李 凡,江思珉,邢旭光,嚴寶文,降亞楠,孟令堯,栗現(xiàn)文
(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100;3.同濟大學土木工程學院,上海 200092)
地下水是干旱半干旱區(qū)農業(yè)、工業(yè)和生活的重要供水來源。近些年,由于人口快速增長、灌溉規(guī)模擴大以及城市化進程加速,過度開采地下水已導致部分地區(qū)出現(xiàn)地下水枯竭和地面沉降等問題[1-3]。為保護地下含水層及有效利用地下儲水庫容,有學者提出含水層補給管理(Managed aquifer recharge, MAR)的概念,含水層補給管理是一種有針對地將地表水入滲到含水層來增加地下水可利用量,在缺水時通過回采解決水資源短缺問題,獲得可觀經(jīng)濟環(huán)境效益的做法[4-5]。研究表明,目前MAR技術主要分為含水層儲存和回采(ASR)、含水層儲存、運移和回采(ASTR)、包氣帶滲透井、滲濾槽、雨水集蓄、堤岸過濾、滲水廊道、沙丘過濾、滲透塘、地下壩、砂壩等類型,Bouwer[6]、Alam[7]等對不同MAR技術進行了系統(tǒng)解釋和評估。
滲透塘和包氣帶滲透井是兩種較為常見的地下水補給設施。滲透塘適用于表層土壤具有足夠的滲透性、地下水位埋深較淺的地區(qū)[8],對水質要求較低,但水面與大氣接觸面積較大,蒸發(fā)量大。包氣帶滲透井主要用于地下水位埋深較大、地表缺乏足夠場地用來滲透或包氣帶含有粘土夾層的地區(qū),該補給模式具有蒸發(fā)量少、占用土地面積小、積水深度大、補給時間短等優(yōu)勢,但包氣帶滲透井通常需要儲存室對補給水源進行預處理和儲存,費用相對較高[9]。結合二者優(yōu)勢,采用井塘結合模式充分利用滲透塘滲透面積大和包氣帶滲透井的補給深度大、補給速度快的優(yōu)點,或可更高效地進行地下水補給,并得到了有關學者的重視[10],但目前研究中對井塘結合模式的補給效果尚缺乏定量評價。
HYDRUS軟件[11]可用于模擬水、熱和溶質在非飽和帶的運動,在地下水人工補給的數(shù)值模擬方面,已有較多研究案例表明其可靠性[12],如Sasidharan等[13]基于HYDRUS軟件對美國Fort Irwin實際場地包氣帶滲透井的模擬結果與實際觀測結果進行了驗證,并利用HYDRUS軟件在二維軸對稱模擬區(qū)域上對Fort Irwin包氣帶滲透井的補給效果進行了數(shù)值試驗,研究了恒定水頭條件下不同質地類型和非均質性對包氣帶滲透井補給效果的影響;Lu等[14]基于HYDRUS軟件對美國El Paso實際場地滲透塘的模擬結果與實際觀測結果進行驗證,并進行了不同情景假設的數(shù)值試驗;Glass等[15]通過室內三維沙箱試驗驗證利用HYDRUS軟件模擬包氣帶滲透井和滲透塘發(fā)生漸變性堵塞對地下水入滲補給影響的準確性。
本文擬基于已有文獻中的實際場地特性[13],對井塘結合這一新型含水層補給管理模式,利用HYDRUS軟件構建二維軸對稱模型,通過復現(xiàn)Sasidharan等[13]研究中包氣帶滲透井的入滲補給模擬過程,驗證本研究模型建模過程的準確性。在此基礎上,設置3組不同的模擬情景,分析不同滲透塘半徑下井塘結合、有井無塘和有塘無井3種模式的補給效果,并定量評價不同包氣帶質地和井深對井塘結合模式入滲和補給效果的影響,以期為井塘結合含水層補給管理模式的應用提供一定的理論基礎和技術支撐。
本研究針對滲透塘和包氣帶滲透井兩種含水層補給管理模式的特點,基于文獻中實際場地特點[13],構建一種包氣帶非完整井-滲透塘結合的含水層補給管理模式(以下簡稱井塘結合模式),為了簡化模型,整個系統(tǒng)主要由滲透塘、四周不透水的沉淀室、四周充滿砂石的包氣帶滲透井和連接沉淀室與包氣帶滲透井的溢流進水管4部分組成(圖1,見65頁)。滲透塘的入滲水流除通過入滲界面進入包氣帶補給地下水之外,其余一部分通過沉淀室頂部的格柵開口進入沉淀室,泥沙等碎屑在重力的作用下進入沉淀室底部,沉淀室中的水流通過包氣帶滲透井頂部的溢流進水管進入包氣帶滲透井,通過包氣帶滲透井入滲并最終補給地下水。本研究中沉淀室和包氣帶滲透井尺寸均取自Sasidharan等[13]研究的Fort Irwin場地實際數(shù)據(jù):包氣帶滲透井深38 m,井半徑0.6 m,沉淀室深6.7 m,沉淀室半徑0.9 m,初始壓力水頭為-0.5 m,Fort Irwin實際場地土壤水分特征參數(shù)見表1。
圖1 井塘結合概念模式圖(修改自文獻[13],增加了滲透塘部分)Fig.1 Conceptual model of the well-pond combined model(Revised from literature[13], the part of the infiltration pond was added)
表1 土壤水分特征參數(shù)Table 1 Soil moisture characteristic parameters
考慮到模型的對稱性,本研究采用二維軸對稱模型對其進行刻畫,該模型為柱坐標系下的二維幾何結構,其圍繞z軸徑向對稱。圖2分別顯示有塘無井、有井無塘和井塘結合3種模式柱坐標系下一個很小傾角(φ)的徑向截面,最終計算結果由HYDRUS自動轉化為原三維模型結果[16],采用柱坐標系下的Richard方程[17]描述非飽和帶的水流運動:
注:除標明邊界條件,其余邊界條件為隔水邊界條件。Note: Except for the marked boundary conditions, the rest of the boundary conditions are no flux boundary conditions.圖2 不同補給模式二維軸對稱模擬區(qū)域Fig.2 2D axisymmetric simulation area of different recharge modes
(1)
其中,C(h)為比水容量(L·m-1);h為包氣帶壓力水頭(m);K(h)為非飽和導水率(m·h-1);z為垂直坐標(m);r為柱半徑坐標(m);φ為角坐標;t為時間(h)。
模擬區(qū)域如圖2所示,模擬區(qū)域深60 m,徑向寬50 m??紤]到本研究目的是為比較各種模式的最大補給潛力,故入滲界面均設置為恒定水頭邊界,即滲透塘縱向邊界(z=-1.4~-2 m)和包氣帶滲透井入滲邊界(z=-8.7~-38 m)為恒定水頭邊界,邊界壓力水頭隨水深線性變化,塘底部最大壓力水頭為0.6 m,井底部最大壓力水頭為38 m;由于參考文獻場地地下水位遠大于60 m[13],下邊界(z=-60 m)設置為自由排水邊界,不考慮蒸發(fā)作用,上邊界均設置為隔水邊界;對稱軸(簡化后模型的左側邊界)均設置為隔水邊界,假設右邊界不受井塘的影響,設置為隔水邊界;考慮地下水位埋深較大,毛管上升帶的上邊緣遠低于滲透井的井底,可假定模擬區(qū)域初始壓力水頭均勻分布,設置為-0.5 m。定解條件的數(shù)學表達式如下:
初始條件:
h(r,z,0)=h0(r,z),0≤r≤50,-60≤z≤0
(2)
其中,h0(r,z)為初始包氣帶負壓,m。
邊界條件:
(3)
其中,h1(t)為作用在入滲邊界處的壓力水頭(m);具體r,z取值范圍參考圖2中各模式設置。
為求解數(shù)學模型,將包氣帶土壤水分特征曲線與Richard方程聯(lián)立進行求解。本文采用Van Genuchten模型[18]描述包氣帶土壤水分特征曲線:
(4)
(5)
其中,θ(h)為包氣帶土壤體積含水率(m3·m-3);Ks為飽和導水率(m·d-1);se為包氣帶土壤飽和度,se=(θ-θr)/(θs-θr);θs為土壤飽和體積含水率(m3·m-3);θr為土壤殘余體積含水率(m3·m-3));α為吸力值的倒數(shù)(m-1);n和m為取決于包氣帶土壤孔徑分布的參數(shù),m=1-1/n;l為孔隙連通參數(shù),l=0.5。
本研究的土壤水分特征參數(shù)取自Fort Irwin場地實測數(shù)據(jù)[13],在討論不同土壤質地的影響時,土壤水分特征參數(shù)取自HYDRUS軟件土壤目錄的典型參數(shù)值,數(shù)值模擬試驗選擇砂土、壤質砂土、砂質壤土和壤土4種不同質地。
為了驗證HYDRUS模型建模過程的準確性和探討不同補給模式、不同土壤質地、不同井深對補給效果的影響,分別設置4組數(shù)值試驗進行分析討論。模擬試驗結束后,檢查HYDRUS輸出結果的質量平衡誤差系數(shù)評估模型設置是否合理。若質量平衡誤差系數(shù)小于1%,則模擬的結果精度可接受[19]。
3.1.1 HYDRUS模型驗證 通過復現(xiàn)Sasidharan等[13]2020年已發(fā)表論文中不同包氣帶質地對包氣帶滲透井入滲補給效果影響的模擬結果,選取累計入滲量、累計補給量和入滲半徑作為特征值進行對比,驗證本研究建模過程的準確性。包氣帶質地選擇砂土、壤質砂土、砂質壤土、壤土和粉土。井深h=38m,井半徑rw=0.6m。
3.1.2 三種模式補給效果對比 分別討論不同滲透塘半徑(rb=5、15、25、35 m)條件下,井塘結合、有井無塘、有塘無井3種模式在穩(wěn)定補給時(t=730 d)的濕潤峰分布、累計補給量(Q)隨時間的變化情況。Q定義為通過自由排水邊界的水通量。為便于研究,在比較3種模式的補給效果時,保持井深不變,只改變滲透塘的半徑rb。包氣帶質地選擇參考Fort Irwin場地土壤質地[13](表1)。井深h=38m,井半徑rw=0.6 m。
3.1.3 包氣帶質地對井塘結合模式補給效果的影響 在井塘結合模式下分別討論砂土、壤質砂土、砂質壤土和壤土4種土壤質地的累計入滲量(I)、累計補給量(Q)、補給半徑值(R),以及前期(t=1.46 d)和穩(wěn)定補給時(t=730 d)的濕潤峰分布情況。為探究飽和滲透系數(shù)與累計入滲量、累計補給量和包氣帶儲水量的關系,討論滲透系數(shù)Ks與t=730 d的累計入滲量、累計補給量和包氣帶儲水量的比值(e1、e2、e3)。I定義為通過恒定水頭邊界的水通量。R定義為補給達到穩(wěn)定時,模擬區(qū)域底部邊界處的飽和節(jié)點在水平方向上的最遠距離。滲透塘半徑rb=35 m,井深h=38 m,井半徑rw=0.6 m。
3.1.4 井深對井塘結合模式補給效果的影響 本研究中地下水位大于60 m,在滿足包氣帶滲透井底部至少距季節(jié)性地下高水位1.5~13 m的前提下,討論井深h分別為33、38、43 m,井塘結合模式的累計入滲量(I)、累計補給量(Q)和補給半徑值(R),以及穩(wěn)定補給時(t=730 d)的濕潤峰分布情況。包氣帶質地為Fort Irwin場地土壤質地,滲透塘半徑rb=35 m,井半徑rw=0.6 m。
時間離散:模型復現(xiàn)模擬總時長設置為365 d;其余模擬情景模擬總時長均設置為730 d。由于模型區(qū)域較大,為避免相鄰時間節(jié)點的水分通量變化過大而導致運算不迭代,適當減小時間步長,初始時間步長設置為0.001~0.00001 min,最小時間步長為0.00001~0.000001 min,最大時間步長為1 min。
空間離散:采用三角形網(wǎng)格離散模擬區(qū)域。垂直方向上:滲透塘入滲界面網(wǎng)格尺寸設置為0.25 m,并且尺寸隨著距滲透塘底部距離增大而增大,最大單元尺寸為0.5~0.75 m;水平方向上:包氣帶入滲井入滲界面網(wǎng)格尺寸設置為0.25 m,隨著距包氣帶滲透井的徑向距離增加而增大,最大網(wǎng)格尺寸為0.75 m。
圖3為不同包氣帶質地對包氣帶滲透井入滲補給效果影響的模型復現(xiàn)結果與參考文獻[13]的對比。模型復現(xiàn)值與文獻值的補給半徑隨時間變化,以及累計入滲量和累計補給量的關系總體變化趨勢一致,各情景復現(xiàn)值與文獻值的決定系數(shù)R2均在0.98以上,模型的復現(xiàn)值與文獻值吻合較好,表明本研究利用HYDRUS構建二維軸對稱模型模擬含水層入滲補給過程是準確可靠的,可以在此基礎上進行不同情景的模擬分析。
注:圖中的散點代表文獻值,實線代表復現(xiàn)值。Note:The scatter dots in the graph represent the literature values and the lines represent the recurring values.圖3 本文模型對文獻[13]中情景的模擬復現(xiàn)效果Fig.3 Simulation reproduction effect of the model in this article on the scenario in the literature[13]
不同滲透塘半徑條件下,有塘無井與其他兩種模式(井塘結合、有井無塘)的累計補給量隨時間變化趨勢具有明顯不同(圖4)。具體表現(xiàn)在:(1)滲透塘半徑較小時(rb=5 m),井塘結合和有井無塘兩種模式補給穩(wěn)定時補給效果差異較小:井塘結合730 d時的累計補給量僅為有井無塘模式的1.02倍,但二者都明顯優(yōu)于有塘無井模式:井塘結合和有井無塘兩種模式730 d的累計補給量分別為有塘無井模式的36倍和35倍(表2);(2)隨著滲透塘半徑的增大(rb分別為15、25、35 m),井塘結合和有井無塘兩種模式的補給效果逐漸差異明顯,而有井無塘和有塘無井兩種模式的補給效果差異逐漸減小,當滲透塘半徑達到35 m時,有塘無井模式在513 d時累計補給量超過有井無塘模式(C點),730 d時井塘結合模式的累計補給量分別為有井無塘和有塘無井模式的2.6倍和1.54倍;(3)從濕潤鋒首次達到補給區(qū)域的時間來看(圖4,表2):井塘結合和有井無塘兩種模式的濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間(A點)相同,且井塘結合模式濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間不隨滲透塘半徑的增大而變化(t=108.3 d),而有塘無井模式下濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間(B點)隨滲透塘半徑的增大而減小,但所用時長明顯多于另外兩種模式。
注:圖中的A和B兩點分別代表有井模式和無井模式濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時刻;C點代表有塘無井模式補給效果超過井塘結合模式。Note:Points A and B in the figure represent the moment when the wetting fronts reached the recharge area at the first time of the well mode and no-well mode, respectively; point C represents that the recharge effect of the pond without well mode exceeds that the well-pond combined mode.圖4 不同塘徑(rb)對3種模式累計補給量的影響Fig.4 Effects of different pond radius (rb)on the cumulative recharge volume of the three modes
從入滲過程看,3種模式入滲界面類型主要包括側向入滲(井)和垂向入滲(塘)(圖5)。(1)當滲透塘半徑較小時(rb=5 m),有塘無井模式垂向入滲面積較小(S1=97.3 m2),且垂向入滲界面處壓力勢也較小(最大壓力水頭為0.6 m),導致通過垂向入滲界面到達補給區(qū)域水量較小[20],而有井無塘模式側向入滲面積(S2=111.5 m2)大于有塘無井模式,且側向入滲界面處壓力勢也較大(最大壓力水頭達38 m),并且井塘結合模式可充分利用包氣帶滲透井回灌深度大、速度快的優(yōu)點,補給水源通過包氣帶滲透井快速到達含水層后,會在井周圍形成滲透系數(shù)較大的入滲通道,進一步促進滲透塘的入滲補給。(2)增大滲透塘半徑(rb分別為15、25、35 m),井塘結合模式入滲過程中的總水勢未發(fā)生明顯變化,但對應的垂向入滲面積有較大程度增加,S1分別為761.9、2 055.6 m2和3 977.2 m2,而側向入滲面積則保持不變(S2=111.5 m2),濕潤鋒的分布和累計補給量的增加主要是由垂向入滲面積的增加而引起的[21],故井塘結合和有井無塘兩種模式的補給效果逐漸差異明顯,而有塘無井模式的補給效果也逐漸超過有井無塘模式(圖4、表2)。
3種模式下,在A(井塘結合和有井無塘)和B(有塘無井)點之前累計補給量是由包氣帶自身含水量在重力的作用下補給地下水而形成的,此時補給量較少,在A和B點時,通過入滲界面的入滲水流到達補給邊界,造成累計補給量的大量增加,因此在A和B點形成突變點(圖4)。相比于通過包氣帶滲透井的入滲水流可以快速到達含水層,而滲透塘底部離補給區(qū)域較遠,對含水層補給的延遲作用明顯強于包氣帶滲透井。隨著滲透塘半徑的增大,井塘結合模式下的濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間沒有變化,而有塘無井模式的入滲通量增加,這是因為橫向擴散作用對半徑較大的滲透塘影響較小,使得濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間提前(圖5)。
綜上所述,井塘結合模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在利用滲透塘的入滲面積大和包氣帶滲透井的補給速度快的優(yōu)點。在干旱半干旱地區(qū),由于大量開采地下水,地下水位不斷下降導致包氣帶細粒沉積物壓實,從而使得地面發(fā)生不可逆轉的沉降,為了緩解地面不可逆轉的沉降,急需迅速、大量的補給這些枯竭的含水層;對于不透水面積較大的城市地區(qū),雨季經(jīng)常會出現(xiàn)內澇等災害,為了快速削減地面徑流,通常需要較大面積的滲透塘,這對于土地資源有限的城市地區(qū)是不現(xiàn)實的;利用井塘結合的優(yōu)點構建井塘結合入滲補給場地,或者利用現(xiàn)有的滲透塘增設包氣帶滲透井組成井塘結合模式,可以很大程度緩解這些問題。
圖6顯示了不同包氣帶質地對累計入滲量和累計補給量的影響,圖7(見68頁)為不同質地下的濕潤鋒分布。從入滲過程來看:不同包氣帶質地中的累計入滲量與入滲時間呈線性增大的關系(圖6a)。入滲初期階段,濕潤峰的入滲寬度和深度都隨著包氣帶Ks的增大而增大(圖7a),待入滲達到穩(wěn)定狀態(tài)時,濕潤峰分布并不會隨著包氣帶質地Ks的變化而變化(圖7b)。從補給來看:初始基質負壓相同條件下,不同包氣帶質地的累計補給量隨時間變化趨勢相同,但在補給前期階段,質地較粗的包氣帶對地下水的補給相對較小;在補給后期階段,質地較粗的包氣帶對地下水的補給效果明顯大于質地較細的包氣帶 (圖6b)。表3顯示,相比于累計入滲量隨以上結果表明,包氣帶質地對入滲與補給效果具有控制作用。主要表現(xiàn)為Ks越大則對應的包氣帶孔隙越大,相同時間內的累計入滲量、入滲深度和寬度越大[22],濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間越短。補給速率取決于包氣帶土壤水力特性隨含水率的變化[23]和底部邊界的補給半徑大小。質地較粗的包氣帶土壤顆粒比表面積小,初始基質負壓相同條件下,包氣帶能保持的水分相對較少[24],具有較低的初始含水率(圖7a),對應較低的非飽和導水率,而入滲初期的補給來源主要是由重力控制的包氣帶原有水分,故這一階段質地較細的包氣帶對地下水的補給量大于質地較粗包氣帶;在補給速率達到穩(wěn)定階段,此時補給速率主要由包氣帶飽和導水率Ks和補給半徑?jīng)Q定,而圖7b顯示補給穩(wěn)定時補給半徑(R=40.5 m)并不會隨包氣帶質地的Ks的變化而變化,因此補給后期質地較粗的包氣帶對地下水的補給大于質地較細的包氣帶。此外,在含水層補給管理的過程中,通常需要在離入滲設施不遠處安裝地下水監(jiān)測井,當?shù)叵滤O(jiān)測井位于補給半徑之內才能有效監(jiān)測入滲水質變化,因此,在本文均質條件下,監(jiān)測井的最遠布設位置應處于滲透塘附近5 m范圍內。
注:M、N、O、P 點代表累計補給量發(fā)生突變的點(即濕潤鋒首次到達補給區(qū)域的點);E、F、G和H點代表累計補給量開始趨于線性變化的點(即穩(wěn)定補給的點)。Note: M, N, O, and P represent the points where the cumulative recharge volume changes abruptly (the points where the wet front first reached the recharge area); E, F, G, and H represent the points where the cumulative recharge volume begins to tend to change linearly (the points of stable recharge).圖6 不同包氣帶質地對井塘結合模式累計入滲量和累計補給量的影響Fig.6 Effects of different vadose zone textures on cumulative infiltration volume and cumulative recharge volume on the well-pond combined mode
表3 730 d時的不同包氣帶質地累計入滲量、累計補給量、包氣帶儲水增量Table 3 Ratio of cumulative infiltration volume, cumulative recharge volume, vadose zone storage increment at 730 d
包氣帶Ks滿足線性增大的關系(e1=2.51×10-7),累計補給量則表現(xiàn)為e2隨Ks的增大而減小,但e2均大于e1。包氣帶儲水增量(I-Q)及e3均隨包氣帶Ks的增大而增大。累計補給通量動態(tài)表明(圖6b),濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間隨著包氣帶質地Ks的增加而減小,分別為:0.75、1.38、3.63 d和8.63 d(M、N、O和P點);濕潤峰在質地較粗的包氣帶中更快趨于穩(wěn)定狀態(tài),4種包氣帶質地所對應的時間分別為:26.3、38.9、81.9 d和164.4 d(E、F、G和H點)。
相比于入滲過程,補給具有一定的延遲效應,入滲水流先充滿包氣帶,然后到達補給區(qū)域,而以往對于入滲和補給的研究大多著眼于入滲等于補給的長期條件[25],在包氣帶厚度大,補給水源為季節(jié)性雨水的干旱半干旱地區(qū),很難保證長期供水的條件,因此會造成較大的估算偏差,故包氣帶儲水量并不能忽略不計。質地較粗的包氣帶對應飽和含水率較大,雖然初始基質負壓相同時,初始含水率較小,需要更多的入滲水去補充包氣帶(表3),但入滲通道快速飽和后,Ks是造成濕潤鋒首次到達下邊界和達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間的主要因素。準確確定濕潤峰到達補給區(qū)域的時間,對于后續(xù)研究評估污染物通過包氣帶向地下水位的潛在遷移時間也具有重要意義。
圖8顯示了不同井深對累計入滲量和累計補給量的影響。井深越大,累計入滲量和累計補給量越大,并且累計入滲量隨時間呈線性增大的趨勢;而累計補給量則在補給達到穩(wěn)定時才呈現(xiàn)線性增大的趨勢。表4顯示濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間隨井深增大而減小;井深每增加5 m,730 d時的累計入滲量分別增加5.5%和5.9%,累計補給量分別增加9.5%和9.8%,而包氣帶儲水增量(I-Q)僅分別增加1.6%和1.8%,濕潤鋒首次到達補給區(qū)域的時間則分別減少31.8%和25.6%。
圖8 不同井深對井塘結合模式累計入滲量、累計補給量的影響Fig.8 Influences of well depth on cumulative volume infiltration and cumulative recharge volume on the well-pond combined mode
表4 不同井深下井塘結合模式濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間及包氣帶儲水增量(I-Q)Table 4 Time of the wetting fronts first reached the recharge area and the vadose zone storage increment (I-Q) under the well-pond combined mode of different well depths
以上結果表明,井深是影響井塘結合模式入滲和補給效果的重要因素。井深增加會增大側向入滲面積,3種井深所對應側向入滲面積分別為:91.6、110.4 m2和129.2 m2(圖9);另外,包氣帶水分運移受水勢梯度影響[26],井深增加使得側向入滲界面的壓力勢逐漸增加,水分入滲能力增加。由達西定律可知,水勢梯度和入滲面積增大,會使得側向累計入滲量增大。同時,穩(wěn)定補給時,3種井深所對應的補給半徑分別為:38.5、40.5 m和41.5 m,使得井深越大,累計補給量也越大。
不同井深對濕潤鋒首次到達下邊界和達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間具有控制作用。井深越深,距離補給區(qū)域的距離越短,濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間也會越短;并且井深增加,下部入滲面的壓力勢也會增大,入滲能力加快,促使?jié)駶櫡甯斓竭_補給區(qū)域。包氣帶儲水增量隨井深的增加而增加(表4),主要是因井深增加而導致補給半徑增大(圖9),所要填充的包氣帶體積增大。相比于井深增加,入滲能力加快,井深增加對包氣帶消耗入滲水量(儲水增量)的影響較小,井深每增加5 m,包氣帶儲水增量(I-Q)僅分別增加1.9%和3.6%,而累計入滲量則增加8.5%和9.9%。
綜上所述,不同包氣帶滲透井深度是評估井塘結合補給系統(tǒng)補給效果的重要設計考慮因素。與直接含水層注入井相比,包氣帶滲透井井底需要距地下水位一定距離,以達到凈化水質的目的,但地下水補給速度較慢,補給水源到達地下水面所需時間較長,因此在保證井底距離地下水季節(jié)性高水位1.5~13 m的前提下,適當增加井深有助于快速、大量實現(xiàn)對地下水的補給。
1)通過對已有文獻中實際場地有井無塘模式復現(xiàn)驗證了本文建模過程是合理可行的,各情景復現(xiàn)值與文獻值的決定系數(shù)R2均在0.98以上,本文在復現(xiàn)的基礎上構建了井塘結合二維軸對稱數(shù)值模型。
2)不同滲透塘半徑條件下,井塘結合模式補給效果均優(yōu)于其他補給模式。滲透塘半徑較小時(rb=5 m),井塘結合和有塘無井兩種模式穩(wěn)定補給時補給效果差異較小;隨著滲透塘半徑增大(rb分別為15、25、35m),有塘無井模式補給效果逐漸超過有井無塘模式。井塘結合模式下濕潤峰首次到達補給區(qū)域的時間和有井無塘模式相同,且不隨滲透塘半徑而變化(t=108.3 d)。
3)初始基質負壓相同,累計入滲量隨時間和包氣帶質地的Ks呈線性增大的趨勢;因初始含水量差異,在初始補給階段,質地越粗,累計補給量越小,在補給后期階段則相反。補給半徑隨包氣帶質地變化而保持不變(R=40.5 m),濕潤鋒首次到達補給區(qū)域的時間隨包氣帶Ks增大而減小。
4)井深每增加5 m,730 d時的累計入滲量分別增加5.5%和5.9%,累計補給量分別增加9.5%和9.8%,濕潤鋒首次到達補給區(qū)域的時間則分別減少31.8%和25.6%,適當增加井深,有助于快速、大量實現(xiàn)對地下水補給。
本研究初步表明,構建井塘結合入滲補給模式,或者利用現(xiàn)有的滲透塘增加包氣帶滲透井組成井塘結合模式,可實現(xiàn)對地下水快速、大量補給。但本文未考慮模擬區(qū)域的時空非均質性,以及入滲水質對補給地下水的影響,尚需進一步開展深入研究。