黃泛平原超采地區(qū)地下水回灌工程方案研究

1含水層補(bǔ)給管理山東省臨清市位于山東省西部的黃泛平原上。它位于黃灌區(qū)的底部。年平均降水量為530mm，水資源總量為1267萬(wàn)hm。在地下水資源不能完全滿足灌溉用水需要的地區(qū),解決措施之一就是進(jìn)行含水層補(bǔ)給管理(MAR),即有目的的對(duì)含水層進(jìn)行回灌,以便今后回采用于不同用途或者發(fā)揮環(huán)境效益針對(duì)目前黃泛平原地區(qū)的地下水漏斗問(wèn)題以及灌區(qū)下游黃河水含有細(xì)顆粒粘土懸浮物的特點(diǎn),試圖在引黃溝渠滲入補(bǔ)源方法的基礎(chǔ)上,研究出一套含水層補(bǔ)給工程設(shè)計(jì)方案,增加地表客水入滲補(bǔ)給地下水量,供農(nóng)業(yè)灌溉使用,同時(shí)緩解這一地區(qū)因地下水超采引起的環(huán)境和地質(zhì)問(wèn)題,并通過(guò)野外試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一工程的可行性和回灌效果。2地下水的補(bǔ)給、徑流、有效排泄量項(xiàng)目區(qū)選在位于魯西北黃泛平原、引黃灌區(qū)下游的臨清市八岔路鎮(zhèn)萬(wàn)莊村,屬于車莊溝流域,車莊溝的一條支流流經(jīng)項(xiàng)目區(qū)。項(xiàng)目區(qū)屬井渠結(jié)合灌區(qū),車莊溝與區(qū)內(nèi)的引黃三干渠相連,具有一定的引黃水灌溉和補(bǔ)源的條件。目前項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉嚴(yán)重超采地下水,地下水埋深達(dá)到17m,并形成大的漏斗區(qū)。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散層類孔隙水,淺層為淡水,深層為咸水,其中最具有供水意義的淺層地下水,地層厚度約為60m。該區(qū)淺層地下水主要補(bǔ)給方式為大氣降水,其次還有引黃灌溉及渠道滲漏補(bǔ)給,灌溉回歸水補(bǔ)給也是重要補(bǔ)給源,根據(jù)灌溉水源分為引黃灌溉回歸和地下水灌溉回歸水。地下水徑流主要受控于不均勻的開(kāi)采強(qiáng)度、地表水文和地形地貌因素,地下水徑流方向基本上與地形傾斜方向一致,由西南向東北緩慢流動(dòng),水力坡度2/10000~4/10000。人工開(kāi)采是本區(qū)地下水排泄的主要方式,也是本區(qū)主要排泄量之一。項(xiàng)目區(qū)經(jīng)SQ-3C雙頻道輕便型激電儀物探和巖土勘探,上部0~15.5m巖性以亞砂亞粘土為主;15.5~60m區(qū)間為主要富水層,巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂、中粗砂為主,夾有薄層粘土、亞粘土,呈互層結(jié)構(gòu),自北向南逐步增厚。根據(jù)雙環(huán)滲透試驗(yàn)得出滲透系數(shù)K為2.8m/d,有效孔隙度為0.5,給水度為0.065。結(jié)合巖土實(shí)驗(yàn)和野外雙環(huán)滲透試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為該區(qū)土壤屬于粉土,滲透性較好,且不存在連續(xù)的弱透水層,因此該區(qū)地層和巖性對(duì)于地面滲水法來(lái)說(shuō)具有較好的回灌條件。3平原污水處理廠規(guī)劃與生態(tài)水層保護(hù)3.1管井過(guò)濾和滲流系統(tǒng)工程回灌控制面積5.4hm明渠的水量和水位作為穩(wěn)定的補(bǔ)給水源和壓力水頭,利用明渠水深作為動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)過(guò)濾和滲漏過(guò)程,不需外加能量;由于工程系統(tǒng)大部分埋在地下,所以占地較少;另外濾水管有一定坡度,水流可以快速通過(guò)管子滲漏入地下,有著較高的回灌效率;過(guò)濾后可能進(jìn)入暗管中并被水流夾帶的細(xì)顆粒懸浮物最終進(jìn)入豎井,被定期清淤。因此這個(gè)工程在運(yùn)行過(guò)程中既生態(tài)又高效。3.2非穩(wěn)定自由滲漏階段目前,工程區(qū)地下水埋深為17m,濾水管距地下水面13m。每次引黃時(shí)間為7d,引水期間渠中的水位基本處于穩(wěn)定,河水通過(guò)渠中水頭,自流流入到地下濾水管中,滲入土層中,最后補(bǔ)給地下水,形成水丘,管中流為低壓流。結(jié)合水力學(xué)、土壤水動(dòng)力學(xué)和地下水動(dòng)力學(xué)理論,將回灌水滲漏過(guò)程分為三個(gè)階段,第一階段為非穩(wěn)定自由滲漏階段,滲漏水從渠道底部土層逐步濕潤(rùn)直至地下水面;當(dāng)回灌水從管中滲漏到地下水面,此時(shí)地下水面與管道并沒(méi)有直接的水力聯(lián)系,因此滲漏量不會(huì)隨地下水位的升高而有所變化,此時(shí)是第二階段穩(wěn)定自由滲漏。當(dāng)?shù)叵滤迳仙凉艿缀?地下水與管道中的水連成一體,此時(shí),管道滲流將受到地下水的頂托滲漏,滲漏流量將隨附近地下水位的上升而逐漸減小,此時(shí)為第三階段頂托滲漏。3.2.1過(guò)濾水孔的滲漏3.2.1.古代水文條件和計(jì)算溫濕度峰到達(dá)不同距離時(shí)的滲漏情況垂直滲透時(shí)間計(jì)算公式為式中,v結(jié)合項(xiàng)目區(qū)工程和水文地質(zhì)條件與式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算濕潤(rùn)峰到達(dá)不同距離時(shí)的滲漏情況,如表1所列。此階段滲漏量為:3.2.1.管底水位上差值計(jì)算第一階段非穩(wěn)定自由滲漏即濕潤(rùn)峰到達(dá)地下水面所需時(shí)間為1.35d,計(jì)算引水期間剩下的5.65d管底水位上升值。假如計(jì)算值超過(guò)了13m,則再計(jì)算距離管道不同距離的地方同一時(shí)間水位上升值,如果幾點(diǎn)水位上升平均值超過(guò)了13m,則已到達(dá)頂托滲漏階段,否則仍處在自由滲漏階段。根據(jù)穩(wěn)定自由滲漏階段公式和渠道自由滲漏量計(jì)算理論公式3.2.1.頂托滲漏階段當(dāng)不穩(wěn)定自由滲漏持續(xù)1.35d,穩(wěn)定自由滲漏持續(xù)4.86d后,剩下的0.79d為頂托滲漏階段。計(jì)算此階段的滲漏量:在研究區(qū)200m的研究范圍內(nèi),第二滲漏階段結(jié)束時(shí),研究區(qū)邊界水位上升值s=1.84m,則第三階段滲漏量根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)公式得Q3.2.2河流泄漏3.2.2.1.第一階段：不穩(wěn)定、自由和滲透階段根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算河道非穩(wěn)定自由滲漏階段此階段河道滲漏量為:Q3.2.2.2.2穩(wěn)定自由滲透階段此階段,河道穩(wěn)定自由滲漏持續(xù)了4.15d。經(jīng)計(jì)算,穩(wěn)定自由滲漏階段河道滲漏量為Q3.2.2.頂托滲漏階段當(dāng)不穩(wěn)定自由滲漏持續(xù)1.78d,穩(wěn)定自由滲漏持續(xù)4.15d后,剩下的1.07d為頂托滲漏階段。計(jì)算此階段的滲漏量:在研究區(qū)200m的研究范圍內(nèi),第二滲漏階段結(jié)束時(shí),研究區(qū)邊界水位上升值s=2.1m,利用式(3)得:Q通過(guò)上述計(jì)算可知,河道在引水期間滲漏總量Q通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可知,三條管道總的滲漏量為52310.82m3.3鋪設(shè)砂墊層,減少暗管濾孔堵塞(1)設(shè)計(jì)包有土工布并有一定坡度的地下濾水管,使明渠中的源水經(jīng)過(guò)入口過(guò)濾池過(guò)濾后進(jìn)入到暗管,并在入滲土壤之前,又經(jīng)過(guò)暗管土工布的過(guò)濾,同時(shí),暗管設(shè)定的坡度又使一部分泥沙進(jìn)入到后置清淤井中,減少了暗管濾孔的堵塞。(2)在設(shè)計(jì)斷面的土體上鋪設(shè)20cm厚的砂墊層,一方面起到支撐管體、穩(wěn)固地層的作用,另一方面使水流均勻地滲入到管下土壤中,且防止水?dāng)y帶泥沙進(jìn)出滲水區(qū),減少濾水管的堵塞。(3)設(shè)置回灌系統(tǒng)豎井,周圍填有濾料,既可以接納濾水管輸送的泥沙,也可以向周圍土壤滲水?；毓嗪笃?在明渠水位降落之前可以在井中通過(guò)人工抽水,使其與明渠形成較大的水位差,實(shí)現(xiàn)動(dòng)水沖砂,避免這一階段凈水條件下,泥沙在濾水管的沉積。3.4工程方案的試驗(yàn)和批準(zhǔn)此工程設(shè)計(jì)的驗(yàn)證通過(guò)野外回灌試驗(yàn)和示蹤試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。3.4.1地下濾排水管泄漏引黃回灌試驗(yàn)從2015年4月13日15:30到2015年4月20日,基本上運(yùn)行了7d,回灌水來(lái)自位山灌區(qū)。從回灌開(kāi)始到回灌第5天,在觀測(cè)井用地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到的地下水位變化如圖5所示。從圖5可以看出,地下水位整體呈下降趨勢(shì),但是每天18:00到次日6:00,地下水位又略微上升。原因在于此期間恰逢冬小麥春灌,周圍農(nóng)民白天抽取地下水對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉,引起地下水位下降,當(dāng)晚間停止抽水時(shí),在本工程的回灌以及河流的側(cè)滲補(bǔ)給作用下,地下水位又出現(xiàn)回升。通過(guò)前置過(guò)濾裝置安裝的電磁流量計(jì)顯示,入口流速?gòu)幕毓嚅_(kāi)始第3天到第7天一直保持為0.32m/s,大于地下濾水管中水流速,因此在短時(shí)間內(nèi),進(jìn)入到暗管中的水大部分都滲漏到地下。地下濾水管前段滲漏的水量大于后段,但由于管長(zhǎng)所限,一段時(shí)間后,整個(gè)地下濾水管會(huì)均勻滲漏。在7d的回灌過(guò)程中,一根濾水管7d的入滲量為21975m3.4.2水流速度和運(yùn)移速度本次示蹤試驗(yàn)示蹤劑投放點(diǎn)選在回灌工程的前置過(guò)濾裝置,接收點(diǎn)選在工程末端的后置清淤井中,選用羅丹明B(RhodamineB)作為示蹤劑。后置清淤井中羅丹明B的濃度變化如圖6所示。由于水流在地下水濾水管中運(yùn)動(dòng)形式是往地下滲流的同時(shí)又向前流動(dòng),各空間點(diǎn)水流速度不相同,一般常用峰值的運(yùn)移速度來(lái)表征地下管道中水流平均速度式中,L為地下濾水管長(zhǎng)度;t為示蹤劑濃度達(dá)到峰值歷時(shí)。地下濾水管長(zhǎng)度為200m,從示蹤劑在投放點(diǎn)即前置過(guò)濾裝置開(kāi)始投放到接收點(diǎn)1即清淤井中示蹤劑濃度達(dá)到峰值歷時(shí)80min,因此可計(jì)算出地下濾水管中水流的平均流速為150m/h即0.04m/s,這與根據(jù)曼寧公式理論計(jì)算的盲溝輸水能力169.2m/h較接近。通過(guò)上述兩個(gè)野外試驗(yàn)驗(yàn)證可知,此回灌工程在平原漏斗研究區(qū)內(nèi)是可行的,并且對(duì)于補(bǔ)給地下水、緩解地下水漏斗發(fā)展以及旱澇堿綜合治理具有重要作用。4對(duì)回灌系統(tǒng)的作用(1)從所收集的氣象、水文、水文地質(zhì)等當(dāng)?shù)刭Y料,物探、勘探、雙環(huán)滲透試驗(yàn)等實(shí)地調(diào)查和野外試驗(yàn)結(jié)果以及水質(zhì)測(cè)驗(yàn)和土工試驗(yàn)結(jié)果,可看出該項(xiàng)目區(qū)選址具有代表性,其地層、水質(zhì)等條件都較適合回灌。(2)利用水力學(xué)、土壤水動(dòng)力學(xué)和地下水動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論,初步設(shè)計(jì)出該回灌系統(tǒng)的施工參數(shù),包括前置過(guò)濾池尺寸、地下濾水管埋深、管長(zhǎng)、管徑、管材、坡度等參數(shù)。并定量地分析了回灌效果,計(jì)算結(jié)果表明該明溝—地下濾水管—豎井回灌系統(tǒng)在一定程度上有利于地下水位的恢復(fù)。(3)明溝—地下濾水管—豎井地下水回灌系統(tǒng)在溝渠滲漏和灌溉回歸水補(bǔ)給地下水的基礎(chǔ)上,進(jìn)一