基于現場試驗研究的淺層地下水人工回灌影響因素分析

何 曄，黃鑫磊，占光輝

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072）

基于現場試驗研究的淺層地下水人工回灌影響因素分析

何 曄1,2,3，黃鑫磊1,2,3，占光輝1,2,3

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072）

近年來上海工程性地面沉降引起的地面沉降漏斗嚴重影響了周邊地區生命線工程的建設及運營安全，淺層地下水人工回灌技術在工程性地面沉降防治中的應用已受到關注。通過現場試驗研究，對淺層地下水人工回灌試驗中影響回灌量的各因素，包括回灌井結構、回灌井壓力以及回灌井使用時間等進行了分析探討。

工程性地面沉降；沉降防治；淺層地下水；人工回灌；試驗研究；影響因素

上海的區域地面沉降已得到較好控制，但沉降不均勻現象較為突出，在局部地區依然發育著多個由工程建設引起的沉降漏斗，漏斗中心沉降量普遍超過10mm[1～3]。如在虹橋、三林、陸家嘴等工程建設密集地區，都發育有明顯的沉降漏斗。上海對工程性地面沉降問題也高度重視，《上海市地面沉降“十二五”防治規劃》提出，減少差異地面沉降是上海市地面沉降防治的重點任務，2013年7月1日開始施行的《上海市地面沉降防治管理條例》進一步明確了工程性地面沉降的防治管理[4]。

近年來的研究及實踐應用證明，淺層地下水人工回灌技術是一種方法簡單、技術可行的有效手段[5,6]。而淺層含水層由于其土性以粉性土為主，顆粒較細，滲透性較差，因此相較于深層地下水回灌來說更加不利，回灌量較小。現有的研究普遍認為淺層地下水人工回灌量較小主要是地層條件所限，尚缺乏對淺層地下水人工回灌量影響因素的系統研究分析，即如何在淺層地下水人工回灌實際應用中最大限度增加回灌量從而提高工程性地面沉降控制效果。

本文結合淺層地下水人工回灌現場試驗研究，著重針對影響回灌量的各因素進行分析總結，探討淺層地下水人工回灌技術的應用實效，為后續工程性地面沉降防治研究提供借鑒[7,8]。

1 淺層地下水人工回灌試驗場概況

為研究分析淺層地下水人工回灌量各影響因素，選擇上海某在建工程深基坑旁建設了淺層地下水人工回灌試驗場，共建設第一含水層地下水回灌井2口、地下水位觀測井3口、地面沉降水準監測剖面2條（圖1）。

1.1 試驗場地質條件

根據試驗場鉆探及工勘資料，第一含水層可分為兩個亞層，即⑦1層砂質粉土和⑦2層粉砂，試驗場地內⑦1層與⑦2層差異較大，使得整個含水層呈現典型的二元結構。含水層上部即⑦1層為粉土，并夾有大量黏土，滲透性較差；而含水層下部即⑦2層為粉砂，富水性及滲透性都相對較好。淺層地下水人工回灌試驗場地質特征見表1。

圖1 試驗場設施平面布置Fig.1 The facilities layout of land subsidence monitoring and groundwater recharge

表1 淺層地下水人工回灌試驗場地質特征Table 1 The geological features in experimental site for shallow aquifer groundwater artificial recharge

1.2 回灌井結構設計

試驗場為正常沉積區，本次回灌試驗的目的含水層為第一承壓含水層，分為⑦1、⑦2兩層，其中⑦1層埋深28.37～31.77m，層厚3.4m。試驗場區內共建設兩口第一承壓含水層回灌井H1和H2，其中H1井深44m，濾水管位置30～42m，濾水管長度12m；H2井深37m，濾水管位置30～36m，濾水管長度6m。擴大孔徑是增加回灌量提升回灌效果的一種有效成井工藝[2,3]。此次試驗，回灌井H1孔徑取為800mm，作為比對回灌井H2孔徑取650mm，回灌井結構示意見圖2。

圖2 試驗場地層及回灌井結構示意Fig.2 The stratums and recharge wells structure in experimental site

2 淺層地下水人工回灌試驗分析

本次試驗場在基坑施工完畢后，針對第一承壓含水層先后進行了三組自來水壓力回灌試驗。第一組回灌試驗于2013年6月24日14:20開始，對回灌井H2進行單井回灌，于7月4日9:55結束；第二組回灌試驗于2013年7月8日12:00開始，對兩口井同時回灌進行群井試驗，于7月18日12:00停止回灌井H2回灌，變為回灌井H1單井回灌，8月14日10:30回灌試驗結束；第三組回灌試驗于2013年10月14日10:00開始，對回灌井H1進行單井回灌，于10月29號11:15結束。

三次單井回灌試驗期間回灌量和回灌壓力的變化情況如圖3所示。

劃痕實驗及Transwell小室法結果顯示，與對照組比較，SCC-15細胞中過表達miR-219能降低SCC-15細胞的遷移及侵襲能力。然而，當共轉染miR-219和PRKCI后，SCC-15細胞的遷移能力比單獨轉染miR-219的SCC-15細胞降低了50%以上(P<0.01)，SCC-15細胞的侵襲能力比單獨轉染miR-219的SCC-15細胞降低了50%以上(P<0.05)。說明由于PRKCI的過表達，逆轉了miR-219抑制腫瘤遷移及侵襲能力的作用(圖2E，圖2F)。

圖3 三組回灌試驗回灌量與回灌壓力變化曲線Fig.3 The quantity and pressure of recharge well of three tests

2.1 回灌井結構的影響

對比第一組單井回灌試驗和第二組單井回灌試驗，從圖3中可明顯看出第二組回灌量大于第一組。其中，第一組單井回灌試驗于2013年6月24日14:20開始，對H2進行自來水管網壓力回灌，于7月4日9:55結束，平均回灌流量為4.2m3/h，連續回灌約10天，累計回灌量1013.81m3；第二組單井回灌試驗于2013年7月18日12:00開始，對H1進行自來水管網壓力回灌，于8月14日10:30結束，平均回灌流量為5.5m3/h，連續回灌約27天，累計回灌量3533.34m3。

可知在其他條件相同的情況下，回灌井H1的回灌量明顯大于H2，是后者的1.3倍。這主要是由于兩口井結構不同，H1井深44m，濾水管位置30～42m，濾水管長度12m，而H2井深37m，濾水管位置30～36m，濾水管長度6m，則一方面H1井濾水管長度大于H2，另一方面H1井深44m，插入⑦2層較深，而⑦2層為粉砂，富水性及滲透性都相對較好，且回灌井H1孔徑取為800mm，H2孔徑為650mm，故按此結構設計回灌井H1回灌量應大于H2，而實際試驗結果也確是如此，可知在相同地質條件及現實情況允許下，回灌井深度越深其回灌量越大。

2.2 回灌壓力的影響

從圖3中可以看出，回灌井回灌量與回灌壓力負相關性明顯，隨著回灌持續時間增加，回灌壓力逐漸增大，回灌量逐漸減小。如果當回灌壓力到達一定值時，仍繼續回灌則容易出現回灌井井口周圍地面滲水的情況，這時可以再采取井口周邊注漿加固等措施進行減緩，但一般效果不明顯。

在回灌運行過程中，需要保持對回灌壓力的持續觀察和記錄，當回灌壓力明顯增大時，需要注意控制回灌水源的流量，適當依據回灌壓力的變化相應減小回灌流量，避免源頭水量過大造成回灌壓力增大而出現地面滲水情況。

這也是淺層地下水回灌和深層回灌的一個主要的不同之處，上海深層的地層一般砂粒顆粒較大，而淺層顆粒較小多為粉砂，滲水性差距較大，且淺層地下水位一般高于深層地下水位，故回灌時表現為回灌量小，回灌難度大，當淺層地下水人工回灌到一定程度時，地下水位有一定抬升，需要繼續回灌時則易表現出回灌壓力增大，回灌量減小。這也是目前淺層地下水回灌的一個難點，在出現新技術之前，則需要對回灌壓力進行持續觀測以便調節回灌源頭的水量，防止回灌壓力過大對回灌井造成損害。

2.3 回揚的影響

當回灌井回灌量較小時，可以對其進行回揚，一般來說回揚后的凈回灌量（即回灌量-回揚量）會大于回揚前的凈回灌量，這可能與一般認識有所不同，但回揚能帶出濾水管上的一些附著物，雖然暫時抽出一些地下水，但在回揚后能增加回灌量，總的來說凈回灌量有所增加，且回揚帶出濾水管上的一些附著物能避免濾管堵塞，從而延長回灌井使用時間。因此在回灌井回灌運行期間，設定適當的回揚頻率和回揚時間，對回灌井回灌效果是有幫助的。表2給出現場回灌試驗的一些數據作為參考。

表2 回灌試驗中回揚前后回灌量對比Table 2 Quantity of water recharge before and after drawing water out of recharge wells

2.4 回灌井影響半徑的影響

從表3可知，距離回灌井越遠，觀測井水位抬升越小，即受回灌井影響越小。故回灌井設計中需考慮回灌井的影響半徑，從而相應把回灌井布置在需要保護的建筑物或構筑物周圍，通過回灌井的布置形成水幕，從而減少甚至抵消降排水的影響，達到零水位降深與零沉降。

表3 回灌期間各觀測井水位抬升統計Table 3 Raising of groundwater level of observation wells for duration of experiment水位

2.5 回灌井使用時間的影響

比較圖3中的回灌量，可知圖中第三組H1單井回灌試驗回灌量小于第二組H1單井回灌試驗的H1回灌量。這表明隨著使用時間的增加，回灌井回灌量有所減小，也反映了反復抽灌對回灌井的回灌能力有影響。選取相對優良的管材，提升回灌井質量，可以相應延長回灌井使用壽命。

3 結論和建議

本文通過現場試驗研究，針對目前在工程性地面沉降中應用廣泛的淺層地下水人工回灌技術中影響回灌量各因素進行了分析，希望從回灌井設計、施工、運行等方面在現有技術條件下最大限度地提升回灌量，從而提高工程性地面沉降控制效果。

（1）在最初設計方面，根據現場地質環境及條件考慮回灌井的結構及回灌井的布置，在現實允許的情況下，增加濾管長度，使需保護建筑物或構筑物盡量在回灌井影響半徑之內，另外盡量對管路進行設計優化；

（2）在施工方面，對現場各種材質嚴格把關，施工過程嚴格把控，保證回灌井深度及孔徑等；

（3）在運行期間，通過持續觀測回灌壓力及相應的回揚頻率，使回灌井盡量處于高效工作狀態，且需對回灌水源的水質進行檢測，必要時采取一定處理措施避免回灌井堵塞，從而延長回灌井使用時間。

從現有的成果上來看，目前在防治工程性地面沉降實際應用方面已經取得了一定的進展。下一步還需在以下兩方面加以研究，從而更好地滿足實際工程的需要：把回灌井設計和工程隔水帷幕設計以及降水設計相結合，即一體化設計優化，從而站在整個建設工程的高度上對全局把控，考慮多方面因素影響，從而得出最優設計；發展新技術，突破地層條件對淺層地下水人工回灌的束縛。

References)

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Analysis of factors influencing artificial recharge of a shallow groundwater table based on field and experimental studies

HE Ye1,2,3, HUANG Xin-Lei1,2,3, ZHAN Guang-Hui1,2,3
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China)

In recent years, ground subsidence funnels caused by engineering-related subsidence have impacted the construction and operational safety of transportation corridors operating in areas surrounding Shanghai. At present, the technology of artificial recharge of shallow aquifers to control engineering-related subsidence has received attention. This study discusses the results of field and experimental studies of artificial shallow groundwater recharge, to explore the factors that influence the quantity of recharge water required in a particular situation, as well as the structure of the recharge well (depth, diameter, etc.), the operational pressure of the recharge well, the rate and duration of recharge, etc.

engineering-related subsidence; land subsidence control; shallow groundwater; artificial recharge; experimental studies; influencing factors

P642.26

A

2095-1329(2015)03-0075-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.03.017

2015-07-01

2015-07-28

何曄(1987-),男,碩士,主要從事基坑降水與地面沉降防治研究.

電子郵箱: yqiqie@163.com

聯系電話: 021-56617046

國土資源部公益性行業科研專項(201311045);上海市科委科研項目(12231200700)