對偶反濾回灌井室內穩定流試驗研究

魏鵬昆，李旺林,2，李 納，吳澤華，徐 芳，何家鵬(.濟南大學，濟南 250022；2. 山東省地下水數值模擬與污染控制工程技術研究中心，濟南 250022；.山東省鄒平縣水利局，山東 鄒平 256200；.福建省水利水電科學研究院，福州 5000)

山東半島屬于低山丘陵區，暖溫帶濕潤季風氣候，70%～80%的年降雨量集中出現在7-8月份，而枯水季節出現河水斷流和枯涸現象，經統計該區人均水資源占有量為291.2 m3，水資源利用率不足30%，屬于較為嚴重的缺水地區。為了有效利用雨洪資源，山東半島建設了一批地下水回灌工程，其中反濾回灌井是最常用的一種回灌設施[1]。反濾回灌井是一種自身具有一定凈水能力的特殊回灌井，適用于上部為壤黏土、下部為砂層或砂與壤土互層的地層，一般布置在河道內或回灌渠內。反濾回灌井由回灌池和普通的回灌井組成，其回灌井位于回灌池底部中心處，回灌池是一個上大下小的四方臺形的土坑，坑內回填砂、礫石2層反濾料，使其具有過濾水中顆粒和雜質的能力。當水流流經回灌池時，河水滲入回灌池，經過濾后進入回灌井內，并轉化為地下水。

如何提高回灌設施的回灌能力是回灌工程設計的一個重要問題。目前，在提高回灌設施的回灌能力方面，主要集中在2點：一是減少回灌設施和含水層的堵塞，二是提高回灌設施的單位回灌量。前者是目前地下水回灌研究的熱點，后者研究較少。

在回灌設施和含水層堵塞方面，代表性的研究有：林學鈺分析了人工回灌過程中地下水主要溶質組分的變化趨勢和相關水巖反應[2]；黃修東研究了井灌過程中可能發生的物理、生物堵塞[3]；鄭西來研究了懸浮固體顆粒對含水介質堵塞的機理[4]；Li Ma在回灌池中用干、濕循環和保持低水頭的辦法，以減少生物堵塞[5]；N. Phien-wej分析了回灌水中攜帶空氣引起的堵塞、回灌水與自然地下水化學不相容引起的堵塞、回灌水中懸浮顆粒引起的堵塞[6]；A.F. Bichara研究了不同條件下承壓含水層回灌井堵塞的規律[7]。

在提高回灌設施的單位回灌量方面，代表性的研究有：A.K.Rastogi采用伽遼金有限元方法分析了矩形、正方形、正六邊形、圓形、正三角形等回灌池的回灌效果，得出等面積、等回灌率和其他條件相同的情況下，矩形回灌池的回灌量最大[8]；李旺林研究了反濾回灌井單井回灌量的定量計算方法[9]，分析了現有反濾回灌井存在的主要問題，探討了如何提高反濾回灌井單井回灌量的問題[10]，并介紹了多面進水反濾回灌井及單井回灌量的計算方法[11]。

本文在分析現有反濾回灌井存在問題的基礎上，以提高大單井回灌量為前提，設計了3種新型對偶反濾回灌井，研制了室內穩定流回灌試驗裝置，進行了普通回灌井、現有反濾回灌井和3種對偶反濾回灌井的室內穩定流回灌試驗研究。這有助于進行反濾回灌井單井回灌量的定量計算和提高反濾回灌井的回灌能力，對于地下水庫回灌工程設計具有重要的現實意義。

1 對偶反濾回灌井設計

新型對偶反濾回灌井設計的基本原則和方法如下。

(1)盡可能地增加回灌池的過水斷面面積。反濾回灌井由回灌井和回灌池2部分組成。對于目前的反濾回灌井，其回灌井的可回灌量相對較大，而回灌池的滲入水量過于偏低[10,11]，制約了反濾回灌井的單井回灌量。因此，如何提高回灌池的滲入水量是提高現有反濾回灌井回灌量的重要因素。提高回灌池的滲入水量的途徑有2個：一是選用更大滲透系數的反濾材料，這方面潛力不大，如選土工織物代替砂反濾層，其滲透系數相當或略微增大；二是增加回灌池的過水斷面面積，這方面很有潛力。

現有反濾回灌井回灌池的入滲斷面只有頂面，對于一個外徑0.8 m的回灌井，其回灌池頂面面積已達3.9 m×3.9 m=15.21 m2，如再繼續增大回灌池表面面積，占地更大，已不經濟。因此在減少占地面積的前提下，如何增大過水斷面面積是回灌池改進或優化設計的重點。

(2)提高反濾回灌井的抗淤能力。由于現有反濾回灌井頂高程與河床表面基本持平，對于河床縱向比降平緩的河段，或筑壩建閘擋水蓄水的河段，在現有反濾回灌井表層很容易產生淤積，淤泥充填回灌池上層砂層孔隙，使回灌池失去滲水功能，大幅度地降低反濾回灌井回灌量，淤積嚴重的，使反濾回灌井失去回灌的功能。據統計，山東膠東半島，河床平緩或蓄水河段的反濾回灌井，經歷1～2個汛期，淤積作用基本可使反濾回灌井喪失回灌能力。

(3)提高反濾回灌井的抗沖能力。由于現有反濾回灌井的回灌池為土坑，對于河床縱向比降較陡的河段，回灌池容易沖毀，帶走反濾砂，使其喪失反濾能力，其后果導致泥沙顆粒進入回灌井，細小顆粒進入含水層，使回灌井淤積填埋，并使含水層淤堵，并降低儲水能力。因此，還有必要對回灌池加以保護。

對現有反濾回灌井改進設計思路：如果將回灌池從地下抬高至地面以上，從原來的土坑變為有硬質材料護壁的回灌井口，并由原來回灌池表面一面入滲進水的方式，改為從回灌井口頂面、外側面入滲進水的方式，即可防沖抗淤，又可增大過水斷面面積；如果在井口中間掏空，讓水流從井口中間穿過，則又可增加內側面、內側底面入滲進水，使入滲過水斷面面積最大化。另外，再以相當或較大滲透系數的土工織物代替砂反濾層，即不會減少滲入水量，又不失反濾功能，而且維修、更換方便。

設計了3種新型對偶反濾回灌井，對偶反濾回灌井由回灌井和對偶回灌井口組成。3種新型對偶反濾回灌井的對偶回灌井口分別為：第1種為圓形對偶井口，其回灌井口為頂面、外側面、內側面、底面均能進水的2個對稱的半個空心圓柱體，見圖1(a)～(d)；第2種為方形對偶井口，其回灌井口為頂面、外側面、內側面、底面均能進水的2個對稱的空心長方體，見圖1(a)、(e)～(g)；第3種為臺形對偶井口，其回灌井口為頂面、外側面、內側面、底面均能進水的2個對稱的空心長方臺體，見圖1(h)～(j)。

圖1 對偶回灌井口結構示意圖Fig.1 The structural diagram of dual recharge wellhead 注：1-回灌池；2-側壁；3-土工織物；4-河底地面；5-外側壁孔口；6-內側壁孔口；7-回灌井；8-反濾料。

與普通反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井具有以下特點。

(1)回灌池置于地面之上，稱之為對偶回灌井口，其頂面、外側面、內側面以及內底面均可進水，增加了進水斷面面積，提高了抗淤能力。

(2)對偶回灌井口采用硬質塑料、鋼、薄壁鋼筋混凝土材料等，增強了抗沖能力。

(3)對偶回灌井口外表覆蓋一層土工織布，既能有效過濾回灌水中的雜質，也能節省砂礫石反濾料，且維修簡便、容易更換。

(4)對偶回灌井口底部一定高度范圍內做成不透水的，可防止雨洪初期劣質河水回灌至含水層。

(5)如果河水臨時受到污染，可在對偶回灌井口土工織物反濾層外側，再加套一層土工膜，使對偶回灌井口外表增加了一層不透水層，以防止污染的河水回灌至含水層。

對偶反濾回灌井的適用條件如下。

(1)我國北方中小型流域季節性河流，汛期河水大量遺棄，非汛期流域缺水，河水沒有污染或輕微污染。

(2)含水層上部為不透水層或弱透水層，即地層表層為壤土或黏土，或含水層為砂層、黏土互層結構，通過回灌井經歷各層含水層的水力聯系。

(3)對偶反濾回灌井位于河流河床、灘地，或專用引水回灌渠內。

2 對偶反濾回灌井穩定流試驗

2.1 試驗設計

(1)試驗裝置。室內回灌試驗裝置由有機玻璃材料制作，為長1.8 m、寬0.8 m、高1.3 m的長方體，試驗裝置能模擬半個完整反濾回灌井或非完整反濾回灌井的穩定流回灌試驗。試驗裝置詳見圖2。

圖2 室內回灌試驗裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of laboratory recharge test device

室內回灌試驗裝置由供水系統、排水系統、回灌系統和測量系統4部分組成。供水系統包括水源、穩壓水箱、水表、進水管和進水口。排水系統包括出水口、調節水箱排水孔和底排水孔。回灌系統主要由回灌水槽、回灌井、各種井口、長方體容器和地下水位調節池組成，其中水槽用于模擬天然河道，長方體容器用于模擬含水層，地下水位調節池用于控制回灌井周圍地下水位，見圖3(a)。回灌井半徑10 mm，由有機玻璃管制作，取一半，黏于長方體容器一側壁的正中間。考慮與回灌井模型一致性，各種回灌井口模型比例為1:25，均取一半，過水斷面面積的開孔率約為20%，其中圓形對偶井口高110 mm，外徑為40 mm，內徑為20 mm；方形對偶井口高110 mm，邊長為40 mm；臺形對偶井口高110 mm，上口長邊邊長為35 mm，下口長邊邊長為40 mm，過水斷面面積的開孔率為20%，詳見圖3(b)～(d)。為了進行對比分析，又制作了原回灌池模型，取一半，其底部尺寸為40 mm×20 mm長方形，頂部尺寸為40 mm×80 mm長方形，詳見圖3(e)。測量系統分為水位測量系統和流量測量系統，包括水槽水位標尺、測壓管、進水和出水流量測量等。測壓管布置于長方體容器底部，共計20只，按水平線、垂直線和對角線4條線布置，主要用于測量含水層地下水位。測壓管布置見圖4。

圖3 回灌裝置和回灌井口Fig.3 Recharge device and wellhead of recharge well

圖4 回灌裝置底部測壓管布置Fig.4 Piezometric tube distribution map in the bottom of recharge device

(2)試驗方案。試驗模擬承壓含水層完整井穩定流，擬做5種井的穩定流回灌試驗：方案一為普通回灌井穩定流回灌試驗，僅有回灌井、無井口；方案二為現有反濾回灌井的穩定流回灌試驗，模擬原四方臺體回灌池，池內設置砂、碎石2級反濾料；方案三為圓形對偶反濾回灌井的穩定流回灌試驗；方案四為臺形對偶反濾回灌井的穩定流回灌試驗；方案五為方形對偶反濾回灌井的穩定流回灌試驗。

其中方案一為普通回灌井，代表目前國外和國內(除山東半島)常用的地下水回灌設備；方案二為現有反濾回灌井，代表目前山東半島常用的地下水回灌設備；方案三～五為研制的新型對偶反濾回灌井。

(3)試樣制備。試驗裝置表層為黏土，下層為砂，砂控制干密度1.44～1.50 g/cm3，滲透系數為3.07～3.55×10-4m/s。砂樣采用天然河砂，平均粒徑0.836，不均勻系數3.2，曲率系數1.18，為不良級配粗砂，砂樣顆粒大小分布曲線見圖5。

圖5 砂樣顆粒分布曲線Fig.5 Sand particles distribution curve

回灌井口反濾采用土工織物，其單位面積重量為200 g/m2，厚度為3 mm，土工織物+有機玻璃井口(約20%的開孔率)的綜合滲透系數為6.2 ×10-4m/s。

(4)室內回灌試驗結束標準和資料整理。試驗結束標準：當連續測量3次回灌量，其中每2次連續測量回灌量之差均不大于后一次(指連續2次測量中的第2次)回灌量的5%時，回灌試驗即可結束。試驗資料整理：取最后3次回灌量測量值的平均值作為回灌試驗的結果。

2.2 室內穩定流回灌試驗

試驗模擬承壓含水層完整井穩定流，水槽內穩定回灌水位92 cm(長方體容器底部為0基準水位)左右，周圍地下水位20 cm。為保持周圍地下水位穩定，在安裝井對面的側壁下部，設置一礫石排水帶，排水帶出口與兩側調節水箱相連，使該側地下水位與兩側調節水箱的水位保持一致。試驗時，水由穩壓水箱流出，由水槽一側進入水槽，水流流經反濾回灌井時，一部分水通過回灌井口或回灌池滲入回灌井口內，然后以垂直流方式進入回灌井，再以水平流方式進入砂層，砂層中水再流入兩側調節水箱；水槽內其余的水經水槽另一側排水管排出。打開調節水箱排水閥，使兩側調節水箱內水位穩定在20 cm高程左右，通過測定調節水箱排出水量，即可得承壓含水層完整反濾回灌井穩定流時的單井回灌量。當水槽內回灌水位和調節水箱水位保持穩定時，單位時間內從調節水箱排水閥排出的水量即等于反濾回灌井的單井回灌量。

先后進行了普通回灌井、現有反濾回灌井、圓形對偶反濾回灌井、方形對偶反濾回灌井和臺形對偶反濾回灌井的穩定流回灌試驗，并進行了平行試驗。

2.3 試驗成果與分析

在水槽回灌水位為92 cm、周圍地下水位為20 cm的條件下，各種承壓含水層完整井穩定流試驗中實測的地下水位線(沿水平線布置測壓管得到)見圖6，實測單井回灌量見表1。

圖6 實測地下水位線(測壓管沿水平線布置)Fig.6 Measured groundwater level (piezometric tube along horizontal line)

從圖6中可以看出：

(1)普通回灌井地下水位線最高，對偶反濾回灌井的地下水位線次之，現有反濾回灌井的地下水位線最低。

(2)水槽回灌水位為0.92 m時，普通回灌井井口處的地下水位為0.51 m，而現有反濾回灌井回灌池附近的地下水位為0.25 m，說明現有反濾回灌井回灌池的綜合水頭損失最大，回灌井的回灌能力未充分發揮，大大影響了現有反濾回灌井的回灌能力。

(3)對偶反濾回灌井回灌井口處的地下水位高0.47～0.50 m，同現有反濾回灌井回灌池相比，其綜合水頭損失相對較小，較大程度地發揮了回灌井的回灌能力，但還是一定程度地影響了現有反濾回灌井的回灌能力。

表1 單井回灌量匯總表Tab.1 The summary statement of single-well recharge volume

從表1中可以得出：

(1)現有反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的15.4%，說明回灌池產生較大的水頭損失，大幅度地降低了回灌量。

(2)圓形對偶反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的79.1%，臺形對偶反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的76.2%，方形對偶反濾回灌井的單井回灌量為普通回灌井的76.7%，說明對偶回灌井口也產生一定的水頭損失，并影響回灌量。

(3)同現有反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井的單井回灌量大約增加了395%～414%，說明對偶回灌井口大大提高了反濾回灌井的回灌能力。

3 討 論

3.1 回灌試驗次數對單井回灌量影響分析

圖7 單井回灌量Q與回灌次數N關系曲線Fig.7 The curve of single-well recharge volume Q and recharge times N

圖7為方形對偶反濾回灌井的單井回灌量Q與回灌次數N關系曲線。由圖7可知：初次試驗單井回灌量最大，隨回灌試驗次數的增加，其單井回灌量逐漸減小，并趨向穩定，其穩定單井回灌量約為初次試驗單井回灌量的79%。這是由于在室內穩定流回灌試驗中，當水流經過回灌井口土工布滲入回灌井，進入含水砂層，以及在含水砂層滲流的回灌過程中，水流中還夾雜著一定量的空氣，另外含水層中還存在一些封閉氣泡和細小的泥沙顆粒，這些都會產生一定的堵塞作用，影響單井回灌量。

3.2 井口類型對單井回灌量影響分析

由表1知：方形對偶井口的過水斷面面積最愛，臺形次之，圓形最小。一般而言，滲水量與進水斷面面積成正比，由此可以推論：方形對偶回灌井口的單井回灌量最大，臺形對偶回灌井口次子，圓形對偶回灌井口最小。然而實驗結果卻表明：圓形對偶回灌井口的單井回灌量反而大于方形對偶回灌井口的，而方形對偶回灌井口的單井回灌量卻大于臺形對偶回灌井口的。這說明回灌井口類型影響單井回灌量。

產生這種現象的原因是：對于圓形對偶回灌井口，反濾回灌井中回灌井的過水斷面是圓形，當水流從井口進入回灌井內部時，由于井口和回灌井的斷面現狀一致，其水流流態比較流暢，水頭損失較小；而方形和臺形對偶回灌井口，則由于井口和回灌井斷面現狀的差異，影響水流流態，水頭損失較大，因此，圓形比方形、臺形對偶回灌井口具有較大的單井回灌量。而方形和臺形對偶回灌井口，二者斷面形狀相近，水流流態相近，方形對偶回灌井口因過水斷面較大而具有較大的單井回灌量。另外，文獻[8]中的回灌池為單純的大型回灌池，回灌池下不存在普通回灌井，其研究結論自然與本次試驗結果不同。

4 結 語

通過試驗與分析，得出以下結論。

(1)對偶反濾回灌井的下部不透水壁，可防止雨洪初期劣質水回灌含水層。如果將土工膜套在對偶回灌井口土工織物反濾層外側，可預防污染河水回灌至含水層，增強了對偶反濾回灌井的抗污性。

(2)在試驗條件下，普通回灌井、現有反濾回灌井、圓形對偶反濾回灌井、臺形對偶反濾回灌井和方形對偶反濾回灌井的單井回灌量分別為19.82、3.05、15.68、15.11和15.20 L/min，同現有反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井單井回灌量增加了395%～414%，且具有較強防淤抗沖能力，同時還節約了砂礫石材料。

(3)反濾回灌井初次回灌試驗的單井回灌量最大，隨回灌試驗次數的增加，其單井回灌量逐漸減小，并趨向穩定。

(4)對偶回灌井口類型影響單井回灌量，圓形對偶回灌井口的進水水流流態最好，單井回灌量最大。

對偶反濾回灌井特別適用于降雨集中、汛期大量雨洪遺棄、分布有眾多季節性河流的我國北方地區，它能夠在汛期將更多的遺棄雨洪轉化為可利用水資源，這對于提高我國北方流域水資源利用率、緩解水資源短缺的矛盾具有重要的現實意義，對于海綿城市建設具有重要的借鑒作用。同現有反濾回灌井相比，對偶反濾回灌井具有較大的回灌能力、較強的防淤抗沖能力和一定的抗污能力，對偶反濾回灌井及其回灌系統將會具有廣闊發展前景。

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