地下水人工回灌技术综述

S tudy on Technical Econo m y 技术经济研究 地下水人工回灌技术综述3

李恒太,石　萍,武海霞

(河北工程大学,邯郸056021)

摘　要:我国的地下水人工补给工作目前还处于起步阶段。影响地下水人工回灌的条件有水文地质条件、回灌水源和回灌方案的经济可行性。目前国内外大量使用的直接回灌方法主要是地面入渗法和管井注入法。人工回灌水质必须满足一定的要求,主要控制参数为微生物学质量、总无机物量、重金属、难降解有机物及有毒有害物质等。今后的研究重点是:如何结合水文学和水动力学等理论,对地下水人工回灌过程中地下径流产生、径流路径、径流排泄等过程进行理论描述;如何利用水环境微生物等理论了解回灌过程中对地下含水层的影响、对地下水水质的影响。

关键词:地下水;人工回灌;地面入渗法;管井注入法

中图分类号:P641.8;T V213.4 文献标识码:C 文章编号:167226995(2008)0320041202

1　国内外应用现状

地下水的人工补给,就是通过各种人工入渗措施,把各种地表水源补充到含水层内使之增加可利用的地下水资源。人工补给是直接扩大地下水资源的最有效的手段,也是解决当前许多地区水资源不足和改善水圈的一个重要途径,可以有效地利用超过天然补给部分的地下水。此外,人工补给地下水也是防治区域地下水位下降、沿海平原的海水入侵、地面沉降等水害以及控制地震灾害的有效措施之一。因此,人工补给地下水工作,在许多地区的水资源管理方案中都占有重要地位。近年来,它在许多发达国家也得到了迅速发展,在地下水的总利用量中一般都占到20%-30%以上。我国的地下水人工补给工作,目前还处于起步阶段,但已在控制地面沉降、扩大地下水开采资源、利用含水层贮能等方面起了明显的作用。

我国一些大中城市和北方干旱、半干旱地区的井灌区,也和国外一样,由于大量开采地下水,出现了地下水位持续下降、水质恶化、海水入侵以及地面沉降等一系列严重问题。全国有30多座城市已不同程度地出现了地面沉降、塌陷、地裂缝、咸水入侵等环境问题,对此,除了严格禁采、限采地下水和进行地下水回灌之外,还没有其他更有效的处理办法。如上海市,自20世纪60年代以来,就开展了利用深井回灌,调整地下水开采层次和压缩用水以控制地面沉降的试验研究工作。从60年代的每天开采30余万立方米,减少到80年代的每天开采4万立方米,使地下水位得到回升,地面沉降量由每年22毫米减少到5毫米。这样,地面沉降基本上得到控制。天津市也如此,一方面节约用水;另一方面,逐步减少对地下水的过量开采,使地面沉降得到控制。如1986-1987年累计关停地下水井601眼,并严格控制增打新井,大大地减少了地下水开采量。经测量证实,天津市区和塘沽区平均沉降量分别从1986年的62毫米和54毫米减少到43毫米和46毫米。在此基础上还发展了“冬灌夏用”及“夏灌冬用”、地下水储冷、储热的试验,其中“冬灌夏用”已在北京、天津、西安、南昌等城市得到了推广。我国北方黄淮海平原的一些地区,如石家庄、新乡、聊城等地区也都先后进行过人工引渗补给浅层地下水的试验,收到了较好的效果,补充调节了地下水源。在陕西富平、河北冀县、黑龙江三江平原等地也进行了一些试验研究工作。

2　地下水人工回灌的条件

2.1　水文地质条件是否适于进行人工回灌

含水层的可利用容积、埋藏深度、导水和储水性能以及排泄条件等对人工回灌能否进行至关重要。如果含水层可利用的容积不大,或补给水很快就流失或排入附近河道或沟谷中,则该含水层不适于进行人工补给。试验研究表明,人工补给含水层的厚度,一般以30-60m为最佳,含水层产状最好平缓,广泛分布,以渗透性能中等的各类砂质岩层或裂隙岩层最好。2.2　有无可利用的回灌水源

在人工回灌中,水源问题很重要。特别是在地下水资源的人工补给中,没有体外水源的补充,就谈不上人工补给地下水了。回灌水源主要包括地表水、雨水、回用的城市污水。在我国南方河网地区,人工回灌水源问题虽然不太突出,从经济和效果来看,有取水远近、水质好坏、净水难易、费用高低等问题。在缺水的北方地区,水源问题则尤其突出,有水库蓄水控制的河道径流、水库和回用的城市污水可以为人工回灌提供水源。

2.3　回灌方案是否经济可行

3作者简介:李恒太(1969-),男,甘肃省静宁县人,河北工程大学讲师,大学本科,主要从事水文水资源教学与研究。

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不仅要考虑增加单位水量的工程投资,还应考虑工程运转后水的成本对比,以及工程方案在其它方面的综合效益和对环境可能带来的各种有利和不利影响。

3　地下水人工回灌的方法

地下水人工回灌的目的,是为了贮藏和处理地面径流与洪水;补充地下水的有效水量;减少或消除地下水储水层水位的下降;减少、防止或补救咸水的侵入;储藏水量以减少抽水与打井费用;在冬季贮藏低温水为夏季使用;通过地层的扩散作用进行热交换;通过地层过滤作用清除悬浮固体。

地下水人工补给的方法分为直接和间接两大类。直接方法是指以完成人工补给地下水为直接目的的方法,包括地面入渗法、地下灌注法以及地下径流调节法。间接方法是指那些除达到工程设施本身兴建的目的外,同时也对地下水储量起到补充或增加作用的方法。

目前国内外大量使用的直接回灌方法主要是地面入渗法和管井注入法。回灌方法的选择主要取决于进行人工回灌的目的、当地的自然地理及水文地质条件。

3.1　地面入渗法(即浅层回灌法或水扩散法)

主要是利用天然洼地、河床、沟道、较平整的草场或耕地,以及水库、坑塘、渠道或开挖水池等地面集(输)水工程设施,常年定期引、蓄地表水,借助地表水和地下水之间的天然水头差,使之自然渗漏补给含水层,以增加含水层的储量。

地面入渗法的优点是,可因地制宜利用自然条件,以简单的工程设施和较少的投资获得较大的入渗补给量,运行中也较容易管理和便于清淤,故能经常保持较高的渗透率。主要缺点是设施占地面积较大,受地质、地形条件的限制,补给水在干旱地区蒸发损失较大,还可能引起附近土地盐渍化、沼泽化或浸没建筑工程基础。

地面入渗法的使用条件:

(1)该方法主要适用于地形平缓的山前冲洪积扇、冲积河谷和平原的潜水含水层分布区,以及某些基岩台地和岩溶河谷地区。

(2)为增大补给效率,地面入渗法要求地表具有透水性较好的土层:如砂土、砾石、亚砂土、裂隙发育层等。

(3)接受补给的含水层应该具有较大的孔隙和孔隙度,分布面积较大,并有一定的厚度。

(4)为保证补给水在到达含水层之前能更好地净化,以满足水质要求,要求入渗建筑物与取水建筑物之间有一定距离。

3.2　管井注入法(即深层回灌或地下灌注法)

补给水源通过钻孔、大口径井、或坑道直接注入含水层中的一种方法。

管井注入法的主要优点是:不受地形条件限制,也不受地面厚层弱透水层分布和地下水位埋深等条件的限制。此外,占地少,水量浪费少,不易受地面气候变化等因素影响。缺点是由于水量集中注入,井及其附近含水层中流速较大,井管和含水层易被阻塞。且对水质要求较高,需专门的水处理设备、输配水系统和加压系统,工程投资和运转时管理费用较高。

主要适合于因地面弱透水层较厚、或地面场地限制不能修建地面入渗工程的地区,特别适合于用来补给承压含水层或埋藏较深的潜水含水层。

管井注入法的主要问题是堵塞问题,按其性质可分为物理堵塞、化学堵塞和生物化学堵塞三大类。物理堵塞是由于补给水源中悬浮物(包括气泡、泥质、胶体物、各种有机物)充填于滤网和砂层孔隙中所造成的堵塞。当回灌装置密封不严时,大量空气随回灌水流入含水层中,也可能产生堵塞(亦称气相堵塞),主要是采用定期回扬抽水方法进行处理(对于气相堵塞还应及时密封回灌装置)。生物化学堵塞,特别是铁细菌和硫酸还原菌所造成的堵塞,是许多地区回灌井堵塞的主要原因,主要是采用注酸方法进行洗井处理。

4　对人工回灌水水质要求

为防止地下水污染,提供清洁水源,人工回灌水质必须满足一定的要求,主要控制参数为微生物学质量、总无机物量、重金属、难降解有机物及有毒有害物质等。回灌水质因回灌地区水文地质条件、回灌方式、回用用途、回灌水与原地下水可能产生的化学反应、对管井和含水层可能产生的腐蚀和堵塞、地层的净化能力等不同而有所不同。

4.1　回灌水源的物理性质

就回灌水源的物理性质来说,影响最大的因素是温度和浑浊度。

温度的变化将改变混合水的粘度和密度,最终影响水在地层中的渗透和过滤速度,粘度随温度的升高而降低,将加大水渗入土层的能力。此外,水温的变化也可能引起地下水的某些化学反应。实验表明,人工补给水源的最佳温度为20～25℃。

回灌水的浑浊度也严重影响补给效率,并与管井和含水层的堵塞有关。一般要求补给水的悬浮物浓度必须控制在20mg/L以下。

回灌水中氧气含量过大,则会与Fe2+作用生成不溶于水Fe(OH)3,产生化学堵塞,因此溶解氧含量以5～7mg/L为宜。回灌水中C O

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含量一般要求尽量少,以免产生侵蚀作用或饱和时产生沉淀,导致岩石孔隙被堵塞。

4.2　回灌水的化学性质

回灌水的化学性质的影响主要表现在以下几个方面:补给水进入含水层,可能破坏含水层中原有的地球化学平衡环境,而引起不良的化学反应或离子交换导致金属沉淀;原悬浮于水中的粘土颗粒,可能因离子交换作用而膨胀,产生絮凝作用。

关于补给水中钙、镁、氯化物等常见可溶盐成分及毒性元素含量的要求,主要视补给地下水的用途而定。

PH值对补给水质有极大影响,因为氢离子浓度的变化可引起水中某些成分的溶解和沉淀,并刺激生物的繁殖过程。

对“三氮”,即氨氮、亚硝酸氮、硝态氮及细菌指标,因通过地层的长期滞流和天然过滤,有一定的自净能力,可适当放松,但应针对不同地区的地质条件制定相应的水质标准。对于有

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