一种地下水自平衡方法及装置

1.本发明涉及深层地下水回灌技术领域，尤其是一种地下水自平衡方法及装置。


背景技术：

2.浅层地下水与深层地下水之间存在一个或若干个隔水层和含水层，从而导致两个含水层之间水量交换极少。一些地区长久以来均开采深层地下水，出现超采现象，其水位大幅下降，远低于浅层地下水水位，国家水利部门对一些地下水超采区域划定超采区。
3.地下水超采区回灌采用水源一般包括汛期雨洪水资源、处理过的污水、河流湖泊水库水等水资源。回灌水源一般存在各种问题，需要一定条件才能实施。汛期雨洪水资源和河流湖泊水库水等要求水量相对较多，并且需要建设相关蓄水设施收集；处理过污水达到回灌水质所产生的成本高。以上水源存在各种问题，在部分地区无法满足回灌条件。
4.一般水源回灌水质属于氧化性，而地下水属于还原性。采用氧化性水质回灌到地下水中，回灌后地下水氧化还原环境易发生变化，从而导致回灌后地下水水质发生变化。因此，对于一些地区，特殊回灌方式需要得到推广及应用。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种地下水自平衡方法，可以实现地下水含水系统自平衡，地下水自平衡是指同一个地下水含水系统中，对地下水不同含水层位的水资源进行调控，从而实现地下水含水系统的水资源平衡。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
7.一种地下水自平衡方法，包括以下步骤：
8.s1，选择水文地质符合回灌要求的区域，作为地下水自平衡区域；
9.s2，利用地下水自平衡装置将地下水自平衡区域中的浅层地下水回灌至深层地下水。
10.步骤s1中，所述区域包括：浅层含水层、隔水层、深层含水层；其中，所述浅层含水层位于顶层，隔水层位于浅层含水层的下方，深层含水层位于隔水层的下方；隔水层为一层或多层，深层含水层与隔水层相对应的为一层或多层，且隔水层与深层含水层交替分布；
11.所述水文地质符合回灌要求是指：所述浅层含水层的水位高于深层含水层的水位；所述隔水层的渗水率小于设定系数；所述浅层含水层与和深层含水层之间的交换水量小于设定水量。
12.本发明还提供一种地下水自平衡装置，实现地下水的自然回灌。
13.一种地下水自平衡装置，所述地下水自平衡装置为自流回灌井，包括：浅层段、隔水层段、深层段；
14.所述浅层段、隔水层段、深层段分别对应设置在浅层含水层、隔水层、深层含水层中；所述浅层段的井管底部与隔水层段的井管相连接，所述隔水层段的井管底部与深层段的井管相连接；
15.所述浅层段和深层段的井管均采用滤水管；所述隔水层段的井管不具备滤水性；
16.浅层含水层中的水渗过浅层段的井管管壁进入浅层段的井管中，依次经浅层段的井管、隔水层段的井管流至深层段的井管中，再经深层段的井管管壁渗入深层含水层中。
17.优选的，若隔水层与深层含水层均为多层，且隔水层与深层含水层交替分布，则所述隔水层段与深层段也均对应的设为多个，隔水层段与深层段交替分布且自上而下依次首尾连接。
18.优选的，所述浅层段和深层段的井管外侧均设有滤水层，所述滤水层中填充滤料；所述浅层段井管外侧且位于滤水层的上方还设有止水层；所述隔水层段的井管外侧设有止水层；所述止水层中填充有止水材料。
19.优选的，所述自流回灌井的底部设有沉淀段，用于沉淀水中杂质。
20.本发明还提供一种地下水自平衡装置，通过加压把浅层地下水回灌至深层地下水。
21.一种地下水自平衡装置，所述地下水自平衡装置包括：浅层抽水模块、蓄水箱、回灌井；
22.所述浅层抽水模块包括浅层抽水井、抽水泵、抽水管；
23.所述浅层抽水井采用滤水管，设置在浅层含水层中，浅层含水层中的水渗过浅层抽水井的管壁，进入浅层抽水井中；
24.所述抽水泵位于浅层抽水井中，所述抽水管的两端分别连接抽水泵和蓄水箱的输入管；抽水泵通过抽水管将浅层抽水井中的水抽至蓄水箱中；
25.所述回灌井包括：设置在浅层含水层中的第一非滤水段，设置在隔水层中的第二非滤水段，设置在深层含水层中的滤水段；所述第一非滤水段井管底部与第二非滤水段的井管相连接，所述第二非滤水段的井管底部与滤水段的井管相连接；所述第一非滤水段和第二非滤水段的井管均不具备滤水性；所述滤水段的井管采用滤水管；
26.所述蓄水箱的输出管通过回灌管与回灌井相连接，用于将蓄水箱中的水回灌至回灌井中，并经滤水段的井管管壁渗入深层含水层中；所述回灌管上设有电磁流量计和加压泵。
27.优选的，所述蓄水箱中设有塑料薄膜和过滤板；
28.所述过滤板水平放置在蓄水箱中，将蓄水箱分为上腔室和下腔室；所述上腔室的侧壁连接蓄水箱的输出管；所述下腔室连接蓄水箱的输入管和排水管；
29.所述塑料薄膜放置于过滤板上，水通过输入管进入蓄水箱的下腔室，蓄水箱中的水位上升，经过滤板过滤后进入上腔室，塑料薄膜覆盖在上腔室的水面上，用于减少水与空气的接触面积。
30.优选的，若隔水层与深层含水层均为多层，且隔水层与深层含水层交替分布，则所述第二非滤水段与滤水段也均对应的设为多个，第二非滤水段与滤水段交替分布且自上而下依次首尾连接。
31.优选的，所述回灌井和浅层抽水井的底部均设有沉淀段，用于沉淀水中杂质。
32.本发明的优点在于：
33.(1)通过地下水自平衡方法，可以实现地下水含水系统自平衡，地下水自平衡是指同一个地下水含水系统中，对地下水不同含水层位的水资源进行调控，从而实现地下水含
水系统的水资源平衡。
34.(2)通过地下水自平衡方法，可以有效治理深层地下水超采区，从而减少因深层地下水超采引发的各种环境问题。
35.(3)自流回灌井直接将浅层含水层和深层含水层打通，浅层含水层水位较高，通过回灌井将潜水回灌至深层含水层，自流回灌井施工完成后，地下水实现自然回灌。
36.(4)加压回灌的地下水自平衡装置能有效地把浅层地下水回灌至深层地下水。浅层地下水和深层地下水的氧化还原性相同，能避免回灌后改变地下水氧化还原条件的情况。
附图说明
37.图1为自流回灌的地下水自平衡装置示意图。
38.图2为加压回灌的地下水自平衡装置示意图。
39.图3为蓄水箱的示意图。
40.图4为回灌模拟模型的模拟范围及各个井的位置图。
41.图5为地下水自平衡方案(开采-回灌)与仅开采不进行自平衡方案(开采)的模拟结果对比图。
42.图6为区域的水文地质模型图。
43.附图标记说明：
44.1-浅层段，2-隔水层段，3-深层段；
45.11-自流回灌井井盖，12-浅层段止水层，13-浅层段滤水层，14-浅层段井管，21-隔水层段井管，22-隔水层段止水层，31-深层段滤水层，32-深层段井管，33-自流回灌井沉淀段；
46.4-浅层抽水模块，5-蓄水箱，6-电磁流量计，7-加压泵，8-回灌井；
47.41-沉淀管，42-浅层抽水井，43-抽水泵，44-浅层抽水井滤水层，45-浅层抽水井止水层，46-抽水管，51-输入管，52-过滤板，53-塑料薄膜，54-排水管，55-阀门，56-输出管；
48.81-第一非滤水段，82-第二非滤水段，83-滤水段，811-回灌井井盖，812-第一非滤水段止水层，813-第一非滤水段井管，821-第二非滤水段井管，822-第二非滤水段止水层，831-滤水段滤水层，832-滤水段井管，833-回灌井沉淀段。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.如图6所示，对于一些地区，区域自上而下大致分为浅层含水层，隔水层如粘性土层，层含水层即承压含水层。部分区域中，隔水层为多层、深层含水层也对应的多层，隔水层与深层含水层交替分布。隔水层阻隔浅层地下水下渗至深层含水层，大量开采深层地下水作为生活饮用水，地下水含水层的水位大幅下降。
51.针对上述的水文地质条件的区域，可采用地下水自平衡方法能有效的将浅层地下
水回灌至深层含水层，有效调控地下水超采区。该回灌方法为一般回灌水源无法回灌地区提供一种全新的回灌方式，能有效调控地下水超采区。
52.一种地下水自平衡方法，包括以下步骤：
53.s1，选择水文地质符合回灌要求的区域，作为地下水自平衡区域；
54.所述水文地质符合回灌要求是指：所述浅层含水层的水位高于深层含水层的水位；所述隔水层的渗水率小于设定系数；所述浅层含水层与和深层含水层之间的交换水量小于设定水量。
55.s2，利用地下水自平衡装置将地下水自平衡区域中的浅层地下水回灌至深层地下水。浅层地下水是指浅层含水层中的水，深层地下水是指深层含水层中的水。
56.实施例1
57.设计一种自流回灌井作为地下水自平衡装置，将地下水自平衡区域中的浅层地下水回灌至深层地下水。
58.如图1所示，自流回灌井包括潜水段1，隔水层段2，深层含水层段3。
59.所述浅层段1、隔水层段2、深层段3依次对应设置在浅层含水层、隔水层、深层含水层中；所述浅层段1井管底部与隔水层段2的井管相连接，所述隔水层段2的井管底部与深层段3的井管相连接。
60.所述浅层段井管14采用滤水管，滤水管具备滤水性即透水性，浅层段井管14的外侧设有浅层段滤水层13，浅层段井管14外侧且位于浅层段滤水层13的上方还设有浅层段止水层12；所述浅层段井管14的顶部设有自流回灌井井盖11。
61.所述隔水层段井管21不具备滤水性即不具备透水性，采用无缝钢管；隔水层段井管21井管外侧设有隔水层段止水层22。
62.所述深层段井管32采用滤水管；深层段井管32外侧设有深层段滤水层31。
63.所述浅层段止水层12、隔水层段止水层22中填充有止水材料；所述浅层段滤水层13、深层段滤水层31中填充有滤料，滤料可采用石英砂。
64.所述浅层段井管14和深层段井管32均采用缠丝滤水管。
65.本实施例中，根据实际含水层情况，自流回灌井的缠丝滤水管缠丝间隙在0.75～1.00mm之间。在夹有粉细砂地层中，则在缠丝外再包扎一层30目左右的铜网，以阻碍粉细砂。所述自流回灌井的井口径不宜太小，直径一般取250～300mm为宜。
66.自流回灌井主要将浅层含水层和深层含水层打通，浅层含水层水位较高，通过回灌井将潜水回灌至深层含水层，自流回灌井施工完成后，地下水实现自然回灌。若区域中的隔水层与深层含水层均为多层，且隔水层与深层含水层交替分布，则所述隔水层段2与深层段3也均对应的设为多个，隔水层段2与深层段3交替分布且自上而下依次首尾连接。
67.另外，自流回灌井的底部设有自流回灌井的沉淀段33，用于沉淀自流回灌井中的水杂质，自流回灌井的沉淀段33的井管可采用不具备滤水性的无缝钢管，或者，自流回灌井的沉淀段33的井管与深层段井管32为一体，均为滤水管；自流回灌井的沉淀段33的井管外侧也填充有滤料。
68.实施例2
69.设计一种用于加压回灌的地下水自平衡装置，如图2所示，地下水自平衡装置包括：浅层抽水模块4、蓄水箱5、电磁流量计6、加压泵7、回灌井8。
70.所述浅层抽水模块4包括浅层抽水井42、抽水泵43、抽水管46。
71.所述浅层抽水井42采用滤水管，设置在浅层含水层中；所述浅层抽水井42的滤水管底部设有沉淀管41，用于对浅层抽水井中的水杂质进行沉淀；所述浅层抽水井42的外侧设有浅层抽水井滤水层44，所述浅层抽水井滤水层44中填充有滤料，滤料可采用石英砂；所述浅层抽水井42外侧且位于浅层抽水井滤水层44的上方还设有浅层抽水井止水层45；所述浅层抽水井止水层45中填充有止水材料；
72.所述抽水泵43位于浅层抽水井42中，所述抽水管46的两端分别连接抽水泵43和蓄水箱5的输入管51；浅层含水层中的水渗过浅层抽水井42的管壁，进入浅层抽水井42中；抽水泵43通过抽水管46将浅层抽水井42中的水抽至蓄水箱5中。
73.所述回灌井8包括：设置在浅层含水层中的第一非滤水段81，设置在隔水层中的第二非滤水段82，设置在深层含水层中的滤水段83；所述第一非滤水段81井管底部与第二非滤水段82的井管相连接，所述第二非滤水段82的井管底部与滤水段83的井管相连接；
74.所述第一非滤水段井管813不具备滤水性，采用无缝钢管；第一非滤水段井管813的外侧设有第一非滤水段止水层812，第一非滤水段止水层812中填充有止水材料；所述第一非滤水段井管813的的顶部设有回灌井井盖811。
75.所述第二非滤水段井管821不具备滤水性，采用无缝钢管；第二非滤水段井管821的外侧设有第二非滤水段止水层822，第二非滤水段止水层822中填充有止水材料；
76.所述滤水段井管832采用滤水管，且为缠丝滤水管；滤水段井管832的外侧设有滤水段滤水层831，滤水段滤水层831中填充有滤料，滤料可采用石英砂；
77.若区域中的隔水层与深层含水层均为多层，且隔水层与深层含水层交替分布，则所述第二非滤水段82与滤水段83也均对应的设为多个，第二非滤水段82与滤水段83交替分布且自上而下依次首尾连接。
78.回灌井8的底部设有回灌井沉淀段833，用于沉淀回灌井8的水杂质，回灌井沉淀段833的井管可采用不具备滤水性的无缝钢管，或者，回灌井沉淀段833的井管与滤水段井管832为一体，均为滤水管；回灌井沉淀段33的井管外侧也填充有滤料。
79.本实施例中，根据实际含水层情况，回灌井8的缠丝滤水管缠丝间隙在0.75～1.00mm之间，在夹有粉细砂地层中，则在缠丝外再包扎一层30目左右的铜网，以阻碍粉细砂。所述回灌井8的井管口径不宜太小，直径一般取250～300mm为宜。
80.所述蓄水箱5的输出管56与回灌管84相连接，所述回灌管84伸入回灌井8中，且回灌管84的出口端位于滤水段83中，所述回灌管84上设有电磁流量计6和加压泵7，用于将蓄水箱5中的水抽至回灌井8中，并经滤水段83的井管管壁渗入深层含水层中。
81.如图3所示，所述蓄水箱中5中设有塑料薄膜53和过滤板52；所述过滤板52水平放置在蓄水箱5中，将蓄水箱5分为上腔室和下腔室；所述上腔室的侧壁连接蓄水箱5的输出管56；所述下腔室连接蓄水箱5的输入管51和排水管54；
82.所述塑料薄膜53放置于过滤板52上，水通过输入管51进入蓄水箱5的下腔室，蓄水箱5中的水位上升，经过滤板52过滤后进入上腔室，塑料薄膜53覆盖在上腔室的水面上，用于减少水与空气的接触面积。
83.所述排水管54上设有阀门55，通过排水管54进行排水及排出沉淀物。
84.本实施例中，浅层抽水模块4的抽水泵43将浅层含水层中的水抽出，进入蓄水箱5，
水经过蓄水箱5中的过滤板52把部分杂物过滤并沉淀在下腔室，水收集到一定量后，蓄水箱5中水透过过滤板52进入上腔室，塑料薄膜53受到水的浮力漂浮于水面，减少空气与水接触面积，防止破坏地下水还原性，经蓄水箱5上腔室的出水管56且被电磁流量计6定流和加压泵7加压后回灌至进入回灌井8中。回灌结束后，打开蓄水箱5排水管54上的阀门55，对蓄水箱5的下腔室进行清洗。
85.本实施例中，多个浅层抽水井42的情况下，每个抽水管46并联接入蓄水箱5中；多个回灌井8的情况下，多个回灌管84并联连接加压泵7；
86.实施例3
87.地下水自平衡的试验过程，具体如下所示：
88.s1，选择水文地质条件合适的研究区；
89.s2，根据研究区渗透系数，选择地下水自平衡装置；
90.s3，分析研究区水文地质条件，利用数值模拟软件建立回灌模拟模型进行数值模拟；
91.s4，分析回灌结果。
92.其中，回灌模拟模型中的相关参数设置如下表1所示：
[0093][0094]
表1
[0095]
回灌模拟模型中开采井和回灌井的水量对比如下表2所示：
[0096]
表2
[0097]
[0098][0099]
如图4和图5所示，回灌模拟模型的模拟范围20km
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20km，模拟运行3年后，本发明的地下水自平衡方案(开采-回灌)的最低水位上升幅度，相比仅开采不进行自平衡方案(开采)的最低水位上升幅度大，且最低水位上升幅度高出4m。
[0100]
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。