黃倩，萬(wàn)彬

（1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京 210018；2.蘇州市吳江區(qū)水務(wù)局，江蘇蘇州 215200；3.江蘇省地質(zhì)學(xué)會(huì)，江蘇南京 210018）

0 引言

人工回灌在地面沉降防治、水資源調(diào)蓄等方面應(yīng)用廣泛［1-3］。國(guó)外地下水人工回灌工程及其研究開展較早，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局最初于1905 年在密歇根、佐治亞等地開展人工回灌實(shí)驗(yàn)；荷蘭地下水回灌技術(shù)位居世界前列，已完成200多個(gè)大型地下水回灌項(xiàng)目，首都阿姆斯特丹將萊茵河水回灌至地下含水層，以滿足地下水取用需求。我國(guó)地下水人工回灌研究始于20 世紀(jì)60年代，北京、天津、上海、西安、石家莊與濟(jì)南等地均進(jìn)行過(guò)地下水回灌。其中，最具有代表性的城市為上海，為防治地面沉降，上海自20世紀(jì)60年代起開展地下水回灌工作，經(jīng)過(guò)多年大范圍回灌后，地下水位普遍回升，地面沉降得到控制；山東萊州于2006 年建成的王河地下水庫(kù)工程，通過(guò)在河流下游沿河鑿建反濾回灌井，將原來(lái)不能利用的汛期洪水儲(chǔ)存于地下，在提高水資源利用率、保證當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)用水的同時(shí)，也有效防止了海水入侵與地面沉降風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生［4-7］。

盡管國(guó)內(nèi)外在地下水回灌方面開展了較多工作，但迄今仍沒(méi)有一套成熟的回灌技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，尤其缺乏對(duì)粉細(xì)砂承壓含水層回灌的深入研究。在實(shí)施過(guò)程中，孔隙含水層往往因滲透性發(fā)生改變，難以制定有效的回灌模式，導(dǎo)致回灌效率下降，推廣受限。這一現(xiàn)象在粉細(xì)砂含水層中尤為突出。本文選用蘇州市吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn)新安水利站地下水人工回灌試驗(yàn)場(chǎng)2020年的試驗(yàn)資料，對(duì)回灌層多個(gè)回灌周期的滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和規(guī)律模擬，旨在探索其變化規(guī)律，為粉細(xì)砂含水層設(shè)計(jì)一套行之有效的回灌方案提供參數(shù)［8-9］。

1 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

江蘇吳江盛澤鎮(zhèn)是長(zhǎng)三角典型的地面沉降區(qū)，因開采地下水引發(fā)的地面沉降量累計(jì)已超過(guò)800 mm，對(duì)該地區(qū)的防洪產(chǎn)生了很大壓力?；毓鄨?chǎng)第四紀(jì)松散巖類沉積層厚度為270 m，自上至下分布有多層松散砂層，砂層累計(jì)厚度可達(dá)60 m。根據(jù)埋藏條件、沉積環(huán)境與水力特征，可將第四紀(jì)松散層自上而下劃分為潛水含水層、第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層。其時(shí)代根據(jù)區(qū)域第四紀(jì)地層劃分成果，分別相當(dāng)于全新統(tǒng)（Q4）、上更新統(tǒng)（Q3）、中更新統(tǒng)（Q2）、下更新統(tǒng)（Q1）。含水層一般為粉細(xì)砂、細(xì)中砂，弱透水層為粉土、黏性土夾粉砂，隔水層為黏性土、粉質(zhì)黏土。如圖1所示。

圖1 水文地質(zhì)剖面Figure 1.Hydrogeological profile

盛澤鎮(zhèn)地區(qū)以開采第Ⅰ承壓含水為主，水位埋深較大，在35 m 左右，是造成地面沉降的主要原因，故選擇該層作為回灌層。本次回灌屬單層回灌，回灌層埋深98.1～105.8 m，厚度為7.7 m，巖性為漫灘相沉積的粉細(xì)砂。主要物理指標(biāo)：重度19.5 kN/m3，孔隙比為0.805，泊松比為0.48，彈性模量為42.0 MPa，剪切模量為14.2 MPa。上覆弱透水層埋深范圍81.0～98.1 m，厚度為17.1 m，巖性主要為粉質(zhì)黏土，重度19.0 kN/m3，孔隙比為0.873，泊松比為0.43，彈性模量為33.0 MPa，剪切模量為11.2 MPa。

2 回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

回灌試驗(yàn)系統(tǒng)包括設(shè)備組成、模式切換將回灌井、監(jiān)測(cè)井、分層標(biāo)和水準(zhǔn)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)與間斷、常壓與加壓、定流量與定壓力等多種回灌模式?；毓嘣囼?yàn)裝置系統(tǒng)由供水、輸水、回灌和回?fù)P四個(gè)模塊組成（圖2）。

圖2 回灌試驗(yàn)裝置系統(tǒng)Figure 2.Groundwater recharge test system

2.1 供水模塊

供水模塊包括電磁閥A1、供水水箱B1、壓力傳感器C1和接線盒N1，C1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)B1液位并將數(shù)據(jù)傳入N1，由N1根據(jù)所接收信息控制A1的開閉，實(shí)現(xiàn)B1的自動(dòng)補(bǔ)水。

2.2 輸水模塊

輸水模塊包括手動(dòng)閥D1、手動(dòng)閥D2、電磁閥A2、壓力傳感器C2、接線盒N2、變頻泵E、流量計(jì)F 和止回閥G?；毓嗨晒┧溥M(jìn)入所述輸水模塊，分為兩支：一支由D1和A2串聯(lián)組成，另一支由D2和E 串聯(lián)組成，兩支路匯集后連接F 和G，之后進(jìn)入所述回灌模塊，C2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回灌井水位并將數(shù)據(jù)傳入N2，由N2根據(jù)所接收信息控制A2的開閉，同時(shí)接線盒N2與N1相連，實(shí)現(xiàn)電磁閥A2和A1的聯(lián)動(dòng)控制。

2.3 回灌模塊

回灌模塊包括回灌井、回灌回?fù)P轉(zhuǎn)換器I、排氣閥H、水位計(jì)K及與之配套的數(shù)據(jù)傳輸裝置。

2.4 回?fù)P模塊

回?fù)P模塊包括潛水泵J、回灌回?fù)P轉(zhuǎn)換器I、手動(dòng)閥D3、回?fù)P水箱B2、排氣閥H 和水位計(jì)及與之配套的數(shù)據(jù)傳輸裝置。

上述試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)常壓常流量、常壓定流量、常壓定壓力和加壓定壓力等4種回灌模式，各模式含義見表1。

表1 四種回灌模式釋義Table 1.Explanatory notes on the four recharge modes

3 回灌試驗(yàn)

回灌試驗(yàn)于2020年1月開始，持續(xù)時(shí)間近2年，按回灌模式不同，試驗(yàn)分為2個(gè)階段：2020年1月至2020年12 月期間，采用常壓定流量回灌模式；2021 年1 月至2021 年12 月期間，采用常壓定壓力回灌模式。并在每個(gè)階段期間適時(shí)進(jìn)行1～2 次回?fù)P?；毓嘣囼?yàn)監(jiān)測(cè)井布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)井布置圖Figure 3.Layout of monitoring wells

3.1 常壓定流量回灌

操作方法：打開手動(dòng)閥D1、關(guān)閉手動(dòng)閥D2和變頻泵E，設(shè)置供水水箱B1水位上下限，當(dāng)水位低于下限時(shí)，電磁閥A1自動(dòng)打開，水箱補(bǔ)水，電磁閥A2自動(dòng)關(guān)閉，暫停回灌；待水箱水位到達(dá)上限，電磁閥A1自動(dòng)關(guān)閉，完成補(bǔ)水，電磁閥A2自動(dòng)打開，開始回灌，直至水箱水位降至下限，完成一個(gè)回灌周期，重復(fù)上述過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)定流量回灌。

單次回灌量為10 m3，每日回灌兩次，間隔為3～4 h，日回灌量為20 m3，回灌孔（RW）壓力變化范圍為0～0.1 MPa，持續(xù)時(shí)間11 個(gè)月，累計(jì)回灌量為6.7×103 m3?；毓嗥陂g回灌孔（RW）和觀測(cè)孔（OW-1）水位分別上升為10.7 m 和3.5 m，間歇期回灌孔和觀測(cè)孔（OW-1）水位分別上升為3.8 m和3.0 m。

3.2 常壓定壓力回灌

操作方法：打開手動(dòng)閥D1、關(guān)閉手動(dòng)閥D2和變頻泵E，設(shè)置供水水箱B1水位上下限，當(dāng)水位低于下限時(shí)，電磁閥A1自動(dòng)打開，水箱補(bǔ)水；待水箱水位到達(dá)上限，電磁閥A1自動(dòng)關(guān)閉，完成補(bǔ)水。可通過(guò)調(diào)高下限水位維持水箱水量充足。同理，設(shè)置回灌井水位上下限，當(dāng)井水位低于下限時(shí)，電磁閥A2自動(dòng)打開，開始回灌；待井水位升至上限時(shí)，電磁閥A2自動(dòng)關(guān)閉，暫停灌水，直至井水位降至下限，完成一個(gè)回灌周期。重復(fù)上述過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)定壓力回灌，壓力范圍由所設(shè)置的回灌井水位上下限確定，變化過(guò)程由水位計(jì)K記錄。

持續(xù)回灌，回灌量為45 m3/d，回灌井壓力變化范圍為-0.7～0 MPa，持續(xù)時(shí)間12個(gè)月，累計(jì)回灌量為16 400 m3?；毓嗥陂g回灌孔（RW）和觀測(cè)孔（OW-1）水位分別上升為12.7 m 和6.0 m，間歇期回灌孔和觀測(cè)孔（OW-1）水位分別上升為6.0 m和5.7 m。

4 含水層滲透性變化

含水層的滲透性是決定回灌水量大小的主要因素。在回灌過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，含水層的滲透系數(shù)會(huì)隨回灌時(shí)間發(fā)生變化，查明其變化規(guī)律，是確定最佳回灌壓力與回?fù)P頻次的關(guān)鍵［10-11］。

4.1 模型建立

地下水回灌是抽水的逆過(guò)程，在相同的含水層，二者只是水的運(yùn)動(dòng)方向不同，并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，因此適用于抽水過(guò)程的理論公式對(duì)回灌過(guò)程同樣適用。為了便于分析，在試驗(yàn)場(chǎng)地范圍內(nèi)采用如下假定條件：

（1）含水層均質(zhì)各向同性，等厚且底板水平，平面上無(wú)限展布，無(wú)越流補(bǔ)給；

（2）回灌前天然狀態(tài)下水力坡度為0；

（3）含水層中水流服從Darcy定律［12］；

（4）完整井定流量回灌，地下水滲流速度均勻分布。

基于上述條件，可以得到回灌過(guò)程中水位抬升值符合如下Theis公式［12］：

此時(shí)，Thies公式轉(zhuǎn)化為Jacob公式［12］：

式中：a=T/ue，稱為含水層導(dǎo)壓系數(shù)，m2/d。

研究表明，當(dāng)u≤0.05，即時(shí)，兩個(gè)模型誤差在2%以內(nèi)；當(dāng)u≤0.01，即時(shí)，誤差在0.25%以內(nèi)。

一個(gè)回灌周期內(nèi)，變量T、a、和均為已知，上式可進(jìn)一步改寫為：

基于上述關(guān)系，通過(guò)直線圖解法可以求得單個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)K值和儲(chǔ)水系數(shù)ue值。

研究表明，滲透系數(shù)在回灌試驗(yàn)持續(xù)過(guò)程中具有衰減趨勢(shì)，衰減速率先快后慢，并最終趨于穩(wěn)定，服從經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：α為穩(wěn)定滲透系數(shù)，即隨著試驗(yàn)進(jìn)行滲透系數(shù)不斷接近的值；β為回灌過(guò)程中衰減的部分；θ表征衰減的快慢程度。

按照上述關(guān)系對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行擬合，即可得到滲透系數(shù)的衰減規(guī)律。

4.2 計(jì)算結(jié)果

以回灌初期一個(gè)試驗(yàn)周期為例，說(shuō)明采用上述直線圖解法計(jì)算含水層滲透系數(shù)的步驟。2023 年1 月，在常壓定流量回灌模式下，試驗(yàn)持續(xù)2 天時(shí)水表記錄回灌量為215.5 m3，觀測(cè)孔（OW-1）水位從﹣17.85 m上升至﹣10.29 m 并趨于穩(wěn)定。首先整理出觀測(cè)孔水位上升值時(shí)間序列，并將其繪制在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中（圖4）；然后，利用試驗(yàn)后期直線段部分進(jìn)行擬合，并讀出一個(gè)對(duì)數(shù)周期的水位上升值為2.60，即為斜率m；最后，代入上述滲透系數(shù)求解公式計(jì)算K值為0.98m/d。

圖4 直線圖解法計(jì)算含水層滲透系數(shù)Figure 4.Linear graphical method for calculating aquifer permeability coefficients

為求得一段時(shí)期內(nèi)多個(gè)試驗(yàn)周期相應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù)，以及滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化與衰減情況，采用MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算。擬合結(jié)果顯示（圖5，表2），α、β和θ值分別為0.58、0.48 和0.21，調(diào)整決定系數(shù)Adj.R2為0.996。可以得到滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律：K（t）=0.58+0.48e-0.21t。

表2 滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與擬合值對(duì)照Table 2.Comparison of experimental and fitted values of permeability coefficients

圖5 滲透系數(shù)衰減過(guò)程擬合情況Figure 5.Fitting results for the attenuation process of the permeability coefficient

4.3 結(jié)果分析

上述計(jì)算結(jié)果表明，在盛澤鎮(zhèn)新安水利樞紐場(chǎng)地范圍內(nèi)，98.1～105.8 m 深度范圍發(fā)育的粉細(xì)砂層在回灌初期含水層滲透系數(shù)為0.98 m/d。常壓定流量回灌過(guò)程中，滲透系數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)出衰減特征，衰減速率漸緩，1年后滲透系數(shù)穩(wěn)定在0.58 m/d。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次回灌試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間1年，累計(jì)凈回灌量為23 000 m3，在半徑50 m 圓形范圍內(nèi)形成6.0 m 以上的水位上升區(qū)，在半徑200 m 圓形范圍內(nèi)形成2 m 以上的水位上升區(qū)，回灌效果明顯。通過(guò)試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

（1）吳江盛澤鎮(zhèn)地區(qū)孔隙含水層滲透系數(shù)在回灌試驗(yàn)持續(xù)過(guò)程中具有明顯的衰減趨勢(shì)，衰減速率先快后慢，并最終趨于穩(wěn)定，其變化規(guī)律滿足指數(shù)衰減模型K（t）=0.58+0.48e﹣0.21t。

（2）回灌水量減少可以根據(jù)滲透系數(shù)衰減規(guī)律，采用一定頻率的回?fù)P方法解決，試驗(yàn)表明，每月回?fù)P一次，可有效減緩衰減過(guò)程，延長(zhǎng)回灌井使用時(shí)間，減少堵塞發(fā)生的概率。