大清河流域平原區地下水人工補給潛力與補給方式分析

杜新強，王鈺升，冶雪艷，路 瑩，趙婧彤，張赫軒

吉林大學新能源與環境學院，長春 130021

0 引言

20世紀60年代以來，隨著水資源供需矛盾和環境問題日益突出，世界各國地下水人工補給研究得到了快速發展[1]。地下水人工補給是指利用一定的工程設施將補給水源引入地下含水層的過程，目的是增加地下水資源量、緩解地下水位持續下降、凈化水質、遏制海水入侵，以及有效地改善生態環境[2-6]。人工補給方式通常可分為地表入滲法和管井回灌法兩種，前者對水質要求低、成本低，但通常面積較大、單位面積入滲量小；后者效率高、面積小，但成本高且易堵塞[7-11]。我國開展地下水人工補給研究有50多年的歷史[5]：北京市水文地質隊在20世紀六七十年代曾在長辛店地區的河道、水庫、滲坑及深井進行人工補給試驗，水位恢復效益顯著[12]；上海市在1965年將黃浦江水通過深井補給含水層，有效地解決了地面沉降問題[13]；1989年在華北平原區進行了歷時兩年的以天然河道人工補給地下水的工程，實現了水資源的科學調配和循環利用，效果顯著[14]。

大清河流域平原區作為地下水支撐型農業的重要糧食產區之一，農業用水量巨大，在人類開采地下水能力增強、降水出現連續枯水年的情況下[15]，區域地下水位持續下降，形成了世界上最大的地下水降落漏斗，導致地面沉降、地面塌陷等一系列資源環境問題[16-17]，嚴重制約了區域社會經濟的健康發展。流域內的白洋淀作為河北省最大的湖泊，也是華北平原重要的生態濕地，有著不可替代的生態功能，被稱為“華北之腎”[18]。受人類地下水超采的影響，白洋淀水域總面積已從20世紀50年代初的567.6 km2下降到21世紀10年代的366.0 km2，甚至在20世紀80年代還曾出現過干涸[19]。

大清河流域地下水位下降對環境造成的生態負效應已逐漸顯露，因此亟需采取措施遏制地下水位下降及其引發的生態環境及社會環境不良影響。河水入滲補給是傍河水源地的重要補給方式[20],高桂全等[21]及費宇紅等[22]研究證明了河水入滲補給在研究區內是可行的；董小濤等[23]研究認為區內可開展雨水促滲、水庫放水補給、南水北調水調蓄等3種補給工程;張藝武[24]研究表明研究區河道附近區域較為適宜開展人工補給工作?？傮w來看,目前研究區還是主要以河水入滲補給作為人工地下水補給方式，補給方式較為單一，而針對研究區地下水位恢復所進行的其他人工補給方式的研究還有待探討。本文首先根據流域水文、水文地質條件特征，對該區域開展地下水人工補給的潛力進行了劃分，然后在白洋淀北部白溝引河沿岸的典型高潛力區進行綜合野外調查與試驗，確定不同地段宜采用的地下水人工補給方式;以期更有效地提升該區地下水位，恢復大清河流域的生態環境，確定合理的人工補給工程建設位置及有效的補給方式，為該區域實際地下水人工補給工程建設方案的設計提供參考。

1 研究區概況

大清河流域平原區地處華北平原北部、大清河流域東部，研究區面積13 338 km2，地勢較為平緩，西高東低，平均海拔31 m(圖1)。行政區劃上，研究區覆蓋了河北省23個縣市及北京市房山區。該區屬半干旱半濕潤地區[25]，多年平均降水量為727 mm，最大年降水量為1 150 mm，降水主要集中在7—8月，其間降水占全年總量的54%[26]，可形成雨洪水，而在其他月份則降水基本消耗于蒸發及下滲[24]。區內大清河支流包括潴瀧河、唐河等7條較大的天然河流及1條人工河——白溝引河，但由于降水季節分配不均及降水量的減少，本區天然河川徑流量較少，部分河道甚至常年斷流[15]。流域上游有6個主要水庫，分別為安各莊水庫、龍門水庫、西大洋水庫、王快水庫、口頭水庫和橫山嶺水庫[27]，其中王快水庫及安各莊水庫年棄水量在1億m3以上、橫山嶺水庫及西大洋水庫年棄水量在0.5億m3左右、龍門水庫及口頭水庫年棄水量在0.1億m3以下。此外，流經區內的外調水工程包括南水北調工程[28]及引黃入冀補淀工程[29]，南水北調對保定多年平均分配水量約為5.5億m3/a[30-31]，引黃入冀補淀工程對白洋淀補水量為2.55億m3/a[24]。可見，區內以外調水與水庫棄水為主的地表水資源較為豐富，可作為地下水人工補給的主要補給水源，雨洪水及天然河水作為補給水源的潛力較低。

a圖，底圖來源于91衛圖助手免費版，網址為 http://www.91weitu.com/。

研究區內地表出露地層為第四系沖洪積松散地層，厚度10 m左右，主要含水層呈條帶狀穿插于黏土、亞黏土層中，該含水層可進一步劃分為：Ⅰ、Ⅱ淺層含水層組，巖性主要以全新統(Q4)和上更新統(Q3)中、細、粉、粉細砂為主，深度為150～180 m，含水層厚度一般小于40 m；Ⅲ、Ⅳ深層含水層組，為承壓水，巖性主要以中更新統(Q2)和下更新統(Q1)粗、中、細砂為主，深度為350～600 m，厚度一般為 100～180 m[32]。研究區內地下水位降落漏斗主要發生在淺層含水層內(圖1)，因此，本次研究主要針對淺層地下水系統開展人工補給潛力的分析。

2 基于GIS的地下水人工補給潛力分區

2.1 數據收集及指標分級

依據人工補給工程建設的適宜條件要求，本研究中利用ArcGIS確定地下水人工補給潛力區時，綜合考慮地表高程、地表坡度、補給水源、地下水埋深及與河道距離5個因素。通過搜集相關數據網站及衛星影像資料[33]，繪制各影響因素分布圖(圖2)。

1)地表高程：本區高程數據通過從91衛圖(http://www.91weitu.com/)下載的高程影像數據分析獲取(圖2a)。高程關系到工程施工的難易與匯集水量的多少，參考彭曉鵑等[33]及焦勝等[34]的研究結果，將本區高程劃分為5個等級：150～200，100～150，50～100，25～50，4～25 m(表1)。

2)地表坡度：基于1)中的高程數據，利用ArcGIS中的坡計算功能獲取研究區坡度分布圖(圖2b)，得到坡度范圍為0°～6°。根據Wang[35]的研究可知，坡度小于2°不易發生水土流失，可以使補給水保留較長時間，更有利于充分補給地下含水層；因此以坡度2°作為分級標準，將研究區坡度劃分為2°～6°和0°～2°兩個等級(表1)。

3)補給水源：根據行政規劃，研究區主要補給水來源有4種，包括外調水、水庫棄水、雨洪水及天然河水。根據不同河道水源在河道上的匯流情況及前文介紹的水源水量情況，將研究區補給水源分為5個等級：天然河水、雨洪水、水庫棄水、外調水、外調水與水庫棄水匯流(圖2c、表1)。

4)地下水位埋深：根據2019-04的地下水水位統測數據，經由ArcGIS克里金插值算出研究區地下水位分布(圖2d)可知，一般地下水埋深越大，人工補給的儲水空間就越大。結合前人的分級標準[36-38]，將本區地下水位埋深劃分為5個等級：<5，5～10，10～20，20～30，>30 m(表1)。

5)與河道距離：距離河道越遠，通常引水所需的工程成本越高，本區與河道距離由四維地球(https://siweiearth.com/)遙感數據分析獲得，借鑒Enrique等[39]與河道距離的分級原則，將其劃分為<1，1～2，2～3，3～4，>5 km等 5個等級(圖2e、表1)。

各指標等級劃分及對人工補給潛力影響的賦值見表1，其中潛力分值范圍為1～10，數值越大，潛力越大。

2.2 層次分析法

本文對于研究區地下水人工補給潛力的劃分采用層次分析法，該方法是將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，并層次化多目標，然后對決策者提供的判斷數據的層次和一致性進行排序的一種決策方法，廣泛應用于環境規劃等眾多領域[40-41]。其具體步驟如下。

1)構造指標判別矩陣。

根據所選擇的評價指標之間對人工補給潛力的貢獻重要性大小不同，構造指標判別矩陣A，矩陣的元素aij表示i行對j列的重要性，值在0～9間，1表示因素i與因素j同等重要，對角線均為1，aij=1/aji：

a. 高程；b. 坡度；c. 補給水源；d. 地下水位埋深；e. 與河道距離。

(1)

本次選擇指標數為5個，構建的判別矩陣A是一個5×5矩陣，根據前人評價所賦權重的大小關系[24,34,36]確定出本次評價的判別矩陣(表2)，以判斷各指標間相對重要性。

表1 不同約束條件屬性范圍潛力分值

表2 評價指標的判別矩陣

2)各指標權重值確定。

計算矩陣(1)中行元素乘積Mi，并算其n次方根Wi：

(2)

式中，n為判別矩陣的最大行數或者最大列數，本研究判別矩陣的最大行數i和最大列數j相等，即n=5。

對向量w=[W1,W2，…，Wn]T歸一化，wi即為指標權重：

(3)

按上述步驟，最終計算出各指標權重，結果見表3。

表3 各指標標準權重計算值

3)判別矩陣合理性檢驗。

計算矩陣最大特征根公式為

(4)

式中：λmax為最大特征根；W為特征向量。

通過一致性指標IC對矩陣進行一致性校驗，并根據平均隨機性指標IR，判別指標一致性比率RC:

(5)

按式(5)算得所構建矩陣的λmax為5.043，IC為0.011。經查閱文獻[42]，當矩陣階數為5時，IR值為1.12，由此得到RC為0.01。一般而言，當階數大于2時，RC<0.10，即可認為矩陣一致性滿意，說明矩陣符合一致性要求，可用于后續評價。

4)綜合人工補給潛力分值計算與分級。

本次研究選用加權平均綜合指數模型來確定研究區的潛力分布，根據單項指標潛力大小分值Pi及標準權重wi，計算出綜合人工補給潛力分值IP：

根據IP值的大小，按照自然間斷點分級法將其劃分為5個等級，分級標準見表4。

表4 人工補給潛力分級

2.3 地下水人工補給潛力評價結果

將2.1中的5個指標柵格圖層疊加，利用ArcGIS柵格計算功能，獲得研究區范圍內人工補給潛力等級的分布(圖3)。其中：1)研究區西北部及南部部分河道附近2 km范圍內區域主要為高人工補給潛力區，即外調水與水庫棄水匯流進入白洋淀河道沿岸區域。該部分區域水源為水庫棄水、南水北調外調水或引黃入冀補淀外調水，水量豐富，水質較好；地下水埋深在10～50 m間，存在兩個大型地下水位降落漏斗，儲水空間較豐富。2)由于研究區中部區域地下水埋深太淺，北部區域地下水埋深較淺且可利用水源較少，以及西南部遠離河道區域地勢較高且可利用水源較少，因此這些區域人工補給潛力低。3)研究區南部部分河道沿岸5 km范圍內區域雖然地下水埋深較大，但水源為水量較少的天然河水，所以其人工補給潛力以中—較高為主。

綜合分析，建設地下水人工補給工程受水源因素影響最大，高潛力區皆位于易縣、定興及霸州沿線以南部分河道沿岸。進一步對比各河道可知，白溝引河位于兩條支流交匯的下游，匯集了南水北調外調水、安各莊水庫棄水及白溝河天然河水三方水源，相較其他高補給潛力區水量更為豐富；同時該河道緊臨地下水位降落漏斗，水力坡度大，利于補給水的擴散，所以更適合選擇該河段及沿岸開展地下水人工補給工程。

3 典型高潛力地段地下水人工補給方式

3.1 野外調查與試驗

地下水人工補給方式按大類可分為地表入滲與地下灌注兩種，適宜采用哪種方式主要由地表滲透能力所決定，同時補給水源的水質特征也是需要考慮的重要因素。因此，本研究根據前述潛力區評價結果，在人工補給潛力最高的白洋淀以北白溝引河沿岸地段開展進一步野外調查與試驗，包括補給水源與地下水水質分析、河道兩岸與河道內滲透性調查以及沿岸淺層含水層的導水性調查。

1)補給地下水源與地下水水質分析：先在白溝引河采集2個地表水樣品，在河沿岸淺層地下水井內采集3個地下水樣品；再采用哈希水質分析儀(HQ40d)進行水質現場檢測，檢測指標包括pH、溶解氧質量濃度、氧化還原電位及電導率；然后進行室內分析，室內分析指標包括COD(化學需氧量)、氨氮、總氮、氟化物、重金屬元素(鋅、銅、砷、硒、鎘、鉻、鉛)的質量濃度，分析方法依據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[43]及《地下水質量標準》(GBT 14848—2017)[44]。

圖3 研究區地下水人工補給潛力等級分布

2)河道兩岸滲透性調查：采用單環滲水試驗方法，在白溝引河沿岸共進行6組試驗，評估包氣帶穩定入滲能力。

3)河道滲透性調查：采用豎管試驗方法，在白溝引河河道內從上游至下游沿程布設7個試驗點，測定其河床滲透系數。

4)淺層含水層導水性調查：在典型地段淺層地下水井內開展微水試驗，測定其淺層地下水的滲透系數，共進行8組試驗。

各試驗調查點位置分布見圖4。

3.2 結果分析

3.2.1 補給水源與補給區地下水水質對比

調查水質結果統計如表5所示。該地段內地表水水質整體偏堿性，pH值在8.21～9.16之間，而地下水pH值則普遍小于7.50；地表水較地下水的電導率明顯偏低，地表水的電導率在551～1 027 μS/cm之間，地下水則大于1 003 μS/cm，表明地下水的礦化度普遍低于地下水；水中污染指標(包括毒理學指標和一般化學指標)，除氟化物和鎘外，地表水均劣于地下水，所以，采用河道內水進行人工補給時，需根據不同補給方式對水質的要求增設水質的預處理設施，以保證補給水質的安全。

補給前需對地表水的COD、總氮、氨氮、鋅、銅、砷、硒、鉻、鉛幾項超標組分進行處理，據相關文獻顯示，砂過濾和水生植物可對這些超標組分起到一定的去除效果[45-48]。對于水質要求較低的地表入滲方式，可采用這些簡單的處理方式，但對井灌等水質要求高的補給方式而言，需更嚴格的水處理工藝以最大限度降低補給帶來的水質風險。

3.2.2 包氣帶入滲條件

包氣帶的滲透性直接決定著人工補給方式及相應的補給效率是否適宜。野外滲水試驗測算得到的包氣帶滲透系數(K)分布如圖5所示。由《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)[49]可知，滲透系數在0.864～8.640 m/d之間屬于中等透水層，滲透系數在8.640～864.000 m/d之間屬于強透水層；本調查區包氣帶滲透系數為1.00～5.00 m/d，個別區域滲透系數在10.00 m/d以上，即以中等透水層為主，個別區域為強透水層。其中：調查區白溝引河上游及中游偏下區域滲透性良好，滲透系數在5.00 m/d以上，相對適宜開展地表入滲補給工程，可采取一定的促滲措施，以達到良好的補給效果；白溝引河中上游、中下游及下游大部分區域滲透能力有限，包氣帶滲透系數在3.00 m/d左右或更低，需采用井灌入滲方式。

圖4 野外試驗點位分布圖

表5 研究區地表水與地下水水質對比

3.2.3 河床滲透性

通過在調查區域的河道上進行河道豎管試驗，可計算出該段河道河床的滲透系數。為方便看出河道滲透系數沿程變化情況，以DY1點為起點，以距離DY1點距離為橫軸，點位滲透系數為縱軸，繪制出河道滲透性變化曲線(圖6)。結果顯示：河床的滲透系數性基本在0.01～0.09 m/d之間，滲透性極差，透水性弱，這是因為河床上覆淤泥質層，淤泥質層含水量較低且十分堅硬；此外白溝引河中下游滲透性要好于上游，若在擬利用河道進行地表入滲回補地下水，可選取白溝引河中下游河段進行，并建議對河道底部進行清淤工作，以達到較好的人工補給效果。

3.2.4 淺層含水層導水能力

通過在村落中存留的舊水井的井孔開展微水實驗，將微水試驗[50-51]測得的數據導入AquiferTest軟件中，算出擬補給區不同點位的含水層水平滲透系數，并根據滲透系數劃分了擬補給區上的含水層水平滲透系數分區(圖7)。含水層的水平滲透系數決定著補給水在含水層中的運移能力，其數值較大時，可防止補給過程中形成較大水丘，且不容易堵塞。計算結果顯示，研究區擬補給區內的含水層滲透系數在1.00～8.00 m/d之間，其中大部分區域含水層滲透系數在3.00～5.00 m/d之間。依據《水文地質手冊》[52]，擬補給區內的含水層屬于良透水層，適宜開展地下水人工補給工程。此外，白溝引河上游及中游偏下區域滲透系數在3.00 m/d以上，滲透性良好，利于補給水在含水層中的遷移，適宜開展地下水人工補給工程；而中上游及下游部分區域滲透性較差，不宜開展人工補給工程。

3.3 地下水人工補給方式綜合分析

根據上述野外調查獲得的地表水質和包氣帶、河道及含水層滲透性特征，結合不同地下水人工補給方式的適用條件，對白溝引河地段優先采用的人工補給方式進行了規劃(圖8)。其中紅色區域為人工補給潛力較低區，不適宜進行人工補給，其余地段適宜可開展人工補給。從圖8可以看出，該地段可開展的人工補給方式主要有3種。

1)入滲池或天然滲坑：工程選址應在上游及中游河道沿岸(圖8中淺綠色區域)，這些地段無論是包氣帶還是含水層滲透性均良好，滲透系數均在5.00 m/d左右或更高，有利于補給水地表下滲及其在含水層內的水平擴散。但檢測結果顯示，補給水源中部分水質指標劣于該地段地下水水質指標，為保證水質安全，可將河道水通過生態水渠引至修建的地表入滲池或天然滲坑中。生態水渠中可修建砂過濾設施和種植水生植物，從而在引水過程中對水質實現凈化。

K為滲透系數。

圖6 白溝引河河道滲透性分布

2)井灌：工程適宜選擇在白溝引河中下游河道沿岸(圖8中淺黃色區域)，此地段包氣帶滲透性中等，但含水層滲透性良好，滲透系數為3.00～5.00 m/d。由于人工補給井灌對水質要求較地表入滲方式更為嚴格，因此，就本區現狀補給水源水質而言，需進行嚴格的水質處理方可用于人工補給。

圖7 白溝引河附近含水層滲透性分布

圖8 白溝引河附近適宜開展的人工補給方式

3)河道入滲：白溝引河河道中下游河床(圖8綠色粗實線)滲透性相對其余段較高，滲透系數在0.05 m/d左右；因此可在該河段修建攔水壩，提升河道水位并增加河道入滲面積，利用河道進行入滲補給。為進一步提高河床入滲能力，最好先對河床進行清淤或采取其他促滲措施，以去除河底表層的淤泥質黏性土。

圖8中紅色區域為人工補給潛力較低區，不宜進行人工補給。

4 結論與建議

1)研究區西北部及南部部分河道沿岸由于具豐富的地表水源及較豐富的儲水空間而具有較高的人工補給潛力，其中又以白洋淀以北白溝引河沿岸地段較優；研究區南部部分河道沿岸區域天然河水水量較少，因而人工補給潛力小于西北部及南部高潛力區；研究區中部區域、北部部分區域及西南部遠離河道區域由于地下水埋深太淺、可利用水源較少和地勢較高，因此人工補給潛力低。

2)白溝引河上游地段及中下游部分地段由于包氣帶及含水層滲透性均較為良好，可將河道水經由生態水渠引至修建的地表入滲池或天然滲坑內入滲補給地下含水層，其中上游地段地表水質較好，為優選地段；白溝引河中下游地段含水層滲透性良好但包氣帶滲透性較差，且水質較差，需將河水水質處理達標后通過井灌方式補給地下含水層；白溝引河河道中下游地段滲透性較高，可修建攔水壩利用河道進行入滲補給，并進行河底清淤或采取其他促滲措施，以達到良好的補給效果。