劉鵬飛， 劉少玉， 周曉妮， 王哲， 張光輝， 崔尚進(jìn)

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所， 石家莊 050061； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)， 北京 100083； 3.自然資源部地下水科學(xué)院與工程重點(diǎn)實(shí)驗室， 石家莊 050061)

在中國北方主要城市和人口集中區(qū)，由于地下水過度開采和補(bǔ)給不足，產(chǎn)生了地下水資源量減少、水位下降、咸水入侵與地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題[1-5]。充分利用水庫汛期棄水、灌溉期尾水、雨洪水、南水北調(diào)余水及再生水補(bǔ)給地下水，不僅可以利用巨大的地下采空庫容儲存后備水源，還具有減緩地下水位下降、防止海水入侵以及減緩地面沉降等作用[6-8]。地下灌注(井灌)作為一種重要的回灌方式，具有占地面積小，對土地條件依賴性低，滲水(井壁)面積大和沉淀物堵塞速率慢的優(yōu)勢，尤其在中國北方土地資源緊張的厚包氣帶區(qū)，在采取相應(yīng)水質(zhì)預(yù)處理措施情況下，井灌優(yōu)勢更加突出[9-11]。

井灌過程中水源首先進(jìn)入井筒內(nèi)，然后在壓力差作用下通過濾水管向周邊地層中滲透擴(kuò)散，隨著井周邊水位逐漸回升，壓力差逐漸變小，回灌速率逐漸降低[12-15]。井灌速率大小與周邊水位的時空分布是回灌工程布局與運(yùn)行模式選擇中的主要考慮因素，也是評價回灌工程運(yùn)行效率的主要指標(biāo)[16-17]?；毓嗌皩訋r性決定了地下水在含水層中橫向縱向的滲透系數(shù)等關(guān)鍵水文地質(zhì)參數(shù)，是影響回灌速率與水位時空分布的關(guān)鍵因素[18]。

中外學(xué)者在相關(guān)研究中涉及不同巖性地層回灌中回灌速率及周邊水位變化。Wang等[19]在砂質(zhì)粉土回灌層中，開展了不同回灌量、不同壓力下的回灌—恢復(fù)循環(huán)試驗，分析了周邊地下水位的響應(yīng)規(guī)律。Shandilya等[20]在場地試驗研究中發(fā)現(xiàn)含水層垂向滲透性的變化比含水層厚度對回灌量的影響更大。趙婧彤[21]在室內(nèi)開展系列井灌模擬實(shí)驗，探究了回灌井進(jìn)入連續(xù)含砂層深度對入滲能力的影響。劉貫群等[22]在中粗砂回灌層中，研究了回灌井回灌量與周邊水位變化的關(guān)系，確定了干擾半徑。山區(qū)沖洪積扇回灌層巖性砂卵礫石層為主，許多學(xué)者開展了回灌量與周邊水位埋深的變化規(guī)律研究[23-24]。王志偉[25]基于濱海地區(qū)含水層巖性，利用室內(nèi)試驗研究了不同井灌方式下回灌水量與周邊咸淡水面變化的關(guān)系。但大多數(shù)學(xué)者只考慮了其特定巖性條件下回灌速率與水位變化規(guī)律，在許多地區(qū)特別是沖積平原區(qū)，回灌地層中同時存在粗中細(xì)等多種巖性，且不同位置差異性較大[26-27]，回灌層位和回灌位置的選擇對工程運(yùn)行效果尤為重要，同時回灌過程中井周邊水流呈紊流態(tài)[28]，不同巖性地層回灌中水位水量復(fù)雜多變，亟需深入研究回灌層巖性對回灌量和水位變化的影響效應(yīng)，即對不同巖性(砂層)介質(zhì)井灌過程中回灌水量、井內(nèi)及井周邊水位變化特征的差異性進(jìn)行深入研究。

因此，現(xiàn)選擇滹沱河沖洪積扇前緣藁城段為典型研究區(qū)，在分析其回灌砂層巖性基礎(chǔ)上，通過建立室內(nèi)可視化井灌仿真扇體砂箱模型，開展典型砂層(細(xì)、中、粗)介質(zhì)中不同定水位、定流量條件下的井灌實(shí)驗，分析不同砂類介質(zhì)井灌過程中回灌流量、井內(nèi)水位與井周邊水位的變化特征及差異性，研究對地下水人工回灌工程選址、回灌砂層優(yōu)選回灌井布局優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗裝置設(shè)計

為了保證井灌試驗的真實(shí)性及便捷性，基于水井解剖后為扇形體的思路，研發(fā)了井灌仿真扇體砂箱模型(圖1)，扇形角大小為30°，材料為有機(jī)玻璃，主要由供水系統(tǒng)、井灌系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和測壓系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)詳述如下。

(1)供水系統(tǒng)：由供水箱、集水箱、管路、閥門與水泵組成，該系統(tǒng)可向井灌系統(tǒng)提供不同定流量的回灌水源。集水箱內(nèi)的水泵用于向供水箱連續(xù)供水，當(dāng)供水箱水位達(dá)到上端溢水口后，水流從溢水口流入集水箱，供水箱下端的排水口用于向回灌井供水，調(diào)整排水口處閥門大小可調(diào)整供水箱供水速率大小。試驗運(yùn)行中集水箱向供水箱的供水速率要始終大于供水箱的排水速率。

(2)井灌系統(tǒng)：包括井管和砂箱。井管為有機(jī)玻璃圓管，內(nèi)徑23.00 cm，外徑25.00 cm，高100.00 cm。砂箱為扇形體，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，高度80.0 cm，總長度120.00 cm，其中砂體部分長110.00 cm，砂體前后端分別為帶孔弧形板，近井端弧形板長6.54 cm，遠(yuǎn)井端弧形板長62.38 cm，兩弧形板上的孔直徑均為0.40 cm，孔間隔0.25 cm，孔隙率約3%。遠(yuǎn)井端弧形板外部間隔10 cm為封閉玻璃板。

(3)排水系統(tǒng)：為使排水不受阻礙，在砂箱外測封閉玻璃板上布設(shè)4個排水閥門，距離底板2.5 cm。

(4)測壓系統(tǒng)：砂箱兩側(cè)底部各布設(shè)14根測壓管。在砂箱內(nèi)部一側(cè)測壓管出口在砂箱側(cè)壁，到井壁距離分別為：5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90、100 cm；另一側(cè)測壓管出口在砂箱中間，根據(jù)兩側(cè)測壓管管口距井中心相等原則，該側(cè)測壓管與側(cè)壁交點(diǎn)距井壁距離分別為:4.40、9.23、14.1、18.9、23.70、28.55、33.38、38.21、47.87、57.53、67.20、76.85、86.50、96.2 cm。

圖1 井灌仿真扇體砂箱模型Fig.1 Fan sand box model of emulational well recharging

在砂箱外部測驗管延長至測壓板，側(cè)壓板高度可靈活調(diào)整，側(cè)壓板上布設(shè)有帶刻度米格紙，便于讀取各管內(nèi)水頭高度。

2 試驗方法

滹沱河沖洪積扇藁城段砂層巖性以中粗砂為主，含少量細(xì)砂[29]，在河道不同深度選擇天然粗砂、中砂和細(xì)砂作為實(shí)驗用介質(zhì)，并進(jìn)行顆分測試，每種樣品測試3次取平均值。從不同粒徑范圍百分含量(表1)可看出，細(xì)砂中0.25 mm以上粒徑占80.16%，小于0.25 mm粒徑占19.84%；中粗砂中缺失小于0.25 mm粒徑的砂，中砂中0.50～1.00 mm粒徑占77%，大于1.00 mm粒徑占33.00%，而粗砂中0.50～1.00 mm粒徑占57.84%，大于1.00 mm粒徑占42.16%，其中小于0.50 mm僅占3.14%，0.50～2.00 mm粒徑約占97%。

每種介質(zhì)開始實(shí)驗先從底部緩慢注水進(jìn)行飽水24 h，然后慢慢放水后靜放24 h。每組實(shí)驗開始前先排出測壓管內(nèi)氣泡。由于測壓管數(shù)量較多，水位變化較快，為有效掌握回灌過程中動水位變化，在設(shè)定時刻用相機(jī)拍照記錄測壓管內(nèi)水位(圖2)，后期再逐個讀出，實(shí)驗中砂箱底部設(shè)定水位高度為0，水頭高度采用兩側(cè)測壓管的平均值。

在粗、中、細(xì)3種介質(zhì)中分別開展定水位(井內(nèi)水位)回灌實(shí)驗，定水位條件如表2所示。穩(wěn)定后，在一定時間內(nèi)在排水口收集滲漏水(圖3)，并計算出回灌流量，重復(fù)3次以平均值作為回灌流量，取平均值?；诙ㄋ换毓鄬?shí)驗選擇3種介質(zhì)高水位下的回灌流量，然后分別開展定流量條件下井灌實(shí)驗，在設(shè)定時刻用相機(jī)記錄測壓管水頭高度。

圖2 測壓管內(nèi)水位Fig.2 Water levels in piezometer tubes

表2 不同砂類介質(zhì)回灌中定水位條件Table 2 Constant water level conditions of recharging in different sands media

表1 實(shí)驗用砂不同粒徑范圍百分含量Table 1 Percentage composition of different particle size ranges of test-using sands

圖3 收集滲漏水Fig.3 Collecting leaky water

3 結(jié)果與分析

3.1 定水位井灌下水位與水量變化特征

3.1.1 水位空間變化特征

粗中細(xì)砂中不同定水位井灌中徑向水位變化如圖4所示，可看出3種介質(zhì)中沿水流方向水位均呈降低趨勢，且井內(nèi)水位越高，降低速率越大，水力梯度越大，其中粗砂中降幅最小，細(xì)砂中最大。粗中細(xì)砂中在井內(nèi)水位為20～60 cm時，粗、中、細(xì)3種介質(zhì)中距井5～100 cm間的水力梯度平均值分別為0.15～0.50、 0.17～0.52、 0.20～0.69，井水位每增加10 cm，水力梯度增幅分別為0.084、0.087、0.101。

從圖4(a)可看出粗砂介質(zhì)中沿水流方向水位降低過程分為快速和慢速兩段，分界線距井壁20 cm，快速降低段水力梯度為0.15～0.84，慢速降低段水力梯度為0.06～0.45。從圖4(b)可看出中砂介質(zhì)中井徑向沿水流方向水頭降低過程也分為快速和慢速兩段，分界線距井15 cm，快速降低段水力梯度為0.19～1.01，慢速降低段水力梯度為0.05～0.42。從圖4(c)可看出細(xì)砂介質(zhì)中井徑向沿水流方向水頭降低過程均也分為快速和慢速兩段，分界線距井10 cm處，快速降低段水力梯度為0.82～2.03，慢速降低段水力梯度為0.16～0.62。

綜上對比分析可看出，定水位井灌中沿水流方向粗、中、細(xì)砂3種介質(zhì)中水位降低速率越來越大，水力梯度越來越大，其中粗砂和中砂相差不大。這是由于細(xì)砂的滲透性最差，水流動過程中要克服更大的阻力，需要更大的水力梯度。

粗、中、細(xì)砂3種介質(zhì)中水位降低過程均分為快速和慢速兩段，分界線距井壁越來越近；快速降低段粗中細(xì)砂中水力梯度越來越大，其中中砂略大于粗砂；慢速降低階段，中砂和粗砂中水力梯度幾乎相等，細(xì)砂中水力梯度最大?？拷诟浇唤档退俾士焓怯捎谠诰诟浇魉俣容^大，水流呈現(xiàn)紊流態(tài)，水頭損失較大，需要克服更多的阻力向前流動，水力梯度較大；而在距井較遠(yuǎn)處流速較小，水流呈較穩(wěn)定的狀態(tài)，水頭損失較小，水力梯度較小。粗砂的水位快速降低段最長是由于粗砂滲透性和導(dǎo)水性最強(qiáng)，紊流態(tài)延伸的長度最長。無論在快速段還是慢速段，細(xì)砂介質(zhì)中水位降低速率均最快，水力梯度均為最大，這是由于細(xì)砂滲透性和導(dǎo)水性最差，單位長度上水流需要克服更大的阻力，水頭損失最大。

圖4 不同定水位回灌條件下徑向水位變化Fig.4 Groundwater level changes in radial direction under different constant water levels in recharging

3.1.2 井內(nèi)水位與回灌流量變化關(guān)系

從粗、中、細(xì)砂3種介質(zhì)井灌中井內(nèi)水位與穩(wěn)定回灌流量關(guān)系(圖5)可看出，隨井水位升高，回灌流量增大。3種介質(zhì)中回灌流量(Q)與井內(nèi)水位(h)的關(guān)系式分別為

Q粗砂=0.066h2+1.076h+3.032

(1)

Q中砂=0.03h2+0.387h+1.384

(2)

Q細(xì)砂=0.472h+6.81

(3)

從式(1)、式(2)和式(3)可看出，隨著井內(nèi)水位升高，粗、中砂中回灌流量呈二次方增長，細(xì)砂中回灌流量呈線性增長，粗砂中增幅最大，細(xì)砂中增幅最小。這是由于井內(nèi)回灌水的勢能是回灌水入滲的動力，當(dāng)井內(nèi)水位升高時，回灌水入滲能量增大，入滲流量增大?；毓嗨谏皩又械娜霛B和流動過程是克服阻力消耗能量的過程，粗砂滲透性好，能量損失小，細(xì)砂滲透性差，能量損失大，因此井內(nèi)水位升高相同幅度情況下，粗砂介質(zhì)中回灌流量增幅最大，細(xì)砂中回灌流量增幅最小。

圖5 不同介質(zhì)中井內(nèi)水位與回灌流量關(guān)系Fig.5 Relationship between well water level and recharging flow rate in different media

3.2 定流量不同砂介質(zhì)井灌中水位變化特征

根據(jù)不同砂介質(zhì)井灌中井內(nèi)水位與回灌流量的關(guān)系(圖5)，選擇各介質(zhì)中高水位下的回灌流量開展定流量回灌實(shí)驗，粗、中、細(xì)砂3種介質(zhì)中選定流量分別: 498、194、22 mL/s，不同時刻徑向水位變化如圖6所示，可看出隨著回灌進(jìn)行，3種介質(zhì)中不同位置水位均呈增大趨勢，整體表現(xiàn)出前期增長快后期增長慢的特點(diǎn)，這是由于隨著水位增高，介質(zhì)中可滲水的滲透面面積增大，但供水流量不變，由此斷面高度增幅變小。空間上均呈距井越遠(yuǎn)水位增幅越小，這是由于回灌中水先填充井附近砂層孔隙，增大水位高度，在水力梯度作用下流向遠(yuǎn)處，越往遠(yuǎn)處，水位越低，增幅越小，由此才能保證水向末端排泄。

圖6 定流量井灌中徑向水位變化Fig.6 Groundwater level changes in radial direction under different constant water flow rate in recharging

對比3種介質(zhì)，粗砂和中砂介質(zhì)中達(dá)到穩(wěn)定時間相差不大，但粗砂中回灌流量是中砂中的2.57倍，說明粗砂的滲透和擴(kuò)散能力更強(qiáng)，粗砂介質(zhì)中120 s和600 s兩個時刻水頭空間分布平均差距8 cm左右，但中砂介質(zhì)中差距為20 cm左右，進(jìn)一步說明了粗砂介質(zhì)中水位達(dá)到穩(wěn)定所需時間更短，滲透擴(kuò)散能力更強(qiáng)。細(xì)砂介質(zhì)中水位達(dá)到穩(wěn)定所需時間約9 500 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗砂和中砂的600 s，說明細(xì)砂的滲透和擴(kuò)散能力最弱。

另外從不同時刻水位變化形狀可看出，地下水回灌過程首先是井筒及附近區(qū)水的儲存過程，經(jīng)過一段時間才是擴(kuò)散疏導(dǎo)過程，其中粗砂介質(zhì)井筒周邊儲水過程最快，細(xì)砂最慢，向周邊擴(kuò)散中也是粗砂最快，細(xì)砂最慢，進(jìn)一步驗證了粗砂擴(kuò)散和導(dǎo)水能力最強(qiáng)，水流入滲過程中能量損失最小。

4 指示意義

基于上述分析，可看出在粗、中、細(xì)砂3類介質(zhì)井灌中，粗砂的滲透性和擴(kuò)散性最強(qiáng)，中砂稍微弱于粗砂，細(xì)砂遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于中粗砂，由此中粗砂層是回灌砂層中的優(yōu)選砂層。

井灌中，井內(nèi)回灌水的勢能是回灌水入滲的動力，水位越高，回灌流量越大，相同水位升幅下，粗砂介質(zhì)中回灌流量增幅最大，細(xì)砂最小，由此在井灌中，增大井內(nèi)水位，是增大回灌量的有效途徑。

井灌過程中首先是井附近砂層的儲水過程，然后是向周邊的擴(kuò)散過程，儲水過程中水頭損失較小，回灌流量大，擴(kuò)散過程中水頭損失較大，回灌流量較小。因此，在回灌初期可設(shè)置較大的引水量，后期隨著入滲速率降低，逐漸降低引水量。

另外，在平原的廣大地區(qū)地層中，尤其是中下游地區(qū)，往往細(xì)砂及粉細(xì)砂分布巨厚，是地層的主體，其儲水能力巨大不容忽視，只是補(bǔ)水和釋水過程緩慢。因此，不難得出這樣的認(rèn)識，細(xì)砂在穩(wěn)定水井供水、調(diào)蓄補(bǔ)給水量和遲滯給水方面可發(fā)揮重要的作用，尤其受地形起伏影響比較大的地區(qū)，對解決分散供水起著不可替代的作用。

5 結(jié)論

(1) 粗、中、細(xì)砂3種介質(zhì)的滲透與導(dǎo)水能力越來越弱，水流在其中流動中需克服的阻力與損失的能量越來越大。定水位井灌條件下，沿水流方向粗中細(xì)砂介質(zhì)中水位均呈降低趨勢，其中粗砂中降幅最小，細(xì)砂中降幅最大；3種介質(zhì)中水位降低過程均分為快速和慢速兩段，分界線距井壁越來越近；快速降低段，粗、中、細(xì)砂介質(zhì)中水位降低速率越來越大；慢速降低段，中砂和粗砂中水位降低速率相差不大，細(xì)砂中降低速率最大。

(2) 井內(nèi)回灌水的勢能是回灌水入滲的主要動力，井內(nèi)水位高低是回灌流量大小的關(guān)鍵因素。隨著井內(nèi)水位升高，粗中砂介質(zhì)中回灌流量呈二次方增長，細(xì)砂中呈線性增長，粗砂介質(zhì)中回灌流量對水位變化的響應(yīng)最明顯。

(3) 井灌過程中首先主要是井筒及附近區(qū)的儲水過程，然后是擴(kuò)散疏導(dǎo)過程。粗、中砂介質(zhì)中井周邊儲水和擴(kuò)散過程較快，水位在600 s左右基本達(dá)到穩(wěn)定；細(xì)砂的儲水和擴(kuò)散過程較慢，水位達(dá)到穩(wěn)定需要時間約9 500 s。

(4) 在實(shí)施井灌過程中，中、粗砂層是優(yōu)選砂層，增大回灌井內(nèi)水位高度，是增大回灌流量的有效途徑。同時在向回灌井內(nèi)引水過程中，需遵循回灌初期引水量大，后期引水量小的規(guī)律。