宋偉亮 趙本超

（河南省豫北水利工程管理局）

1 引言

一般情況下，汛期在雨水充足的前提下，將雨水蒸發(fā)量、徑流前濕潤地下表量之外，能夠被攔截或滲透利用的水量稱之為雨洪資源。但因目前環(huán)境惡劣的趨勢，水危機(jī)日益嚴(yán)重化，所以如今將充分利用洪水資源作為水資源循利用、改善環(huán)境的方法之一。雨洪資源利用工程系統(tǒng)性要求較強(qiáng)，加之工程的復(fù)雜性，使各種蓄水工程對存儲雨水洪水的要求提高，但是高要求的雨洪資源可延長洪水在河流中的滯留時間，有效減輕防洪威脅，降低對環(huán)境負(fù)面影響，為地下含水層補(bǔ)充盡可能多的雨水和洪水資源。

豫北平原屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，多年平均降雨量約600 mm。最大年降雨量1 012.60 mm，最小降雨量182.40 mm，降水時空分布不均，年際變化較大，每年10月至次年5月受大陸干燥氣團(tuán)控制，降雨稀少；6—9月由于受太平洋暖溫氣團(tuán)影響，降雨集中，約占全年的80%；而汛期7月、8月、9月三個月降雨量約占全年70%左右。

但是，豫北地區(qū)是河南省缺水地區(qū)之一，降水量少。水資源每人平均只有275 m3，僅為全國人均占有量的1/7，所以該地區(qū)又被稱為資源型缺水區(qū)。該地區(qū)的西部是山區(qū)，東部是平原。由于地形條件的限制，降水的時空分布和年分布不均使得洪災(zāi)和缺水問題十分突出。此外，該地區(qū)的土壤主要是沙土，具有滲透和補(bǔ)給的條件。因此，非常有必要將洪水資源有效蓄積起來，以便及時補(bǔ)充所在地區(qū)的水資源，構(gòu)建合理的水資源利用循環(huán)系統(tǒng)，充分利用洪水資源，實現(xiàn)其自身價值。本文以文言渠流域為例，通過研究，開展雨洪資源利用。

2 雨洪資源量

2.1 水資源量

根據(jù)徑流深度，進(jìn)行水資源量的計算：

式中Q——水量，m3；R——三天暴雨的徑流深度，mm；F——集雨面積，km2。

文巖渠流域大功干渠以上部分的集雨面積2 020 km2，根據(jù)上述公式算得水資源量見表1。

表1 水資源量表

2.2 設(shè)計流量

設(shè)計流量的計算公式為

式中Q——設(shè)計流量，m3/s；R——三天暴雨的徑流深度，mm；F——集水面積，km2；K——綜合系數(shù)。

根據(jù)大車集水文站實測流量資料，選用洪峰流量接近平槽泄量的9次洪水，分析求得K值為0.0147～0.0231，采用平均值K=0.018，用以推求排澇流量。防洪流量乘以折減系數(shù)0.90，文巖渠流域大功干渠以上部分面積為2 020 km2，據(jù)此分別推求天然文巖渠河道設(shè)計流量，結(jié)果見表2。

3 工程結(jié)構(gòu)對雨洪回灌的影響

3.1 入滲池形狀

表2 面積與流量關(guān)系表

假設(shè)長、寬和深分別為500 m，100 m 和2.50 m 的矩形滲透池，用穩(wěn)定的水頭和不透水的邊界包圍，而左右邊界水位設(shè)定數(shù)據(jù)，即：90 m 和87 m。同時為了更好的對比分析，將面積保持恒定，形狀為圓形，正方形，三角形和六邊形，并假設(shè)滲透池位于含水層的中間，凈補(bǔ)給速率為0.20 m/d，并且滲漏發(fā)生在游泳池的底部。下方的含水層是均勻的，滲透系數(shù)為11.11 m/d，所有滲透池保持相同的補(bǔ)給能力10 m3/d。用Galerkin 有限元法計算了入滲后地下水的水頭分布，計算結(jié)果表明，不同高度的水穹頂形成在滲透池的中心（詳見表3）。

從表3可以看出，頭部的高度隨著滲透槽周長的減小而增加。與矩形相比，入滲池的其他四種形狀的長度在長軸方向上減小，并且水丘的形成顯示了含水層中心的集中效應(yīng)，因此分水嶺的水頭值（水土墩））大于矩形滲透池，長度越小，集中度越高，水穹頂?shù)母叨仍酱蟆?/p>

表3 入滲池中心部位的水丘高度表

3.2 池底形態(tài)

更改池底形狀是一種改善堵塞的主要措施。文章采用的是光滑和波浪形兩種底部形態(tài)來觀察相同的補(bǔ)給條件和不同的池底這兩種方法（見圖1）。改變池底形狀來提高滲透池再循環(huán)效率的技術(shù)方法。

圖1 試驗采用的池底形態(tài)設(shè)計圖

3.2.1 試驗設(shè)備

試驗在透明有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行。水槽由供水區(qū)、滲水區(qū)、排水區(qū)三部分組成。供、排水區(qū)有水頭與流量控制裝置，可以改變上下游的水頭和流量。另有1 m×1 m×1 m 供水水槽1 個，配置循環(huán)泵2 臺、潛水泵2 臺，分別用于水體攪拌和供水（詳見圖2）。

測試滲透介質(zhì)采用中粒石英砂（粒度范圍為40～70 目）。為了更快地產(chǎn)生明顯的堵塞效果，縮短了測試時間，并將懸浮物含量設(shè)置為500 mg/l。

3.2.2 滲透速率變化規(guī)律

由于懸浮固體自身的特性，所以其在介質(zhì)中積累是不均勻的，會將表面層逐漸堵塞，進(jìn)而形成一定厚度的堵塞層。不過從表層向下來看，堵塞程度依次減小，并且在不同深度中，介質(zhì)的滲透率也存在明顯的差異性，即滲透系數(shù)不同。因此，建議不要使用單個磁導(dǎo)率系數(shù)K 來簡單地表征磁導(dǎo)率。該研究使用滲透率（q），即每單位面積的滲透率。

圖2 水體攪拌和供水圖

式中q——滲透速率，(m/d)；Q——滲流量，(m3/d)；A——入滲區(qū)面積，m2。

在兩個底部形式的條件下，觀察連續(xù)充電73 h下的滲透率變化，繪制滲透率（q）與累積時間（T）（見圖3、4），然后滲透率返回，灌溉時間的延長逐漸減少。

圖3 光滑池底情況下速率隨時間的變化圖

圖4 波狀池底情況下速率隨時間的變化圖

兩條直線斜率經(jīng)過對比后，波浪形底部為前提，可見明顯減小的介質(zhì)的滲透率下降速度，光滑底部與平均滲透率對比，平均滲透率更優(yōu)，約是前者的兩倍?？梢钥闯觯ɡ诵蔚牡撞啃螤顚τ诒３譂B透罐的滲透率具有明顯的優(yōu)勢。

3.2.3 促滲機(jī)理分析

在回灌過程中可以清楚地發(fā)現(xiàn)池底（可滲透介質(zhì)的表面層）的堵塞層的形成和變化，重新填充73 h 后，堵塞層的厚度約為0.30～0.50 mm。將池底部弄平后，在滲透性介質(zhì)的表面分別以5 mm，5 mm～5 cm，5～0 cm 和10～20 cm 采樣顆粒及西寧探究（表4）。重新灌溉后，滲透性介質(zhì)的表面為5 mm，粒徑較小，約為0.10 mm。顆粒的比例顯著增加（從0.10%增至39.60%），而隨后的各層略有增加，表明主要的堵塞濃度發(fā)生在表層的5 mm 以內(nèi)。

表4 回灌后滲透介質(zhì)樣品粒級分配含量表

按照波狀形態(tài)回灌后懸浮物分布情況，繪制樣品懸浮含量曲線圖，如圖5所示。

圖5 樣品懸浮物含量曲線圖

對懸浮物含量分布情況的分析可得出，①起伏的波對攔截懸浮物具有促進(jìn)作用；②重力作用使懸浮液沉降到波峰和側(cè)壁上，趨向于滑入波谷，保持波峰相對較高的滲透效率；③懸浮物具有在流動過程中在一定的脈沖，水斜率能減少重力的影響，和回水斜率可以增加重力的影響，因此，回水斜率具有相對高的浸潤效率。

4 工藝條件對雨洪回灌的影響

4.1 水溫

就介質(zhì)的滲透系數(shù)而言，其多與介質(zhì)本身的水滲透性存在聯(lián)系，甚至還會受到回灌水粘度、密度的影響。地下水溫度的變化會改變水的粘度和密度，從而影響滲透和過濾的速度。通常，水溫對滲透系數(shù)的影響可以通過以下公式計算：

式中KT——水溫為T 時的滲透系數(shù)，m/d；KT0——水溫為T0 時的滲透系數(shù)，m/d；μT——水溫為T 時水的動力黏滯系數(shù)；μT0——水溫為T0時水的動力粘滯系數(shù)。

以常溫常壓為前提，溫度升高后，水的動態(tài)黏度系數(shù)μ隨之而減小，由此可見，介質(zhì)滲透系數(shù)隨溫度升高而增大，從此可得到：當(dāng)回灌水源溫度比地下水溫度高時，有利于促進(jìn)滲流。然而，回灌水的加熱趨于加速，導(dǎo)致其中所含空氣的沉淀被析出，克有效填充含水層的空隙并形成氣相阻塞。

4.2 交替回灌

在回灌工程運行被停止一段時間后，水力負(fù)荷被減少，并通過彈性恢復(fù)將堵漏層和礫石層的狀態(tài)改善，以防止堵塞層和礫石層受到持續(xù)性回灌的影響被壓實，這在一定程度上有利于連續(xù)回灌過程中堵塞程度的改善。

對于平滑形態(tài)的池底，連續(xù)充注73 h，停止一段時間，待10 h后，繼續(xù)充填；當(dāng)滲透率值恢復(fù)至之前的狀態(tài)并穩(wěn)定后，再次停止灌溉10 h，之后繼續(xù)補(bǔ)水。此過程中對滲透率（q）隨時間（T）的變化進(jìn)行觀察，繪制q-T曲線（圖6）。

通過繪制的圖6，從中可以發(fā)現(xiàn)，停水后有增加滲透率的趨勢，而且經(jīng)過兩次停灌時間觀察，發(fā)現(xiàn)滲透率分別增加了57%和64%，但是經(jīng)過5 ～6 h 后，水平又會恢復(fù)至原來的水平。q-T 曲線顯示了在連續(xù)補(bǔ)給下滲透率的變化（圖7）。

圖6 停灌-恢復(fù)試驗q-T關(guān)系曲線圖

圖7 連續(xù)回灌滲q-T關(guān)系曲線圖

通過比較這兩個曲線可以看出，兩次停灌，之后補(bǔ)給13 h，逐漸滲透率被降低，并且將回灌延長至24 h。停灌過程在短期時間內(nèi)對滲透效率的恢復(fù)和維持具有比較明顯的效果，其入滲速率是常規(guī)入滲速率的兩倍以上。

5 雨洪資源效益分析

5.1 補(bǔ)源效益

通過利用上游文巖渠流域的洪水資源，能夠緩解下游大功灌區(qū)、濮清南灌區(qū)等受水區(qū)的缺水現(xiàn)狀，回灌受水區(qū)的地下水，使地下水位回升。根據(jù)各補(bǔ)源灌區(qū)干支渠（溝）現(xiàn)狀，經(jīng)估算，從文巖渠分洪調(diào)水量最大可達(dá)2 600萬m3，其中大功灌區(qū)滑縣境內(nèi)740萬m3，內(nèi)黃境內(nèi)1 200萬m3、第二濮清南灌區(qū)660萬m3，月入滲回灌補(bǔ)給地下水約650 萬m3；從衛(wèi)河分洪調(diào)水最大可達(dá)2 500萬m3，其中大功灌區(qū)滑縣境內(nèi)640萬m3，內(nèi)黃境內(nèi)1 200萬m3、第二濮清南灌區(qū)660 萬m3，月入滲回灌補(bǔ)給地下水約600萬m3；流域內(nèi)蓄水方案的蓄存水量約3 000萬m3，月入滲回灌補(bǔ)給地下水約880萬m3。

5.2 減災(zāi)效益

對洪水資源進(jìn)行調(diào)度利用可以消減分洪河道的洪峰，減輕河道下游的防洪壓力。由于黃河控制工程的大壩延伸到天然的文彥運河，嚴(yán)重影響了洪水的排放，河流本身嚴(yán)重淤塞，目前的文彥運河集的最大安全泄量僅能達(dá)到80 m3/s，調(diào)水分洪流量采用40 m3/s，占文巖渠大車集現(xiàn)狀安全泄量的50%，可以大大降低下游水位；對文巖運河所在的長垣等縣、鄉(xiāng)村及農(nóng)田區(qū)域進(jìn)行快速的排泄，這樣可短時間內(nèi)將多余的水排出，保護(hù)村落的同時，也保護(hù)農(nóng)作物，進(jìn)而減輕這些地區(qū)的災(zāi)情，使受災(zāi)群眾減少，減少受災(zāi)區(qū)域，也縮短受災(zāi)區(qū)域重建的時間。通過這種方法極大地緩解了天然的溫鹽運河盆地的防洪壓力，避免了下游河道的破壞，將對當(dāng)?shù)厣鐣姆€(wěn)定與發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

5.3 生態(tài)效益

近二十年來，豫北部仍然處于枯水期，加上當(dāng)下社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，發(fā)展快速，政治、社會、經(jīng)濟(jì)等多方面的效益已經(jīng)發(fā)展了巨大的改變，導(dǎo)致人們的用水需求快速上漲，從而造成許多河流斷流等問題。與此同時，因河流、溝渠的垃圾未正規(guī)處理，被排放出去后，使這些垃圾長期存留于河流、溝渠，造成水資源污染，滲入地下造成重度污染。因此，針對河流、溝渠及運河中污染物清潔處理工作，利用調(diào)度洪水的前峰來清洗和稀釋河、溝、渠內(nèi)的污染物，蓄存的洪水滲入地下，凈化地下水質(zhì)，改善水系環(huán)境。如“96.8”洪水后，豫北地區(qū)受洪水影響的區(qū)域農(nóng)業(yè)連續(xù)三年大豐收，這與在洪水的清洗與稀釋自凈作用下，水質(zhì)普遍得到明顯改善，地下水得到大量補(bǔ)充，缺水矛盾得到緩解不無關(guān)系。因此，防洪期間，采取高效措施，不僅可實現(xiàn)科學(xué)合理調(diào)度洪水的目的，而且還能最大限度利用洪水資源，使流域缺水現(xiàn)象被減輕，對改善生態(tài)環(huán)境和水資源短缺等問題提供有利的幫助，從而實現(xiàn)抗洪的目的，促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié)語

為緩解水資源緊張局面，文章針對豫北文巖渠流域展開雨洪資源利用研究，通過科學(xué)、合理的工程措施促進(jìn)區(qū)域雨洪資源的利用，可有效提升其補(bǔ)源效益、減災(zāi)效益、生態(tài)效益。同時，針對工程結(jié)構(gòu)、工藝條件的不同設(shè)定試驗研究，得出如下結(jié)論：①矩形入滲池相比其他形狀，水頭值變化更為平緩，水丘更小，可有效促進(jìn)雨洪回灌；②波狀池底比光滑池底對入滲池滲透速率的保持更具優(yōu)勢；③回灌水溫稍高于地下水溫度，有利于促滲；④停灌過程在短期時間內(nèi)對滲透效率的恢復(fù)和維持具有較明顯效果。