永福园地下水库库区位于烟台市芝罘、福山及莱山三区所辖范围内，库区下游边界即坝轴线，西起朱家山经永福园至宫家岛，内夹河门楼水库大坝为地下水库的内夹河上界，外夹河的上游边界至旺远河段。地理位置为东经121°09′～121°27′，北纬37°20′～37°38′。为了改善与治理夹河的生态环境，永福园地下水库库区的下游段，外夹河大沙埠橡胶坝以下、内夹河东北关以下至地下水库截渗坝之间主河床及河间地块地段实施水体置换及回灌补源工程。
1.水体置换及回灌补源工程规划设计
（1）水体置换及排水工程规划设计
本次考虑对永福园地下水库下游库区即大沙埠橡胶坝以下河段5.7km2范围内布设抽水井进行水体置换。该区域地下水中Cl-含量大都在200～250mg/L以上，靠近坝轴线处局部大于500mg/L，超过饮用水卫生标准。其外围17.75km2的范围内Cl-含量多为120～180mg/L。本次确定大沙埠橡胶坝以下河段5.7km2置换区水体置换目标为地下水中Cl-含量小于150mg/L，达到地下水Ⅱ类水标准，如果置换时间和条件许可尽可能地把区内地下水Cl-含量降为100mg/L以下。
水体置换采取在地下水库下游库区，沿内、外夹河及河间地块新打水体置换井抽水，然后回灌补源的方案。排水主干管沿各置换井附近布设，管径为DN200～DN600，在截渗坝下游200m处修建挡水围堰，将抽出的苦咸水送至围堰以下顺河道自流入海。
规划布设水体置换抽水井30眼（拟改造旧井5眼，打新井25眼），抽水能力为6万m3/d，打注水井3眼，排水管道总长为7.53km。经分析计算，最长140天左右即可完成置换抽水工作。
（2）回灌补源工程规划设计
本次设计在外夹河大沙埠橡胶坝以下、内夹河东北关以下，至地下水库截渗坝河段布设渗井258眼。其中外夹河大沙埠橡胶坝至内外夹河汇合口段长2.48km，设渗井115眼；内夹河东北关至内外夹河汇合口段长2.15km，设渗井98眼；内外夹河汇合口至地下水库截渗坝河段长0.86km，设渗井45眼。利用门楼水库施工弃水进行回灌补源，以达到提高水体置换效果，缩短水体置换时间，增加城市供水量的目的。渗井沿河按井距50m、排距50m、每排3眼或2眼，梅花形进行布置。经分析计算，在回灌补源水量有保障的情况下，需65d左右即可完成对抽水置换区的回灌补源工作。
2.永福园地下水库下游库区地下水可供水量分析计算
永福园地下水库库区总面积为63.26km2，调蓄库容为0.65亿m3，95%保证率年可开采量为4418万m3。本次规划永福园地下水库下游库区均衡计算区的库区面积为17.75km2。
（1）地下水补给量计算
根据1956～2003年降水资料进行计算。
1）大气降水入渗补给量。
按式Q降＝Faχ计算。
式中：F——计算区的面积；
a——大气降水渗入系数；
χ——年降水量。
计算结果见表8-13。
表8-13 大气降水入渗补给量表
2）库区周边侧向补给量。计算库区周边分水岭以内大气降水入渗量，地下水蒸发量及开采量忽略不计，计算出的入渗量即为周边侧向补给量。
按岩性将周边分水岭以内地段分为三个区，分别计算大气降水入渗量，计算结果见表8-14。
3）河水入渗补给。采用达西公式Q＝KIHBt计算河流一侧渗漏量，乘以2即为河水入渗补量，计算结果详见表8-15。表中计算了外夹河玉树庄—大沙埠及大沙埠—宫家岛河段入渗补给量；内夹河芝阳—二水厂河段入渗补给量。
表8-14 库区周边侧向补给量表
表8-15 外夹河河水入渗补给量表
4）农业灌溉回归水量。区内农田以菜田为主，据统计，年灌溉用水量约为36.5万m3，灌溉回归系数为0.2，则农业灌溉回归水量为7.3万m3/a（200m3/d），95%保证率不予考虑。
5）上游地下水径流补给量。计算公式如下：
Q径补＝KIHB
式中：K——含水层渗透系数，m/d；
I——地下水水力坡度；
H——含水层厚度，m；
B——断面长度，m。
上游地下水径流补给断面有芝阳山-北涂山断面及玉树庄断面，计算断面以上分布有芝阳水厂及套口水厂集中取水井，形成水位降落漏斗，因而在90%及95%保证率情况下，无地下径流补给。经计算，50%保证率地下水径流补给量为0.65万m3/d（235.82万m3/a），详见表8-16。
表8-16 地下水径流补给量表
6）地下水补给总量。上述各项补给量相加，即为置换区内地下水补给总量，见表8-17。
表8-17 地下水补给总量统计表
（2）地下水消耗量
1）地下水蒸发量。据地下水动态观测资料，区内地下水埋深3～3.5m以上，蒸发量可忽略不计。
2）地下水径流排泄量。计算区北端为地下截渗坝，阻挡了地下径流，坝西端至朱甲山留有宽630m的缺口。但由于上游有工业自备井常年抽水，形成地下水降落漏斗，致使缺口处无地下径流向库外排泄。
3）地下水开采量。经统计，区内地下水开采总量为2.7万m3/d（包括电厂1.2万m3/d、福山城区企业自备井1.4万m3/d、灌溉0.1万m3/d）。
（3）本区域地下水可开采量计算成果
经计算，95%保证率情况下，本区地下水日均补给量为1.13万m3。本区地下水位降至-12m，控制在含水层顶板上下，地下水储存量为2594万m3；另外本河段补源渗井工程实施后，地表水可直接补给地下水，按宫家岛橡胶坝347万m3蓄水的1/3、大沙埠蓄水191万m3作为储存量予以开采，扣除蒸发等，两橡胶坝可开采的储存量为245万m3；地下水合计总储存量为2839万m3，应急供水16个月（487d），动用储存量可增加开采量为5.83万m3/d。扣除日均已有地下水开采量及其他消耗量2.70万m3，应急供水16个月，95%保证率情况下，地下水日均可开采量为4.26万m3。应急供水16个月，永福园地下水库下游库区宫家岛水厂地下水可开采量计算成果见表8-18。
表8-18 宫家岛水厂地下水可开采量表
3.永福园地下水库下游库区水体置换范围及置换区储存量
（1）置换区范围确定
根据地下水动态监测资料，永福园地下水库下游库区宫家岛水厂影响区域水质状况较差。坝线上游沿夹河约5km2范围内，由于受建坝前海水浸染影响，Cl-含量大都大于200～250mg/L，靠近坝线附近局部大于500mg/L，超过生活饮用水卫生标准（上限250mg/L）。本次规划对该区地下水进行水体置换、抽咸补淡，实施置换的范围主要是永福园地下水库下游库区、大沙埠橡胶坝以下宫家岛水厂应急供水井影响区域，面积约5.7km2。置换区外围地下水中Cl-含量一般为120～180mg/L。
（2）置换区地下水储存量
根据“烟台市夹河地下水库水文工程地质勘察报告”，地下水库库区总面积63.26km2，总库容（水位高程0.5m以下）为2.05亿m3，其中宫家岛水厂水资源均衡计算区库区面积17.75km2，相应地下库容（水位高程0.5m以下）为7040万m3。地下水库下游区既宫家岛水厂区域不同地下水位高程以下库容计算见表8-19。
根据近年来地下水动态观测资料，计算区地下水位平均高程为0m。经计算，自0m降至不同水位的储存量如下：-10m为2013万m3，-11m为2298万m3，-12m为2594万m3，-13m为3072万m3，-15m为3667万m3，-20m为5555万m3。
本次规划实施的地下水库下游区即宫家岛水厂应急供水井影响置换区面积5.7km2，地下水位-15m以上储存量约为1220万m3，-20m以上储存量约为1850万m3。
表8-19 地下水库下游区库容计算表
（3）置换区地下水水质情况
本次规划的5.7km2置换区受建坝前海水浸染影响，地下水水质总体较差，属Ⅳ～Ⅴ类水，主要是Cl-含量超标，Cl-含量大都大于200～250mg/L，靠近坝线附近局部大于500mg/L，超过生活饮用。
（4）置换目标
根据监测资料，内、外夹河地表水及门楼水库水Cl-含量一般40～60mg/L，因此，本次确定大沙埠橡胶坝以下河段5.7km2置换区水体置换目标为地下水中Cl-含量小于150mg/L，达到地下水Ⅱ类水标准，如果置换时间和条件许可尽可能地把区内地下水Cl-含量降为100mg/L以下。置换抽水过程中加强水质监测，当达到置换目标时即完成置换抽水。
（5）置换抽水天数计算
根据“烟台市城市供水应急工程宫家岛水厂水文地质勘察报告”，置换区平水年地下水的天然补给量为4.4万m3/d，现有开采量为2.7万m3/d。本次规划实施的宫家岛水厂应急供水井影响置换区域，地下水位-15m以上，储存量约为1220万m3。
置换抽水天数计算：按单井出水量2000m3/d，规划30眼井抽水量为6.0万m3/d，现有地下水开采量为2.7万m3/d，每天抽水量合计为8.7万m3。按置换区地下水Cl-含量背景值为250mg/L，天然补给量中Cl-含量100mg/L，人工回灌补源水Cl-含量50mg/L，采用Cl-通量均衡公式进行计算：
初始储存通量-回灌时段末储存通量＝抽水通量-回灌补给通量-外围入渗通量＋蒸发通量
式中：初始储存通量＝置换区地下水储存量×Cl-含量（背景值）；
回灌时段末储存通量＝置换区地下水储存量×Cl-含量（置换目标值）；
抽水通量＝抽出水总量×Cl-含量（取200mg/L）；
回灌补给通量＝回灌补给量×Cl-含量，50mg/L；
外围入渗通量＝天然补给量×Cl-含量，100mg/L；
蒸发通量：置换区地下水位埋深大于3.5m，蒸发通量忽略不计。
设置换抽水天数为X，则：
置换区地下水储存量＝1220万m3＝1.22×1010L
抽水总量＝8.7×107L×X
外围入渗补给量＝4.4×107L×X
回灌补给量＝（8.7-4.4）×107L×X
按置换目标Cl-含量分别为100mg/L、150mg/L，经计算，所需抽水天数分别为169 d和113 d。
考虑置换过程存在复杂性，水位降至-15m，激发增加补给量，同时-15m以下咸水及含水层中吸附Cl-将向上扩散。因此，设计置换历时按Cl-含量150mg/L考虑，确定为140d；如果置换条件许可，抽水时间可延长至200 d以上，将区内地下水中Cl-含量降至100mg/1以下。
4.工程规模的确定
（1）置换抽水井规模
本区水体置换完成后，置换抽水井将转为宫家岛水厂应急供水井。根据“烟台市城市供水应急工程宫家岛水厂水文地质勘察报告”，按前述计算规划的抽水量和抽水时间，按含水层的分布情况及抽水井的影响半径，确定布抽水井30眼，单井出水量2000m3/d，抽水能力为6.0万m3/d。另外，未来应急供水16个月，90%、95%保证率情况下，本区地下水日均可开采量分别为5.05万m3、4.26万m3。宫家岛水厂应急供水规模按5.0万m3/d设计，也需布井30眼（备用5眼井）。
（2）回灌补源渗井规模
本次规划实施的地下水库下游区即宫家岛水厂应急供水井影响置换区面积5.7km2，地下水位-15m以上水体达到置换目标需抽水140d，30眼井抽水加现状已有的开采量2.7m3/d，抽出的水量为1218万m3，本区地下水的天然补给量为4.4万m3/d，抽水期间天然补给量为616万m3，其余602万m3靠人工渗井补源。根据“烟台市夹河地下水库回灌补源工程可行性研究报告”，玉树庄以下设计回灌井井距50m，排距50m，每排3眼或2眼，间隔排列。按上述设计，本次在外夹河大沙埠橡胶坝以下、内夹河东北关以下至地下水库截渗坝河段，共计需布渗井258眼。据“山东省烟台市夹河中下游地段引渗回灌可行性研究报告”及本次计算分析，渗井的入渗能力按每眼360m3/d考虑，则大沙埠橡胶坝以下河段258眼井入渗能力为9.29万m3/d，65d左右可完成对地下水的回补，与门楼水库施工放水时间相当。
为保证置换效果，置换抽水过程中，在置换区西侧栾家疃—宋家疃一带布设3眼注水井，向井内注水，形成水峰，阻止抽水漏斗范围向西扩展及西坝段溢流口侧地下水向置换区补给。
根据置换抽水井的抽水量和回灌补源井的入渗能力，确定本工程规模为中型，等级为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物级别为5级。
5.工程方案比选与工程任务
（1）工程方案比选
本次水体置换方案有两个：一是抽水与人工补源相结合的工程方案，二是只进行抽水，靠自然回补地下水方案。两个方案比选情况见表8-20。
由表8-20可看出，方案一优于方案二。因此，推荐选用方案一抽水与人工补源相结合进行水体置换工程。
表8-20 水体置换方案比选表
（2）工程任务
通过永福园地下水库下游库区的水体置换及回灌补源工程的建设，将大大改善永福园地下水库下游库区水质，解决因门楼水库施工放水造成的城市供水不足问题，为城市当前供水提供替代水源，确保城市供水安全，并为保证城市长远发展用水需求奠定良好的基础。30眼水体置换抽水井抽水能力6万m3/d，258眼回灌补源渗井入渗能力9.29万m3/d。
本工程共打水体置换抽水井25眼，改造利用旧井5眼，打回灌补源井258眼，铺设排水管路7.53km。
地下水库建库多年来，虽然规划的回灌补源工程一直没有实施，但按照市政府确定的优先使用地表水、科学涵养地下水的水资源开发利用方针，库内的地下水资源得到了一定的涵养储存。库区内的地下水位也有了明显的回升，地下水漏斗区面积逐年减少。但目前地下截渗坝上游仍封存有建坝前入侵的部分海水，Cl-含量大都大于200～250mg/L，靠近坝线附近局部大于500mg/L，海水侵染区的水质一直没有得到有效的改善。对永福园地下水库水体进行置换及回灌补源，采用机井抽取地下含氯较高的苦咸水，同时在河道范围内布置渗井，利用夹河地表水及门楼水库施工弃水进行回灌补源后，该区域水质可以达到Ⅲ类水标准，且Cl-含量小于150mg/L，能够改善并逐步恢复本区域生态环境，满足城市供水水质要求，为城市社会和经济发展提供水资源保障，其社会效益和生态效益十分显著。