王志強(qiáng)

（太原工業(yè)學(xué)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(jié)果導(dǎo)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(yán)重短缺的現(xiàn)狀，為緩解水資源供需矛盾和改善地下水環(huán)境，國內(nèi)外的專家學(xué)者開始研究引用洪水資源補(bǔ)充地下水，以實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用.

引洪補(bǔ)源就是利用汛期洪水來補(bǔ)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(nèi)，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(bǔ)排環(huán)境具有相對穩(wěn)定性，因此地下水的補(bǔ)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(guān)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(diào)節(jié)，可以遏止地下水位大幅度下降，保護(hù)地下水資源.從這個角度加以考慮，引洪補(bǔ)源則是一種補(bǔ)充地下水的有效途徑.

1 引洪補(bǔ)源效果觀測設(shè)施的布置

在2004年和2005年，依據(jù)引洪補(bǔ)源項目的要求，在羅莊試驗田區(qū)域內(nèi)布設(shè)了一個面積為28hm2的地下水位觀測區(qū)，區(qū)內(nèi)開鑿觀測孔15眼.為了同時監(jiān)測線補(bǔ)和大面積面補(bǔ)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(cè)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(dá)到20m以上，孔徑1m左右.

2 引洪補(bǔ)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(cè)向補(bǔ)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(zhǔn)面，用水準(zhǔn)儀分別測出15個觀測孔臺與這個基準(zhǔn)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(nèi)水位相對于基準(zhǔn)面的絕對水位埋深.定基準(zhǔn)點的絕對高程為100m，這樣根據(jù)每個觀測孔臺面與基準(zhǔn)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(shù)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(bǔ)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(nèi)，進(jìn)行了春澆補(bǔ)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(jìn)行了讀取，作為背景值，然后在春灌結(jié)束后第2天開始每天1次對每個觀測孔地下水位進(jìn)行連續(xù)觀測，借以觀測春灌效果.結(jié)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(bǔ)和線補(bǔ)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(jié)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(dá)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(jīng)過1個月時間的運移，到達(dá)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(dá)到含水層界面，這是由于土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異造成的.而同時，地下水位在到達(dá)較高點后，在維持高水位幾天后，又開始下降，這是由于當(dāng)?shù)鼐用耖_采等因素造成的:在沒有新的補(bǔ)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(cè)向地下徑流，側(cè)向補(bǔ)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(bǔ)效應(yīng)，距離支渠最近的1＃觀測孔接受了更多的補(bǔ)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(xiàn)，類似于在縱斷面所作的分析，在橫斷面內(nèi)，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(jìn)度不一樣，這是由各個觀測孔附近地質(zhì)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(cè)滲補(bǔ)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(bǔ)條件下，局部的線補(bǔ)對地下水位的動態(tài)影響亦很明顯.當(dāng)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(yuǎn)距離觀測孔的單次灌水條件下水位變化圖

4 洪水補(bǔ)源灌溉的補(bǔ)給率的確定

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

（1）式中，μ為給水度，F(xiàn)為控制面積，ΔH為地下水位變化值，A為地下水補(bǔ)給項，B為地下水支出項.在此考慮補(bǔ)給項A時由于沒有發(fā)生降雨只考慮灌溉補(bǔ)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(cè)向排泄量，只考慮人工開采情況.故補(bǔ)給項A，可以這樣計算:

4.1 給水度μ的確定

給水度的根據(jù)觀測孔附近土層的的巖性，各種巖性土層的給水度經(jīng)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(zhì)通過取土進(jìn)行觀測與鑒定，得出圖4，結(jié)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(zhì)柱狀圖

根據(jù)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(jù)2月3日的背景值，在春澆結(jié)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(dá)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(nóng)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(jìn)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(bǔ)給率的確定

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

表3 2005年春澆引洪補(bǔ)給率計算表

從表3可以看出，在試驗區(qū)的地質(zhì)條件下，在單次引洪灌溉后，補(bǔ)給率可以達(dá)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(bǔ)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(bǔ)源灌溉，因而沒有得出具體的補(bǔ)給率.在夏天的時候，由于蒸發(fā)的影響，補(bǔ)給率會有所降低，但根據(jù)估算，補(bǔ)給率也可以達(dá)到60%以上.因而可以得出結(jié)論，引洪補(bǔ)源對于改善地下水環(huán)境，恢復(fù)地下水平衡有很重要的意義.

5 小結(jié)

本文通過對試驗區(qū)地下水位進(jìn)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(guān)系，補(bǔ)給項中只有面補(bǔ)的觀測孔附近地下水位變幅大而不穩(wěn)，呈現(xiàn)大起大落的現(xiàn)象，而既有面補(bǔ)又有線補(bǔ)的地段，由于常年可以得到較好的補(bǔ)給，地下水位曲線平緩；在單次引洪條件下，灌溉大都經(jīng)過1個月的時間達(dá)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(cè)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(jìn)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(bǔ)給率可以達(dá)到74.8%之多，從而對于實際引洪補(bǔ)源的宏觀效果進(jìn)行了評估.加以推廣，引洪補(bǔ)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(xiàn)辰.天然水化學(xué)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)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(shù)要素試驗研究[D].西安:西安理工大學(xué)，1997