分析時的D斷面的11＃的特例，在橫向分析時也有一些特例，在剖面1中7＃觀測孔的地下水位均值要高于其他幾個觀測孔，這也是由于7＃觀測孔的地面等高線值較低，因而周圍的灌溉水有一部分流到7＃觀測孔地帶，因而此處聚集了大量的水，因而地下水位比其他地方要高一些.

圖3 剖面2上遠距離觀測孔的單次灌水條件下水位變化圖

4 洪水補源灌溉的補給率的確定

為考察補給效果，連續(xù)觀察地下水位動態(tài)變化情況，根據如下公式就可以得出灌溉補給率:

（1）式中，μ為給水度，F為控制面積，ΔH為地下水位變化值，A為地下水補給項，B為地下水支出項.在此考慮補給項A時由于沒有發(fā)生降雨只考慮灌溉補給的水量，支出項B中，不考慮潛水蒸發(fā)，不考慮地下水向地表水的排泄，亦不考慮相鄰含水層間越流排泄地下水量以及地下水含水層側向排泄量，只考慮人工開采情況.故補給項A，可以這樣計算:

4.1 給水度μ的確定

給水度的根據觀測孔附近土層的的巖性，各種巖性土層的給水度經驗值，參見表1:

在開鑿觀測孔時，同時對觀測孔各個深度的巖層性質通過取土進行觀測與鑒定，得出圖4，結合表1，確定各個觀測孔正常水位附近土層的給水度.

表1 各種巖性給水度值

圖4 各觀測孔的各個深度巖層性質柱狀圖

根據圖4和表1就可得到各個觀測孔的地下水位深度的巖層給水度值，見表2.

表2 各個觀測孔地下水位深度巖層給水度值

4.2 地下水變化值ΔH的確定

可根據2月3日的背景值，在春澆結束后觀察地下水位的變化過程，由于大部分觀測孔的地下水位都在4月5日左右達到最大值，因而確定4月5日的水位為春澆的均衡水位.春澆前后地下水位變化過程見表3.

4.3 地下水開采量B和研究區(qū)計算面積F的確定

在2＃觀測孔附近，有一口農業(yè)飲水用觀測孔，每天中午開泵1h，流量0.02m3／s左右.以2月3日到4月5日為一個均衡期，因此時間取為62天.支出項B，就可以這樣加以計算:

B＝Q＊t＝0.02＊3 600＊62＝4 464m3

由于各個觀測孔的地下水位變化幅度和進度不一致，在各個觀察孔附近劃分各自的控制面積，采用各個計算面積分別計算加和的方法，見圖5.

圖5 各觀測孔的控制區(qū)域面積圖（單位:m2）

4.4 引洪補給率的確定

如上所述可以最終得出2005年春澆的地下水補給項A，結合春澆總的灌水量，就可以得出引洪補給率.前面提到在77.2hm2的面積內灌水量為136 235m3，在下圖的觀測孔控制面積之和為28hm2，假設灌水較均勻，因而通過計算，確定總的灌水量為49 387m3.補給率計算過程見表3.

表3 2005年春澆引洪補給率計算表

從表3可以看出，在試驗區(qū)的地質條件下，在單次引洪灌溉后，補給率可以達到74.8%之多.說明灌溉水在被表層耕作層截留一部分后，有絕大部分的水量下滲到地下水界面，補充了地下水水位.由于是春澆，故沒有考慮灌溉水蒸發(fā)問題，由于種種原因，夏天沒能大面積補源灌溉，因而沒有得出具體的補給率.在夏天的時候，由于蒸發(fā)的影響，補給率會有所降低，但根據估算，補給率也可以達到60%以上.因而可以得出結論，引洪補源對于改善地下水環(huán)境，恢復地下水平衡有很重要的意義.

5 小結

本文通過對試驗區(qū)地下水位進行長期動態(tài)觀測和分析，得出全年過程中地下水動態(tài)變化.以單個觀測孔分析，地下水位動態(tài)與降雨、灌溉有密切的關系，補給項中只有面補的觀測孔附近地下水位變幅大而不穩(wěn)，呈現大起大落的現象，而既有面補又有線補的地段，由于常年可以得到較好的補給，地下水位曲線平緩；在單次引洪條件下，灌溉大都經過1個月的時間達到潛水層界面，然后又趨于平穩(wěn)，在相同的降雨條件下，距離渠道近的觀測孔地下水位均值最高，隨著距離增大，均值逐漸較少，可見渠道側滲也是一個不可忽視的因素.在對2005年春澆前后水位變化進行分析與研究后，通過地下水位均衡方程式獲得了春澆的補給率可以達到74.8%之多，從而對于實際引洪補源的宏觀效果進行了評估.加以推廣，引洪補源對緩解地下水資源緊缺，改善地下水環(huán)境無疑具有重要的作用.

[1]申獻辰.天然水化學[M].北京:中國環(huán)境科學出版社，1994

[2]陳建國.黃河下游高含沙洪水不同粒徑泥沙的輸移特性[J].泥沙研究，1996（4）:11－20

[3]費良軍.渾水波涌灌溉理論與技術要素試驗研究[D].西安:西安理工大學，1997