上海市深井回灌能力评估方法探究_罗济稳.pdf

：上上海海市市深深井井回回灌灌能能力力评评估估方方法法探探究究罗济稳（上海市岩土地质研究院有限公司，上海）摘要地面沉降是上海市主要的地质灾害，合理利用地下水，持续开展人工回灌补给是缓解地面沉降的有效措施之一。为加强地面沉降防治，提高城市可持续发展，对上海市数百口深井进行回灌能力评估，从上海市实际区域地质环境出发，对不同类型深井多年回灌数据进行收集统计，从多因素研究与实际回灌数据分析，基于分类评估法对上海市深井回灌能力进行评估。结果表明：上海市范围内具备回灌功能的深井共计 口。第类深井的年回灌能力 ；第类深井的年回灌能力 ；第类深井的年回灌能力 ；第类深井的年回灌能力 。目前正在回灌的深井年回灌能力为 ；第类深井的回灌能力属于储备能力，因此全市范围内具备回灌功能的深井回灌能力共约 ，评估结果与实际情况基本吻合，评估方法具有较好的实用性和可操作性，对上海市乃至全国深井回灌能力分析管理均具有一定的指导和借鉴意义。关键词地面沉降；地质灾害；可持续发展；回灌能力评估；分类评估中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介罗济稳（），男，广西河池人，工程师，主要从事水文地质、工程地质方面工作。（o o o oo o ，）：o o oo ，o o o oo o o o o o o o oo o o o o o ，o o o o oo o o，o o o ，o o o o o o o o o o ；o o ；o o ；o o o ；o o o，o o o o o o，o oo o，o o o o o：o；oo；o；o ；o 引言随着人类社会城市化步伐的不断推进，人口和建筑高度密集，随之而来的是对地下水资源的不断开发，地面沉降问题日益凸显，地下水人工回灌现已经成为国内外一项新的水管理技术，利用专业地质信息，设法在地下含水层建立“水银行”，成为一种新的重要储水手段。国外真正有计划的进行地下水回灌始于二十世纪初，美国在多地开展回灌补给含水层实验，将地表水灌入地下深井中以恢复地下水位。自 年科学家 提出“含水层补给与恢复”（o o）理论开始，包括美国高平原在内的很多地区开始修建地下水回灌工程，至今已建设超五百眼 深井。上世纪九十年代，美国科学院（）确立了回灌评估体系。年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.我国地下水回灌工程起步于二十世纪六十年代，其主要目的是为了补给地下水以缓解供水紧张及防止海水入侵，虽然与欧美发达国家相比，我国的研究与应用尚不成熟，但却在增加地下水储量、控制地面塌陷、地下水含水层贮能等领域发挥了积极的作用 。通过深井实现地下水开采与回灌，是目前国内外普遍采用的技术手段之一，以上海为例，上海现常住人口超过 万，地铁运营里程超过 ，地面沉降是上海主要的地质灾害，自 世纪 年代以来，上海市已建成使用的各类地下水监测井达三千多口，目前仍在使用的也有数百口，合理利用地下水，持续开展人工回灌补给是缓解地面沉降的有效措施之一。近年来，随着地下水利用趋于合理，持续开展地下水人工回灌，地面沉降增加的势头得到有效遏制，控制地面沉降阶段性目标基本实现。根据上海市地面沉降“十二五”提出“坚决把地面沉降控制在毫米级范围，为新一轮城市建设和发展创造良好的外部生存环境”、上海市地下水利用与保护“十三五”、“十四五”规划以及上海市地面沉降区和海水入侵区地下水压采方案，要求全市地下水年开采总量控制在 万 以内，年回灌能力保持在 万 以上，同时进一步优化地下水开采和人工回灌格局。“十一五”、“十二五”期间，为提升地下水回灌能力，建设了一批专灌井，同时改造了部分开采深井用作人工回灌，运行至今已有 余年，日常回灌过程中发现这批深井回灌能力已经衰减。为全面掌握全市地下水人工回灌能力，分析评估回灌能力分布，合理制定地下水管控措施提供依据和参考。图 上海市典型水文地质剖面图（西 东）水文地质条件上海地区地下含水层不是一个完整、独立的含水系统，而是分属于长江流域和太湖流域两者含水系统中的一部分。区内地下水主要赋存于松散岩类孔隙介质中，其次是赋存于碎屑岩类孔隙、碳酸盐岩类裂隙溶洞和基岩裂隙中，地下水的赋存与分布受控于区域地貌、地层岩性、厚度及地质构造等因素。松散岩类孔隙水是区内主要的地下水类型，蕴含丰富的地下水资源，是本次全市深井回灌能力评估的主要对象。碎屑岩类孔隙、碳酸盐岩类裂隙溶洞和基岩裂隙水，根据目前上海市地下水开发利用等特点，虽然也具有一定的采灌利用价值，但由于目前对此的研究程度较低，故不作为本次评估的对象。按照地质时代、水动力条件和成因类型，将第四系松散岩类孔隙含水层划分为三大岩组，七个含水层（组），即：全新统潜水含水岩组：包括潜水含水层和微承压含水层。上、中更新统承压含水岩组：包括第、承压含水层（组）。下更新统承压含水岩组：包括第、承压含水层（组）。上海市典型水文地质剖面图详见图 所示。回灌井类型全市范围内地下水人工回灌工程主要分为三种类型：（）专灌井，（）采灌井，（）民防战备井，均具备回灌潜力。专灌井是从有利于地下水人工回灌角度出发，选择含水层富水性好、地下水位低的含水层次实施长期专门性的地下水人工回灌深井。采灌井是可以作为供水井使用，同时安装了回灌管路可以在不取水时进行地下人工回灌的深井。民防战备井，又称为应急供水（兼回灌）深井，安装了回灌管路，平时不开采但具有应急开采地下水的功能。其在市政水源遇到突发事件而不能作为供水水源的紧急情况下，可启用战备井作为备用水源供水，同时也可为部分地区的临时性供水缺口提供紧急性的用水水源。回灌井分布全市范围的专灌井主要分布在中心城区，回灌层次主要为第、承压含水层，第、承压含水层次之。采灌井主要分布在崇明、浦东、奉贤、金山、嘉定等市郊地区以及中心城区的杨浦区，回灌层次主要为第、承压含水层，第承压含水层次之。民防战备井主要分布在市郊地区，回灌层次主要为第、承压含水层。上海全市范围内具备回灌功能的深井位置详见下图。图 上海市具备回灌功能深井位置分布示意图第 卷第 期地下水 年 月评估方法根据文献及相关资料查询可知，目前国内对深井回灌能力评估工作取得一定的成果，但不同地区、不同地质环境，采取的回灌能力评估方法均有所不同，目前所知道的评估方法大概有数值法、解析法、数值法与解析法校验、分类评估法、图解法、曲度法、最小二乘法等多种方法。根据上海市数十年已有地下水人工回灌数据资料，进行资料收集和数据整理统计，采取与实际回灌类型相符的分类评估的方法进行评估，具体如下：（）针对 年维修保养的回灌深井，利用最新维修保养后实测的最大回灌量，再根据由 年实际回灌量推算出的回灌量年衰减系数，估算深井的回灌能力。（）针对具有 年度实测回灌量的专灌井和采灌井，以其实测年回灌量为基础，结合年衰减系数，评估其回灌能力。（）无年度实测回灌量的新建专灌井或采灌井，因其是新建井，可根据其他深井试运行和维修保养期间推测出的单位回灌量与单位涌水量的一般比值 值，得出单位回灌量，继而反推最大回灌量，估算深井的回灌能力。（）具有采灌功能的民防战备井，因其仅在突发紧急状况下才发挥其应急供水功能，根据有关部门关于应急供水深井建设的会议纪要，应急供水深井兼作地面沉降防治设施并安装回灌装置，是否进行回灌，应根据防治地面沉降的实际需要确定。与前一样，也可根据其他深井试运行和维修保养期间推 测 出 的 单 位 回 灌 量 与 单 位 涌 水 量 的 一 般 比 值 值，得出单位回灌量，继而反推最大回灌量，评估深井的回灌能力。地下水回灌 回灌历史上海市正式有记录的回灌始自 年，在历年总回灌量中，约 集中于中心城区，尤其在 年以前回灌量基本上完全分布于中心城区，自 年郊区回灌量才逐渐增加。全市地下水人工回灌大致经历了四个阶段（表）：（）年，回灌量呈逐年增长，由回灌之初的年回灌量 万 增加到 万；（）年，回灌量基本保持稳定，年回灌量均在 万 以上；（）年，回灌量呈逐年减少的趋势，年回灌量维持在 万；（）年至今，回灌量先逐年增长后保持稳定，现阶段年回灌量在 万 以上。年历年中，基本以第承压含水层为主要回灌层次。历年总回灌量中第承压含水层约占 左右，其次为第承压含水层（约 ）、第承压含水层（约 ）和第承压含水层（约 ）。年间，第承压含水层曾经为主要回灌层次，自 年以后，回灌量逐年减少，年仅占回灌总量的 。自 世纪 年代开始，随着上海市改革开放力度的加大和浦东新区的开发，为适应产业结构和工业布局的调整和改变，以往大量开发利用地下水的相关单位如纺织、印染、化工、冶金等位于市中心的企业大部分走上了关、停、并、转或外迁的道路，原先由其承担的地下水人工回灌工作受到了极大的影响。全市人工回灌井数量明显减少，如中心城区已由 年高峰期的 口减少至 年的 口，全市回灌量也呈现一定的涨跌波动（详见表）。表 全市地下水采灌量统计一览表万 年份全市开采量 全市回灌量年份全市开采量 全市回灌量 图 年全市深层地下水开采量和人工回灌量第 卷第 期地下水 年 月 回灌现状 年全市深层地下水实际开采总量 万，比上年减少 万；地下水人工回灌量 万，比上年下调 万，全年净开采量 万，连续 保持人工回灌水量大于开采量，详见图。回灌能力评估 回灌影响因素分析地下水回灌并不是一个独立的个体，而是受到多方面因素的影响。水文地质条件的影响根据各回灌深井所处位置、回灌水量，结合上海市第四系含水层岩性分布、埋深等水文地质条件可看出，单井回灌量大小主要取决于含水层的颗粒大小、层次、厚度、渗透能力等。含水层厚度大，颗粒粗，渗透性能佳，地下水位埋深大，则回灌量较大，一般单井回灌量可达抽水量的 以上；含水层厚度薄，颗粒细，渗透性能差，回灌量较小，仅相当于抽水量的 ，甚至于更低。地下水位的影响上海市深井一般都采用自然回灌的方式进行地下水回灌，若地下水位抬升，水头压力差降低，相应地回灌量就减少，反之亦然。回灌工程堵塞的影响回灌深井在使用一段时间以后，由于物理作用、化学作业、生物作用等将会形成淤积和堵塞，详见表，可通过不同的处理方法解决深井堵塞，提高单井回灌量。人为因素的影响回灌井的使用寿命及回灌量的大小，除与含水层的厚度、颗粒大小、渗透性能强弱有关外，科学的技术管理、合理的回灌井养护以及正确的运行方式和采灌量比例等，都将对延长回灌井使用寿命、保证回灌量起着重要作用。深井回灌能力评估上海全市范围内的回灌深井主要分为以下四种类型，现分别对其进行回灌能力评估。第一类：维修保养后具有实测最大回灌量的深井；第二类：具有 年实测年回灌量的专灌或采灌井；第三类：没有实测年回灌量的新建专灌或采灌井；第四类：未进行采灌活动的民防战备井。第一类深井的回灌能力评估深井随着长期回灌水总量的逐渐增加，水中微气泡、细菌等物质与滤网发生氧化还原反应导致滤网堵塞及回灌过程中回灌水对含水砂层的压密而导致水路不畅通，故应考虑深井年回灌量的衰减。结合收集的部分专灌或采灌井 年的回灌能力数据可知，年衰减系数 介于 ，取其平均值 。一天 ，深井按 维护保养（回扬），余下 进行回灌工作；一年 ，除去法定节假日 及周末 ，按 计算（下同），并综合考虑年衰减系数（取均值 ），以此估算深井的年回灌能力。表 回灌深井堵塞成因分类表成因分类成因导致结果处理方法物理堵塞化学沉淀堵塞电化学沉淀堵塞生物化学堵塞砂层 孔隙 度 减小砂层扰动压密，孔隙度减小，渗透性能降低气相堵塞空气被 带 入 含水 层，堵 塞 砂层孔隙悬浮物堵塞浑浊物 被 带 入含 水 层，堵 塞了砂层孔隙铁钙 质沉 淀 堵塞因灌水 使 含 水层 温 度、压 力和水质 等 条 件改 变 而 产 生、等 化 合 物 沉淀，堵 塞 了 滤网或砂层孔隙滤水 管电 化 学堵塞滤网因 受 电 化学 腐 蚀，水 中铁 含 量 增 加，堵塞了 滤 网 或砂层孔隙铁细菌、硫酸盐还原 菌大 量繁殖，其分泌物造成对 滤水 管的腐蚀与堵塞铁细菌、硫酸盐还原菌 大量繁殖，其分泌物造成对滤 水管的腐蚀与堵塞回灌深井堵塞，回灌量下降采用 活 塞 洗井或 空 压 机洗井及时 回 扬 或采用 活 塞 洗井加强 深 井 保养、增 加 回 扬次 数；、严重时 及 时