郭忠華，王學(xué)民，常 彬，付兆健

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250013)

淺層地下水是水資源的重要組成之一，亦是黃河流域工業(yè)發(fā)展和居民生活主要供水水源[1]。自20世紀(jì)70年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，山東省黃河流域地區(qū)的地表水受到了不同程度的污染，地下水開采量的急劇增加和補給量的不足，導(dǎo)致該區(qū)地下水平衡遭到破壞，產(chǎn)生了水質(zhì)惡化、地下水位降落漏斗、地面沉降等與地下水開采密切相關(guān)，嚴(yán)重影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一系列環(huán)境地質(zhì)問題[2]。地下水回灌是解決許多地方環(huán)境地質(zhì)問題的有效方法。早在十八世紀(jì)末，歐洲一些國家已經(jīng)開展了對人工補給地下水的應(yīng)用和研究，我國對地下水回灌的研究是從20世紀(jì)60年代的上海、天津等城市針對控制地面沉降開始，總結(jié)了不同水文地質(zhì)條件下的人工補給經(jīng)驗，并取得了一系列重要成果[3-6]。

茌平區(qū)位于山東省西部，隸屬聊城市，是典型的黃河流域城市。茌平區(qū)近些年由于工業(yè)和居民生活用水大量開采淺層地下水，出現(xiàn)了地面沉降、地下水位降落漏斗，并不斷向四周擴(kuò)散，已經(jīng)對社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來了嚴(yán)重危害[7-9]。因此，本文以茌平區(qū)淺層地下水為例，選定合適區(qū)域開展淺層地下水單井自然回灌和單井加壓回灌試驗，取得相關(guān)回灌參數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和理論分析該區(qū)地下水位變化、含水層最大回灌量，初步評價含水層的回灌能力，對實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用，保障經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義，為后期合理回灌方案的設(shè)計提供依據(jù)，為黃河流域地區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題的防治工作提供借鑒[10-13]。

1 回灌試驗場地地質(zhì)情況

茌平區(qū)位于山東省西部，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，四季變化明顯。年平均氣溫13.6℃，年平均降水量為560.88 mm，降水量年變化大，區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯，有徒駭河和馬頰河2條主要河流。茌平區(qū)位于華北平原，大地構(gòu)造位置處于華北地臺的東南部，黃河下游沖積平原黃河以北地帶，地勢較平緩，地面傾斜方向基本隨河流流向自西南向東北微傾，高處標(biāo)高35.0 m，低處標(biāo)高26.5 m，平均坡降1/15 000。區(qū)內(nèi)全部為第四系覆蓋，地表埋深200 m以內(nèi)為第四系的近代黃河沖積層，地層主要為粉土、粘性土和細(xì)砂層。

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗場選于茌平區(qū)城區(qū)振興街道辦事處，場區(qū)范圍71 km2，區(qū)域地下水位埋深4～12 m，全新統(tǒng)堆積層夾有淤泥層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受聊考斷裂強烈活動的影響，地震烈度大于7度，地殼不穩(wěn)定，工程條件復(fù)雜。試驗場地勘察深度控制范圍內(nèi)土層共分為9層，土層交互存在。其中第②層、第④層、第⑥層、第⑨層為灰黃、黃褐色粉質(zhì)粘土，可塑，具中壓縮性，總厚度43.49 m；第⑤層為紅褐色粘土，稍濕～濕，松軟～可塑，具有中壓縮性，承載力高，厚度11.86 m；第③層、第⑦層為灰褐色粉土，顆粒細(xì)膩均勻，稍濕～飽和，松散～中密，可塑，微固結(jié)，總厚度11.85 m；第⑧層為黃褐色細(xì)砂，結(jié)構(gòu)松散，很濕～飽水，承載力較高，但在地震烈度7度區(qū)具有砂土地震液化現(xiàn)象，主要礦物成分為長石、石英、云母，厚度15.3 m，為淺層主要含水層。地層情況見表1。

表1 試驗場地地層情況

1.2 水文地質(zhì)條件

茌平區(qū)淺層潛水-微承壓水，位于自地面以下60～100 m，一般底層埋深80 m左右。地下水的補給主要為大氣降水，另有河流側(cè)向滲漏補給、地下水的側(cè)向徑流補給以及灌溉回滲。地下水垂向運動強烈，動態(tài)類型主要為降水入滲-蒸發(fā)型，降水入滲-開采型，降水入滲-開采、蒸發(fā)型等。古河道帶單井涌水量大于1 000～2 000 m3/d。水化學(xué)類型多為HCO3-Na·Mg型，礦化度一般小于2 g/L，地下水總硬度一般大于390 mg/L[14]。茌平區(qū)的淺層水位呈近年來呈逐漸下降趨勢，2014年以后下降尤為明顯。茌平城區(qū)淺層地下水位、降水量綜合動態(tài)變化曲線見圖1。

H-水位標(biāo)高，D-水位埋深，P-降水量圖1 茌平城區(qū)淺層地下水位、降水量綜合動態(tài)曲線圖

1.3 環(huán)境地質(zhì)條件

地面沉降主要指巨厚松散沉積物分布區(qū)因長期超量開采地下水，引起水位大幅度下降，在上部重力和自重作用下，土體空隙被壓縮變密，造成地面垂直下降的地質(zhì)現(xiàn)象。近些年茌平區(qū)由于工業(yè)和居民生活用水不斷開采地下水，地面沉降問題在區(qū)內(nèi)普遍存在。地面沉降在區(qū)內(nèi)造成的災(zāi)害是緩慢的，但是一旦形成危害，治理的可能性很小，地面沉降將會威脅地面建筑物、道路、橋梁、管道和防洪系統(tǒng)，造成城市防洪標(biāo)準(zhǔn)降低、建筑物開裂、道路變形、地下管道破裂等危害。

2 回灌試驗設(shè)計及試驗安排

本次回灌試驗的目的含水層為第8層潛水層，埋深66～81.3 m，層厚15.3 m。本次回灌試驗設(shè)置兩口試驗井，一口開采井SW4，1口回灌井SW5，井深均為84 m，回灌井與開采井相距約50 m，回灌試驗井結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 回灌試驗井結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)場地地質(zhì)條件和實際情況，本次回灌采用同層回灌方法，回灌試驗分單井自然回灌和單井加壓回灌兩部分完成，試驗持續(xù)進(jìn)行，歷時346 h。單井自然回灌于2014年10月9日8:00開始，2014年10月17日8:00結(jié)束，回灌時間持續(xù)8 d，共192 h，含兩個升程，每個升程歷時4 d。單井加壓回灌試驗回灌壓力從0.00 MPa開始加至0.16 MPa，分三次分段加壓，第一次加壓回灌試驗開始于2014年10月17日8:00，結(jié)束于2014年10月19日5:30，時間持續(xù)45.5 h，回灌壓力從0.00 MPa加至0.05 MPa，穩(wěn)定在0.05 MPa；第二次加壓回灌試驗開始于2014年10月19日5:30，結(jié)束于2014年10月21日9:30，時間持續(xù)52 h，回灌壓力從0.05 MPa加至0.10 MPa，穩(wěn)定在0.10 MPa；第三次加壓回灌試驗開始于2014年10月21日9:30，結(jié)束于2014年10月23日16:00，時間持續(xù)56.5 h，回灌壓力從0.10 MPa加至0.16 MPa，穩(wěn)定在0.16 MPa。試驗前測量靜水位，試驗過程中連續(xù)測量動水位，試驗結(jié)束后，測量恢復(fù)水位至初始狀態(tài)。

3 回灌試驗結(jié)果及分析

3.1 單井自然回灌

單井自然回灌試驗分兩個升程進(jìn)行，回灌井初始水位為10.32 m，回灌結(jié)束后動水位抬升至0.19 m。表2為試驗期間兩次升程回灌量和水位對比，回灌試驗過程中回灌量、水位與時間關(guān)系曲線如圖3所示。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和表2、圖3可以看出，單井自然回灌最大回灌量約為6.12 m3/h，水位變化與回灌量成正相關(guān)關(guān)系，回灌量越大，水位恢復(fù)越高。且在每次回灌升程開始的12 h內(nèi)，回灌量對動水位的影響明顯，之后的回灌過程中，回灌量的小幅度波動對動水位影響不大，水位比較穩(wěn)定，說明目的含水層回灌通暢，回灌效果較好[15-16]。

表2 兩次升程回灌量與水位對比

圖3 回灌試驗Q、S-t曲線

3.2 單井加壓回灌

由單井加壓回灌試驗結(jié)果可知，單井加壓最大回灌量約為37.30 m3/h，此時回灌壓力為0.16 MPa。試驗期間，回灌量與回灌壓力關(guān)系曲線如圖4所示，SW4單井開采量與SW5單井不同壓力條件下回灌量歷時曲線如圖5所示。由圖4可見，單井加壓回灌試驗回灌量與回灌壓力正相關(guān)性明顯，隨著回灌持續(xù)時間增加，回灌壓力不斷增大，回灌量也不斷增加。由圖5可見，在每次加壓開始的30 min水位抬升較快，后變化趨于平穩(wěn)，當(dāng)回灌壓力達(dá)到0.16 MPa時，回灌量和開采量一致，此時開采水量完全灌入回灌井，可實現(xiàn)100%回灌。

圖4 回灌量與回灌壓力關(guān)系曲線

圖5 開采量與回灌量歷時曲線

3.3 對比分析

通過單井自然回灌和單井加壓回灌試驗對比分析，兩次回灌試驗均取得了較好的回灌效果，差異在于無壓和有壓條件下回灌流量的不同，單井自然回灌最大回灌量約為6.12 m3/h，單井加壓回灌最大回灌量約為37.30 m3/h。與淺層地下水自然回灌相比，加壓回灌增加了地下水補給量，能夠起到較好的抬升地下水位的作用，且效果非常顯著。但考慮到加壓回灌成井和維護(hù)成本高，耗電量大，且存在一定安全隱患，故對黃河流域松散巖層淺層含水層進(jìn)行地下水自然回灌是控制地下水位，地面沉降的較好方式。為實現(xiàn)地下水的完全回灌，下一步可以考慮采用自然回灌條件下一抽多灌的回灌方式配置抽、灌數(shù)量進(jìn)行試驗研究。

4 結(jié)語

(1)回灌試驗實測結(jié)果表明，單井自然回灌最大回灌量約為6.12 m3/h，單井加壓回灌最大回灌量約為37.30 m3/h。

(2)通過對比分析，與自然回灌相比，加壓回灌能有效增加回灌量，回灌壓力越大，回灌效果越好，當(dāng)回灌壓力達(dá)到0.16 MPa時，可實現(xiàn)完全回灌。

(3)通過對茌平區(qū)淺層地下水回灌試驗研究分析，建議應(yīng)用單井自然回灌方式，采用一抽多灌配置抽、灌井?dāng)?shù)量，這樣可以使抽取的地下水得到完全回灌，防止水資源浪費。

(4)經(jīng)過試驗研究分析，茌平區(qū)淺層地下水回灌含水層通暢，回灌可以恢復(fù)或抬升地下水位，對黃河流域第四系松散巖層淺層地下水降落漏斗、地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題的治理能起到有效作用。