0 引言

地下水人工补给可以有效地增加地下水资源的可利用量，调节水资源时空分布规律，对维持地下水资源均衡起着重要的作用。有效的地下水人工补给已经日渐成为水资源管理战略的主要组成部分^[1]。19世纪末期，欧美国家为缓解因过量开采地下水资源而产生的地面沉降、海水入侵等一系列环境地质问题，明确提出了进行地下水人工补给和地下水系统采补平衡恢复^[2]。我国也于20世纪60年代开始实施大规模的地下水人工补给工作^{[3, 4, 5]}。此后，随着经济社会的迅速发展和环境地质问题的日益严重，地下水人工补给在理论和方法上均有所突破，应用范围更加广泛，但和生产实践相比，仍存在一些问题。在这样的背景下，开展地下水人工补给方法的创新性研究，是促进学科发展和水资源合理利用的有效尝试。

地下滴灌技术是一种高新农业灌溉技术，是微灌技术的典型应用形式之一。灌溉水通过地埋毛管上的灌水器缓慢出流渗入附近土壤，借助重力作用或土壤毛细作用扩散到整个根系层供作物吸收利用^[6]，较其他灌溉技术凸显出显著的节水增产优点。地下滴灌技术在整个灌溉过程中不产生地表径流，最大程度地减少了表层土壤含水量及地面蒸发损失，同时便于管理和控制。这为潜水人工补给方法的创新提供了重要参考。

水在土壤中以液态形式密集流动或以气态形式进行扩散。当土壤含水量较小时，主要由毛管作用力控制土壤水运动，该作用力在各个方向上相等，在毛管作用下土壤水向各方向均匀流动；当土壤越来越湿润，也就是说当土壤含水量越来越大时，土壤空隙逐渐饱和，毛细作用减弱，重力作用增大，土壤水分主要向下运动^[7]。地下滴灌技术正是依据以上原理，通过地埋管上的灌水器使水或水肥的混合液缓慢出流渗入到作物根系层土壤中，借助毛细作用或重力作用控制水分运动的一种新型节水灌溉形式。与众多灌溉方式相比，其最为明显的优势在于大大减少了地面蒸发损失，具有显著的节水、节能、省工、增产、提高农产品品质以及改善土壤环境等优点^{[6, 8, 9]}。

目前，国内外大量使用的潜水人工补给方法主要为地面入渗法^{[10, 11, 12]}和管井注入法^{[13, 14, 15]}。前者工程设施简单、投资少、运行管理及维护简单，但入渗设施占地面积较大，补给水在干旱地区蒸发损失较大，还可能引起附近土壤次生盐渍化；后者不受地形条件、弱透水层分布和地下水位埋深限制，占地面积小，水量浪费少，不易受地面气候变化等因素影响，但由于水量集中注入，井及附近含水层中流速较大，井管和含水层易被堵塞，且对水质要求较高，检修困难。

鉴于现阶段潜水人工补给方法存在的问题，借鉴地下滴灌技术思路，在包气带预埋地下暗管作为补给水入渗通道，这样，地表水可以在无压或微压的条件下，由暗管渗出直接进入土壤空隙，补给含水层，整个过程中不产生地表径流，最大程度地减少了表层土壤的含水量。原理如图 1所示，笔者称之为地下暗管式人工补给系统。

图 1 地下暗管式人工补给系统原理Fig.1 Theory of artificial recharge of subsurface pipe system

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地下暗管式人工补给系统是一种新型水工建筑物布置形式，其工程结构主要由首部枢纽、暗管入渗系统以及运行监测系统三大部分构成。

在引水渠道的末端，将渠底加深，渠道断面尺寸扩大，形成一水池，辅以必要设备及构筑物，就构成了首部枢纽。它是输水渠道与暗管入渗系统的连接建筑物。

首部枢纽主要构筑物(图 2)包括前室、进水室、泄槽及冲沙闸四部分。

图 2 首部枢纽及暗管入渗系统平面布置示意图Fig.2 Sketch of header hub and subsurface pipe infiltration system

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1)前室。指渠末和输水干管进水室间的连接段，由扩散段和池身组成。前室可减小渠道水位波动的振幅，稳定补给水头；还可起到暂时补充不足水量和容纳多余水量的作用，适应不同工况系统补给水量的改变。

2)进水室。指输水干管进水口前扩大和加深部分。进口处设闸门及控制设备、拦污栅、通气孔等设施。补给水经拦污栅及水质净化设备过滤、净化处理后，均匀地分配给各输水干管。

3)泄槽。当系统以较小的流量运行或停止工作时，多余的水量由溢水建筑物下泄。溢流堰堰顶可设闸门，利用闸门启闭控制前池水头。

4)冲沙闸。从引水渠道带来的泥沙将沉积在前室底部，因此在前室的最低处应设冲沙闸，并在其末端设有控制闸门，以便定期将泥沙排至下游。冲沙孔可兼做前室的放水孔，当前室检修时用来放空存水。

首部枢纽的主要设备设施及作用见表 1。

预埋地下输水干管及渗水支管(图 2)，使补给水借助渗水支管内外水头差下渗补给含水层，可增加地下水储量。暗管布设应重点考虑区域水文地质条件及地表生态系统类型，暗管埋深应能保证对潜水进行有效补给的前提下减少无效蒸发，避免表层土壤积盐；同时，还应保证对土壤水进行有效补充，以产生良好的生态环境效应。暗管入渗系统结构示意见图 3。地下暗管式人工补给系统施工重点在于地下暗管铺设。目前，较为先进的管线铺设施工技术主要为非开挖铺设地下管线施工技术^[16]。利用该技术可铺设直径40～2 500 mm的各种地下管线，铺设长度可从十几米至上千米。非开挖铺管技术与传统的挖槽埋管法相比具有不污染环境、无严重噪音、不影响交通、对地层结构破坏小、施工安全可靠、施工周期短、成本低等优点。此外，还可在一些无法实施开挖作业的地区铺设管线，如：古迹保护区、闹市区、农作物及植被保护区，或穿越高速公路、铁路、建筑物、河流等。因此，暗管预埋施工是完全可以通过现有技术实现的。

图 3 暗管入渗系统结构示意图Fig.3 Structure of artificial recharge of subsurface pipe system

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图 4 台兰河流域南北向水文地质剖面图Fig.4 Hydrogeological profile from south to north in Tailan basin

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建设地下暗管式人工补给系统监测子系统，可用来监测人工补给区地下水水质、水位、水量以及其变化趋势等信息；同时还应采集包括蒸发量、降水量等气象条件，地表水的水质、水量条件，包气带的含水量、土壤含盐量、地表生态环境等信息，为系统的运行与管理提供科学依据。

台兰河地下水库，位于天山南坡台兰河流域冲洪积扇区域，地形北高南低(图 4)，高程1 100～1 600 m，地面坡降8‰～16‰。地表南东向树枝状宽浅沟较为发育，属戈壁砾石带。地下水库范围北至塔克拉克山间洼地，南达314国道附近，东、西分别以台兰河冲洪积扇轴部和依克溪沟为界，面积360 km²。水库区在200～500 m深度内地层主要为第四系上更新统(Q^al₃)冲积卵砾石及砂砾石，局部夹有薄层透镜体层亚砂土层，卵石粒径一般5～10 cm，砾石粒径般1～2 cm，卵砾石磨圆、分选均差。地下水力坡度6‰～11‰。台兰河流域受西风环流和北冰洋水汽及其地形影响，水汽自西向东，自北向南逐渐减少，夏季6、7、8月份降水量最多，年降水量在山区可达500～700 mm，平原区年平均降水量仅为63.3 mm。流域内蒸发量山区小于平原，山区年蒸发量600～1 000 mm，平原区蒸发量可达1 200～1 900 mm。库区314国道以北含水层厚度一般为50～300 m，地下水水力坡度一般为0.5%～1.0%。地下水位埋深较大，植被稀疏，生态系统脆弱单一。因此可修建地下暗管式人工补给系统，在发挥地下水库人工补给作用的同时，为植被根系层提供有效的水分补给。稳定下渗状态下，即渗管与含水层形成水力联系时，系统补给量可采用下式进行估算：

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式中：q为单位长度渗管单位时间的渗漏量(m³/(d·m))；K为潜水含水层渗透系数(m/d)；为潜水含水层平均厚度(m)；i为暗管内外水力坡度；φ为有效补给率，指补给含水层水量占总渗漏水量的比例；W为入渗水量(m³)；T为入渗时间(d)；L为渗管长度(m)。

如果修建10 km入渗暗管，则暗管内外水力坡度按5‰、含水层厚度按150 m、有效补给率按85%计算。此外，根据大型原位渗水试验和双环注水试验，台兰河山前戈壁砾石带浅层垂直渗透系数取平均为2.87 m/d^[10]。经计算得知，仅当年11月至翌年2月入渗水量可达约220万m³，可为地下水库人工补给提供有力保障。

地下暗管式人工补给系统主要借鉴地下滴灌技术思路，预埋地下暗管作为补给水输水通道，整个补给过程不产生地表径流。与传统潜水人工补给方法相比，地下暗管式人工补给系统的优点主要有以下几个方面(表 2)：不产生地表径流，最大程度减小了表层土壤的含水量，可减少蒸发损失，在干旱半干旱地区具有较广泛的应用前景；不需要开挖入渗池、渠道等地表入渗设施，可减小补给区占地面积，对地表建筑设施、生态环境等影响较小；对含水层进行补给的同时，在正确的安装和管理情况下，可有效补充包气带土壤含水量，对地表生态系统起到良好的支撑效果，产生良好的生态环境效益；施工工艺简单，工程可行性高。

尽管地下暗管式人工补给系统具有以上诸多优点，但也存在着不足，主要体现在以下几个方面：

1)堵塞问题。同地表入渗法及管井注入法类似，采用地下暗管式人工补给系统进行地下水人工补给时同样存在堵塞问题。参照管井堵塞分类方法，亦可将暗管堵塞问题分为三类：物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞^{[17, 18, 19]}。在工程实际运行过程中，可

2)运行管理要求高。由于地下暗管式人工补给系统埋于地表以下，发生故障后检修时间长、费用高。因此在日常运行过程中需实时监测系统运行参数，掌握其管理的科学依据，同时还应对补给水源进行深度处理并频繁处理管道内颗粒沉积物，以免造成堵塞。

地下暗管式人工补给系统功能目标是以较少的水量损失获得较大的地下水补给量，且能产生良好的环境效应。综合考虑人工补给区生态环境、地形地貌、充水岩性和包气带岩性等诸多因素，地下暗管式人工补给系统主要应满足以下条件：1)适用于地形平缓的山前冲洪积扇、冲积河谷和平原的潜水含水层分布区；2)包气带应有足够的渗透能力及一定的溶解吸附补给水源中有害成分的能力；3)补给目标含水层应具有足够的储水空间、渗透性及空间展布面积；4)暗管预埋层与地下水位无大面积弱透水层分布；5)补给水源水质应接近于目标含水层地下水水质，且水量水质均应保证系统工程构筑物长期、正常运转。

开展地下水人工补给不仅可以有效地增加和恢复地下水资源，而且具有防治地面沉降和地裂缝等地质灾害的作用，对地下水库建设理论与实践的发展亦有较大推动作用。

1)地下滴灌技术采用预埋毛管作为灌溉水通道，最大程度地减少了表层土壤的含水量及地面蒸发损失，为潜水人工补给方法的创新提供了重要参考。

2)地下水人工补给是实现其合理开发利用及科学调蓄的重要基础。地下暗管式人工补给系统是一种创新的地下水工建筑物布置形式，采用地下暗管作为补给水入渗通道，能有效减少蒸发损失、减少占地面积、可产生良好的环境效应，是潜水人工补给的一种更为有效的方法，同时也是实现水资源高效利用的一种创新模式。

3)以台兰河地下水库为例估算稳定下渗状态下地下暗管式人工补给系统的补给量，补给量较大，可为地下水库人工补给提供有力保障。