白福高 劉明柱 劉偉江 陳 堅 文 一(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

地下水庫是一種主動性、有目的性的儲存、調(diào)節(jié)和利用地下水資源的工程措施。地下水超采已使地下含水層騰空了很大的蓄水庫容，為建立地下水庫創(chuàng)造了條件。此外，在水資源開發(fā)利用與水環(huán)境保護方面，包氣帶土壤水分滯留曲線非常重要[1]。研究包氣帶水分運移特征，建立地下水流數(shù)值模擬模型，預(yù)測不同回灌補水條件下地下水水分運移演化趨勢，為地下水庫工程設(shè)計及周邊地下水環(huán)境安全保障提供技術(shù)支撐和評價的有效手段，意義顯著。人工回灌過程中所發(fā)生的水-巖相互作用是影響回灌層地下水環(huán)境質(zhì)量的重要因素[2]。李永濤等[3]研究指出，回灌過程中入滲速度隨水層的厚度增大而增大，且入滲速度與回灌水頭高度呈對數(shù)關(guān)系。根據(jù)潮白河河道開展的地下水人工回灌試驗，分析試驗場地水文地質(zhì)條件，運用Hydrus-2D模擬軟件建立適用于二維地下水?dāng)?shù)值模擬的水分運移模型，預(yù)測不同回灌補水條件下試驗場地包氣帶水分演化的時空分布特征，為試驗場地地下水庫調(diào)蓄工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗場地

1.1 場地概況

作為地下水庫區(qū)，首先應(yīng)具備足夠的地表蓄水場地，地形較平緩，以便為地表水下滲補給提供足夠的場地和時間，所以主要河流的河床及兩側(cè)沖洪積平原區(qū)、沖積平原灌區(qū)是較理想的庫址[4]。試驗場地位于潮白河沖洪積扇上，地下水資源豐富。為分析潮白河河道的回灌能力、查明潮白河河道包氣帶地層分布狀況等內(nèi)容，在潮白河河道內(nèi)布設(shè)人工回灌試驗場地，布設(shè)了地層勘探鉆孔20余個，鉆孔深度10～80 m不等，其中用以查明包氣帶地層分布情況的鉆孔17個，用以觀測人工回灌試驗過程的水位波動觀測孔8個(編號為G01-1、G02-1、G04-1、G05-1、G07-1、G08-1、G09-1、G10-1)，呈十字狀分布，具體見圖1。

圖1 試驗場地平面圖Fig.1 Plan of the test site

試驗場地內(nèi)建立了10 m×4 m×6 m的回灌坑，坑底用粒徑為10～20 cm的卵石鋪墊，坑壁用木板支護，防止回灌過程中坍塌?；毓嘣囼灂r間為15.0 d。試驗過程中的補給水源為回灌坑西側(cè)100 m外的基巖水源井，可穩(wěn)定提供試驗所需的水源。

1.2 場地地層劃分

ROCKWORKS三維成圖軟件在三維地質(zhì)成圖方面有許多特別的功能[5]。本研究根據(jù)鉆孔資料，采用ROCKWORKS三維成圖軟件進行試驗場地地下結(jié)構(gòu)的劃分，具體見圖2。試驗場地地層巖性主要為粉質(zhì)黏土層、卵石層、卵石填土層、細砂層等，其中卵石層占據(jù)了相當(dāng)?shù)暮穸?，其次是弱透水層——粉質(zhì)黏土層，總體滲透能力較強。

1.3 回灌試驗觀測數(shù)據(jù)

回灌試驗共進行15.0 d，在回灌過程中對鉆孔水位數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，選取典型觀測孔水位波動數(shù)據(jù)繪制鉆孔水位標(biāo)高波動，具體如圖3所示。

2 模型的建立

2.1 模型概化

模型總模擬深度約為42 m，其中潛水埋深為40.103 m。模型運行時間為15.0 d，結(jié)果分12次輸出。模擬采用Ven Genuchten模型進行數(shù)值計算[6]。模型建立過程中針對水流區(qū)域進行不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分，根據(jù)模擬范圍，確定模型剖分方式為：三角形網(wǎng)格邊長為2.7 m，整個模擬區(qū)域被剖分成1 793個不規(guī)則三角形網(wǎng)格、953個剖分點。模型的基本框架如圖4所示，因細砂層相對較薄且不連續(xù)，遂在進行模型概化過程中省略了細砂層。模型建立過程中設(shè)置兩個觀測點，其中觀測點1位于回灌坑的正下方潛水表面，觀測點2位于距離觀測點1水平方向8 m的位置。

圖2 試驗場地地層巖性分布Fig.2 Stratigraphic distribution of the test site

圖3 典型鉆孔水位標(biāo)高波動Fig.3 Level fluctuation of typical drilling

圖4 模型基本框架Fig.4 Basic framework of the model

2.2 模型條件與參數(shù)

通過Hydrus-2D模擬軟件的菜單Condition/Initial Conditions/Water Flow IC給定水流初始條件，即整個水流區(qū)域的壓力水頭或含水率初始分布。壓力水頭需要根據(jù)實際試驗過程中鉆孔的水位變化情況經(jīng)多次調(diào)整來確定。本次野外現(xiàn)場試驗回灌坑內(nèi)給定回灌水頭為1.0 m。在后期的模擬過程中將改變回灌水頭分別為1.5、2.0、2.5 m。從而分析和比較不同回灌水頭條件下的回灌能力和效果。上表面給定大氣邊界條件。由于建模底部含有將近2 m的潛水埋深，遂給定為自由邊界條件。建模區(qū)域兩側(cè)的條件根據(jù)模型需要給定為可變邊界條件。根據(jù)鉆孔的水位實測數(shù)據(jù)，在建模過程中確定觀測點，以用來驗證模型建立的可靠性。

2.3 可靠性分析

根據(jù)已給定的邊界、分層情況等條件，開始進行模型的建立和運行，并根據(jù)運行情況適當(dāng)調(diào)整模型參數(shù)。為了驗證模型模擬的可靠性，可根據(jù)建模過程中設(shè)置的特殊鉆孔的數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)(見圖3)進行比較，驗證其可靠性，具體模擬結(jié)果見圖5。

比較圖5與圖3可觀察到，觀測點2處的水位抬升了約2 m，與實際水位抬升高度相符；在受回灌影響的時間尺度上，模擬結(jié)果與實際觀測結(jié)果也保持一致。這說明，從時間尺度和水位抬升兩方面充分驗證了模型的可靠性。

圖5 觀測點2的水分運移情況Fig.5 Moisture migration in the simulated observation point 2

3 包氣帶水分運移模擬結(jié)果

3.1 實際回灌條件的下水分運移模型

對回灌水頭為1.0 m時包氣帶水分運移進行了模型運行，限于篇幅，只選取了典型模型運行結(jié)果列于圖6，其中P為包氣帶的負壓，以所能支持水柱高度表示，單位為m?；毓嘌a給約經(jīng)過1.2 d開始影響地下水。隨著時間的推移，影響范圍逐漸擴大，回灌坑正下方形成水丘，與設(shè)想的水分運移規(guī)律相符合。

3.2 不同回灌條件下水分運移規(guī)律分析

不同回灌條件下，通過Hydrus-2D水分運移模擬軟件模擬潮白河河道包氣帶水分運移情況。結(jié)果顯示，在不同的回灌水頭下，包氣帶中水分運移的趨勢保持一致。不同回灌水頭下觀測點1處的壓力水頭、含水率變化分別見圖7、圖8。

圖6 回灌水頭為1.0 m時包氣帶水分運移典型模型運行結(jié)果Fig.6 The typical simulated moisture transport of vadose zone under 1.0 m injection head

圖7 不同回灌水頭下觀測點1處的壓力水頭變化Fig.7 Pressure head variation of observation point 1 under different injection heads

圖8 不同回灌水頭下觀測點1處的含水率變化Fig.8 Moisture content variation of observation point 1 under different injection heads

由圖7可見：(1)回灌試驗初期，觀測點1處的壓力水頭呈稍微下降趨勢，隨后開始逐漸回升并不斷抬升，最終基本保持恒定，此時壓力水頭平均抬升約1 m。(2)觀測點1處壓力水頭所受影響的快慢存在差異。即隨著回灌水頭的抬升，壓力水頭的上升時間逐漸提前，壓力水頭趨于穩(wěn)定的時間也逐漸提前，同時達到穩(wěn)定后，壓力水頭在數(shù)值上也呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢。

由圖8可見：(1)回灌試驗初期，觀測點1處的含水率呈短暫上升趨勢隨后開始下降，之后主要受回灌試驗的影響，含水率迅速抬升，達到一定程度后保持不變。(2)含水率短暫上升達到第1個峰值的

時間點、含水率下降至最小值的時間點以及迅速回升達到穩(wěn)定的時間點隨著回灌水頭的抬升而不斷提前。

4 結(jié)論和建議

(1) 潮白河河道包氣帶分層情況相對簡單，以卵石層為主，其中夾雜著粉質(zhì)黏土、卵石填土、細砂層，總體滲透能力較強。

(2) 當(dāng)回灌水頭為1.0 m時，回灌補給約經(jīng)過1.2 d開始影響地下水。

(3) 觀測點1處的壓力水頭呈稍微下降趨勢，隨后開始逐漸回升并不斷抬升，最終基本保持恒定，此時壓力水頭平均抬升約1 m。

(4) 建議水資源回灌過程可在下游適當(dāng)采取攔截工程，使回灌水頭稍微提高，從而達到快速入滲的效果，以減少地表水資源的蒸發(fā)損失。開展華北平原地下水污染防控工作中，涉及處理后污水回灌工程時，可參考本研究的相應(yīng)結(jié)果，為華北平原地下水的防控工作提供基礎(chǔ)資料。

[1] 王金生，楊志峰，陳家軍，等.包氣帶土壤水分滯留特征研究[J].水利學(xué)報，2000(2)：1-5.

[2] 石旭飛，張文靜，王寒梅，等.人工回灌過程中的水-巖相互作用模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2013，43(1)：220-226.

[3] 李永濤，王文科，肖建英，等.非均質(zhì)條件下河流包氣帶水分運移的原位實驗[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2012，12(3)：134-137.

[4] 徐建國，衛(wèi)政潤，張濤，等.環(huán)渤海山東地區(qū)地下水庫建設(shè)條件分析[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2004，27(3)：197-202.

[5] 童艷光，劉春明，柳建新.ROCKWORKS三維成圖在物探中的應(yīng)用研究[J].物探化探計算技術(shù)，2007，29(2)：167-170.

[6] 何曉文，許光泉，李青青.充填結(jié)構(gòu)包氣帶水分運動參數(shù)實驗研究[J].地下水，2012，34(6)：13-16.