(1.巨野縣麒麟鎮(zhèn)人民政府，山東 巨野 274900;2.巨野縣水務(wù)局，山東 巨野 274900)

巨野縣是山東省菏澤市下轄縣，地處魯西南大平原腹地，位于菏澤東部，因古有大野澤而得名。全縣轄15個(gè)鎮(zhèn)、2個(gè)街道辦事處、1個(gè)省級(jí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，人口101萬(wàn)，總面積1308km2，耕地面積114.9萬(wàn)畝。巨野縣地處菏澤市引黃灌溉區(qū)域的最下游，農(nóng)田灌溉使用的是上游引黃的尾水，是水資源嚴(yán)重匱乏的灌溉農(nóng)業(yè)縣。全縣農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的70%以上，隨著自然條件的變化、人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提高，各部門(mén)用水量將會(huì)急劇增加，水資源供需矛盾將日益突出。同時(shí)，巨野縣無(wú)調(diào)蓄工程，地表徑流得不到合理利用，加之河源來(lái)水時(shí)空分布不均，作物需水期河流來(lái)水量少，造成灌區(qū)作物生長(zhǎng)發(fā)育期的“卡脖子旱”和季節(jié)性缺水的嚴(yán)重局面。因此，地下水改造潛力很大，通過(guò)灌區(qū)地下水回灌改造，能有效緩解水資源供需矛盾，解決長(zhǎng)期水資源緊缺的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)全縣節(jié)水型農(nóng)業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

典型試驗(yàn)小區(qū)選在巨野縣城東南約10km處的巨野縣六營(yíng)灌區(qū)。試驗(yàn)區(qū)面積為4125畝的封閉區(qū)域，地下水靜水位埋深28m，表層大多為砂質(zhì)壤土。巨野縣屬北溫帶半濕潤(rùn)性大陸季風(fēng)區(qū)，四季分明，光照充足，溫度適宜，雨熱同季，適合農(nóng)作物生長(zhǎng)。六營(yíng)灌區(qū)位于巨野縣東部、麒麟鎮(zhèn)南部，是一座綜合性農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域，此處可利用地表水源豐富，渠系發(fā)達(dá)，有可靠的回灌水源，因此適宜作為典型性試驗(yàn)區(qū)。灌區(qū)內(nèi)多年平均降雨量673.4mm，最大年降雨量為1993年的1229mm，最小年降雨量為1988年的303mm，豐枯比為 4∶1。

圖1 回灌井?dāng)嗝鎴D(單位：mm)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年7月進(jìn)行，尚未進(jìn)入大規(guī)模降水月份，選擇連續(xù)晴朗無(wú)降水天氣以減少降雨對(duì)試驗(yàn)的影響?；毓嗑?dāng)嗝娉叽缫?jiàn)圖1，井深H為1.5m，井半徑r為0.3m，初始靜水位離地面1.4m，井的一側(cè)布設(shè)4個(gè)觀測(cè)孔(A、B、C、D)，與井的邊緣距離依次是0.3m、0.9m、1.8m、3.0m。初始水位和設(shè)計(jì)水位差是1.27m，由于試驗(yàn)地區(qū)較為濕潤(rùn)，不考慮地面蒸發(fā)及水面蒸發(fā)。

1.2 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)期間，每日上午8∶00對(duì)水位進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)后將井內(nèi)水位增加至設(shè)計(jì)水位，之后每隔1h觀察一次，午后14∶00觀測(cè)一次，然后將水位增加到設(shè)計(jì)水位，仍然每隔1h觀測(cè)一次，20∶00以后不進(jìn)行觀測(cè)，每日重復(fù)觀測(cè)程序，至各觀測(cè)點(diǎn)水位穩(wěn)定為止，共進(jìn)行了5天的持續(xù)觀測(cè)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

2.1 入滲過(guò)程曲線分析

從觀測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表1)可以看出各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水位隨時(shí)間的變化過(guò)程，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，水位變化開(kāi)始趨于一致，而各觀測(cè)孔的水位變化卻表現(xiàn)出極大的差異性：同一時(shí)間段內(nèi)，觀測(cè)孔水位的上升幅度與觀測(cè)孔和井的距離呈反相關(guān)，并隨回灌時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，最終處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 回灌量、試驗(yàn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)與井水位之間的相關(guān)性

因?yàn)樵囼?yàn)最后1天的各觀測(cè)點(diǎn)水位趨于穩(wěn)定，因此，取此日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)自下午14∶00到晚上22∶00。

表1 第5天試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)

注t為觀測(cè)時(shí)段；T為累計(jì)回灌時(shí)間,h；H為井中水位,m；V為井中水位下降速率,m/h；W為累積回灌水量,m3；Q為入滲,m3/h。

由表1可知，隨試驗(yàn)時(shí)間的推移，回灌的入滲率Q漸漸變小。分析其原因主要有：井水入滲到周圍土層，井中水位下降導(dǎo)致回灌的水頭和面積減??；周圍土層因回灌水入滲導(dǎo)致水位抬高，兩者間的水力坡降變小，導(dǎo)致回灌入滲率變小。隨著時(shí)間的增加，補(bǔ)給水量增加，但生長(zhǎng)速率逐漸減小，即曲線的斜率逐漸減小。

2.3 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)

試驗(yàn)區(qū)按照非完整井條件設(shè)置，因此，可以近似地看成潛水層隔水底板無(wú)限深，按照非完整井公式，得到水量公式如下：

(1)

則變換為K的表達(dá)式為

(2)

式中：K為滲透系數(shù),m/d；Q為回灌入滲率,m3/d；S為井中水深,m；H1為潛水面到井底的距離,m；H為潛水含水層的厚度,m；r0為回灌井的半徑,m；R為影響半徑,m。

利用第5天穩(wěn)定時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算：Q=0.181m3/d，H=0.79m，S=0.69m，r=0.3m。

利用式(2)計(jì)算滲透系數(shù)K：K=0.0408m/d(4.722×10-7m/s)

3 試驗(yàn)井水位對(duì)試驗(yàn)的影響

3.1 建立模型

通過(guò)回灌井的結(jié)構(gòu)及尺寸，計(jì)算入滲系數(shù)K，利用式(1)得到不同井水深度的入滲量(見(jiàn)表2)，并對(duì)數(shù)據(jù)建模和分析。依據(jù)裘布依穩(wěn)定井流公式，在井底井壁同時(shí)進(jìn)水的非完整井條件下可計(jì)算出水量與抽水降深的關(guān)系，兩者成二次拋物線相關(guān)，假設(shè)關(guān)系如下:

表2 不同水深時(shí)井的入滲率

續(xù)表

注H1為井中水位到井底的深度,m；S為井中水深,m；R為影響半徑,m；Q為回灌入滲率,m3/d。

Q=aS+bS2

(3)

采用最小二乘法對(duì)系數(shù)進(jìn)行擬合，得到a=0.1495，b=0.1168。

該表達(dá)式具有很好的相關(guān)系數(shù)(r=0.9797)，見(jiàn)圖2。

圖2 Q-S關(guān)系

3.2 擬合公式的應(yīng)用示例

通過(guò)擬合的公式，可以得到0.6m井徑的回灌井在采水條件下，使用回灌井補(bǔ)給地下水的入滲量。按照地面積水時(shí)間為2天計(jì)算，得到單井入滲量如下：

W=Qt=(0.1495S+0.1168S2)t

(4)

式中:S=1.4m；t=2天。

因此，單位面積的補(bǔ)給水量為3098mm，為降水量的16.5倍。由此看出，采用大井作為補(bǔ)給井，補(bǔ)給效果十分明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

地下水回灌的作用主要有：?防止地震和增加地?zé)豳Y源等向地下注水；?地表水常含有許多懸浮物、有機(jī)質(zhì)和細(xì)菌，不符合供水要求，將地表水通過(guò)回灌，使之轉(zhuǎn)化為地下水，在其滲漏過(guò)程中，經(jīng)過(guò)土壤的過(guò)濾和凈化作用，使水質(zhì)得到凈化；?冬季向地下灌注冷水，夏季開(kāi)采用于冷卻降溫，或夏季向地下灌注熱水，冬季開(kāi)采用于取暖；?控制和提高地下水水位，防止由于地下水水位大幅度下降導(dǎo)致水質(zhì)惡化、地面下沉或海水入侵等不良后果；?利用地下的巨大容積，調(diào)蓄河道部分洪水及非用水季節(jié)的徑流，代替修建地上水庫(kù)；?對(duì)于含鹽量過(guò)高或含有其他有害物質(zhì)的地下水，通過(guò)打井抽排劣質(zhì)水、回灌優(yōu)質(zhì)水，可逐漸改善地下水質(zhì)；?增加地下水資源。

巨野縣地下水資源嚴(yán)重短缺，多地已形成地下水漏斗，地下水下降漏斗的持續(xù)存在和擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生一系列不良后果：水位下降，水源枯竭，水井報(bào)廢；原提水機(jī)具失效，增加抽水投資；地面沉降、地裂、地面塌陷等嚴(yán)重問(wèn)題；形成地域性地下水水位的不斷下降，導(dǎo)致一些天然泉水的干枯；淺層淡水與咸水交替分布區(qū)，因過(guò)量開(kāi)采，使淡水水壓降低，導(dǎo)致周圍咸水向淡水水體擠壓，上面的咸水水體向下入滲，下面的咸水水體向上頂托補(bǔ)給，逐漸使淡水水體或淡水層的水礦化度增高，水質(zhì)變壞；近海地區(qū)，由于下降漏斗的擴(kuò)展，破壞了咸水體的天然平衡條件，引起海水倒灌，或沿構(gòu)造破碎帶入滲，造成淡水水質(zhì)惡化；造成地下缺氧，威脅地下施工人員的人身安全。

本次試驗(yàn)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到了巨野六營(yíng)地區(qū)的土壤入滲性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：利用當(dāng)?shù)毓喔葯C(jī)井和坑塘蓄水對(duì)淺層地下水回補(bǔ)是可行的且效果明顯，可以增加淺層地下水的含量，并且通過(guò)資料得到的滲透系數(shù)與其他方法得到的數(shù)值相符，因此具有可靠性，可以用作試驗(yàn)生產(chǎn)的參考值。

通過(guò)選取代表性點(diǎn)位，對(duì)巨野縣不同地下地質(zhì)構(gòu)造準(zhǔn)確測(cè)定土壤滲透系數(shù)等指標(biāo)，一方面可為當(dāng)?shù)乜茖W(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)實(shí)施集中式地下水回灌工程提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一方面結(jié)合當(dāng)?shù)睾＞d城市建設(shè)要求，提供不同地下土層的入滲能力、地下蓄水空間調(diào)蓄程度等基礎(chǔ)指標(biāo)，為合理布置分散式地表徑流雨水入滲設(shè)施(透水型路面、滲透型下凹式綠地、植草溝、雨水花園、生態(tài)樹(shù)池、滲溝等)提供扎實(shí)的科學(xué)依據(jù)。在巨野縣地下水回灌建設(shè)過(guò)程中，地下水回灌的水源選取是另外一項(xiàng)重要考慮因素，源頭地表徑流雨水、河道地表水、城鎮(zhèn)污水廠處理后達(dá)標(biāo)回用水等均是回補(bǔ)的源頭，如何結(jié)合當(dāng)?shù)氐叵峦寥李愋?、性狀、環(huán)境容量來(lái)合理判別回補(bǔ)水的水質(zhì)，將是下一步重要研究?jī)?nèi)容，本文研究成果為此后續(xù)研究提供基礎(chǔ)鋪墊。

入滲井應(yīng)用廣泛，施工簡(jiǎn)便，在當(dāng)?shù)財(cái)?shù)量較多，干旱季節(jié)也可作為應(yīng)急灌溉井使用，因此是地下水回灌的合適途徑。本試驗(yàn)未對(duì)回灌方法的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，建議依托渠道，在進(jìn)行灌溉的同時(shí)進(jìn)行地下水的補(bǔ)給，補(bǔ)給方式的選擇還需進(jìn)一步研究。