地下水人工回灌过程中多孔介质悬浮物堵塞实验

地下水人工回灌技术的发展与推广常因其回灌过程中物理、化学及生物作用产生的入渗介质堵塞现象而受到严重制约。针对堵塞现象中最常见且最主要的悬浮物堵塞问题,采用室内模拟实验方法,通过将悬浊水连续注入均质的石英砂柱中,来刻画多孔介质中悬浮物堵塞的现象及发生的过程,并分析其发展规律,同时量化计算了堵塞速率。实验结果表明：回灌15 h左右表层介质渗透系数开始降低,即堵塞在表层开始发生,并随时间增加不断向深部发展;连续回灌100 h后表层渗透系数趋于稳定,进入介质内部悬浮物的量减少,内部堵塞发展也趋于稳定,此时堵塞主要在入渗深度10 cm左右的范围内。计算不同堵塞层的堵塞速率λ:表层0～1 cm的λ最大,为0.038 3 h^-1,λ随入渗深度增加而减小。对于介质整体的渗透性而言,其降低明显滞后于表层介质,但随时间发展主要受堵塞层的控制。     

雨洪资源地下回灌促渗技术的实验研究

针对雨洪资源地下回灌工程易堵塞、效率低、寿命短等问题,以入渗池为例,开展室内模拟实验。实验通过模拟雨洪资源地下回灌条件和过程、设定渗透介质的表面形态和回灌的工程工艺方法,观测渗透速率随时间的变化规律,分析堵塞层悬浮物的分布规律;通过对比相同目标补给层、不同回灌工程工艺方法对入渗速率的影响,分析促渗机理,评价堵塞的形成机制和管理方法,探索促渗关键技术。提出了局部高位入渗方法、垄沟池底方法、间歇回灌方法三种有效的促渗技术,对雨洪资源地下回灌的工程实践具有一定的借鉴意义。     

城市雨水地下回灌过程中悬浮物表面堵塞规律

雨洪资源地下回灌是缓解城市供水压力、解决地下水过量开采引起环境负效应的有效途径之一,但堵塞问题却是制约回灌技术推广的关键问题。基于前人理论,研究了入渗介质与悬浮物粒径中值之比(D₅₀/d₅₀)对堵塞层空间分布的影响。以建立表面堵塞预测模型为目的,利用城市雨水回灌细粒石英砂介质开展室内实验,观测雨水回灌的表面堵塞过程并获取渗透性变化的观测数据。根据物理、化学与生物堵塞的产生条件及堵塞特点,判断雨水回灌产生的堵塞性质为物理堵塞。引入过滤模型描述堵塞的发展过程,确定了模型用于模拟细砂表面堵塞的参数值：孔隙堵塞系数（α）为0.15 m²/kg,阻力增长系数（f′R′）为20 000 m/kg。在不改变以上2个参数值的条件下,用该模型模拟不同悬浮物粒径悬浊水回灌细粒石英砂的堵塞过程,取得了较好的拟合效果。此过滤模型可以用于模拟入渗介质与悬浮物粒径D₅₀/d₅₀值小于5的表面堵塞的发展过程,可定量预测堵塞对回灌速率的影响。     

人工回灌物理堵塞特征试验及渗滤经验公式推导

人工回灌是提高水资源利用水平的重要工程措施,然而回灌过程中的堵塞问题会影响入渗效率和入渗工程的使用寿命。为了深入研究堵塞的机理,以控制堵塞问题,通过砂柱试验模拟了地下水人工回灌物理堵塞过程,通过测定含水率的变化分析了由堵塞引起的砂柱饱和-非饱和状态的转化。试验中出流速率经过了迅速增大到一峰值后快速减小,然后又缓慢变小的过程,即：仅经过72 h的回灌,砂柱的出流速率减小为2.18 m/d;72 h后砂样出流速率的减小明显放缓;192 h时,砂样出流速率为0.81 m/d,约为出流速率最大值的1/10。试验结果表明：回灌水悬浮物颗粒进入砂样空隙中引起渗透性减弱,和逐渐沉积在砂柱顶部形成的淤泥层是造成堵塞的直接原因,而淤泥层的形成是造成渗滤速率迅速下降的关键因素;淤泥层的弱透水性使砂样由上至下含水率发生了变化,导致了砂样导水率和水力梯度都降低,促使回灌渗滤速率迅速减小;回灌时间越长,淤泥层厚度越大,出流速率越小。由10组对比试验的结果,综合考虑引起雨洪渗滤系统堵塞的各种因素,建立了无砾石滤料雨洪水回灌过程计算渗滤速率变化的经验模型,拟合结果决定性系数为0.932。     

砂岩热储地热尾水回灌悬浮物堵塞研究

砂岩热储人工回灌过程中介质堵塞问题严重影响到回灌效率,为查明回灌过程中悬浮物堵塞对回灌效率的影响。试验依据德城区鲁北院内回灌井现场尾水中悬浮物粒径分布特征,并以市政自来水为水源,粘性土颗粒为入渗介质,配制0.038 mm和0.050 mm的不同悬浮物粒径和0 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、100 mg/L的不同悬浮物浓度开展一维砂柱模拟回灌试验。试验结果表明:悬浮物堵塞会引起整柱相对渗透系数呈现"快速下降-趋于稳定"的趋势,且堵塞主要发生在表层,可能在一定程度上抑制了悬浮物颗粒向下迁移;悬浮物粒径的大小和浓度均可以影响热储介质堵塞发生时间,悬浮物粒径越大堵塞发生时间越早,浓度越高,堵塞时间越短。试验针对悬浮物堵塞试验研究成果及现实情况,提出了一些针对性的治理措施:(1)设计一级除砂器,除砂器不仅可以沉降颗粒较大的悬浮物,降低悬浮物浓度,也能对尾水进行降温,有益于缓解物理悬浮物堵塞。(2)经过除砂器后,尾水进入二级过滤器,设计粗过滤器的过滤级为50μm,而精过滤器的过滤级为10μm,过滤器的个数可以根据尾水回灌量确定。     

地下水人工回灌气相堵塞特征的试验研究

地下水人工回灌可以高效地利用雨季丰沛的水量来缓解地下水过量开采造成的海水入侵、泉水断流等环境水文地质问题,但回灌堵塞一直是制约人工回灌效率的关键问题。针对雨洪水回灌携带的大量气泡问题,设计室内砂柱试验模拟装置,利用曝气水进行人工回灌,定时记录试验过程中测压管读数及出流流量,利用达西定律计算各层渗透系数,研究气相堵塞的发展过程和规律。结果表明:回灌过程中由于气相堵塞导致含水层渗透系数随时间呈指数衰减,气相堵塞主要发生在介质浅表层（0~30 cm）,且随时间有向下发展的趋势,堵塞速率随深度的增加逐渐减小,在回灌过程中适时停灌进行排气有利于减小气相堵塞对回灌效率的影响。     

含水层人工回灌物理堵塞的实验与数值模拟

以地表水体和雨洪水作为回灌水源,人工补给地下含水层过程中会发生含水层堵塞问题(特别是物理堵塞),将严重影响人工回灌的效果.采用模拟实验系统研究了悬浮固体颗粒对含水介质堵塞的机理,并用数学模型预测了含水介质物理堵塞的发生和发展过程.研究表明,含水介质的渗透性在回灌初期不断下降,随着回灌时间的延长逐渐趋于稳定;另外,悬浮物堵塞会导致介质的非均质性,渗透距离越小的砂层,堵塞越严重.建议将回灌液悬浮物浓度控制在25mg/L之内,在雨季悬浮物浓度较高时要进行周期性反冲洗,其频率为1次/d.     

工程降水中人工回灌综合技术

建筑工程降水往往伴生水资源浪费和地面变形等环境问题,人工回灌是解决这些问题的有效手段之一。影响工程降水中人工回灌的条件有回灌场地水文地质条件、回灌水源水质和水量及回灌方案的经济可行性等因素。就工程降水中出现的问题,提出资源补充型回灌和应力稳定型回灌方法,并给出了适用条件; 根据工程降水水质特点及现有的地下水人工回灌相关水质标准,提出工程降水回灌水质的控制指标主要为悬浮物、浊度、一般污染性指标、微生物指标及重金属等。针对目前人工回灌在工程中存在的可回灌性低的问题,进行了影响入渗速率因素研究,为今后开展促渗关键技术提供理论支持。     

地下水人工回灌堵塞问题研究进展

地下水人工回灌堵塞问题的产生与回灌水质、入渗介质的矿物成分及颗粒组成特征等多种因素有关,通常根据成因将堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种类型。大颗粒悬浮物的物理堵塞效应与机理的研究比较成熟,但对于中间颗粒,尤其是胶体颗粒物的堵塞作用机制的研究还相对比较薄弱;化学堵塞的机理复杂,影响因素众多,水文地球化学模拟技术在化学堵塞机理的研究中显示了良好的应用前景;生物堵塞主要由回灌水中细菌和藻类等微生物的繁殖和代谢导致,大量的研究集中在细菌方面,对藻类引起的堵塞问题研究尚不深入;多种堵塞的相互作用过程和作用机理是目前研究的难点问题。堵塞预测的方法主要包括3种:①指标法(如MFI、悬浮物浓度、浊度、AOC、BFR等),简单实用,但不能对堵塞演化过程进行描述或对堵塞程度进行定量表达;②经验公式法,受特定场地的条件限制,难以直接推广和利用;③解析公式法,对堵塞机理的表达更加科学、合理,但模型的建立与求解难度较大。通过合理的水质预处理技术和合理的回灌工艺,可以有效延迟堵塞发生的时间、减缓堵塞累积的程度。开发快速、高效、简单的堵塞处理技术对于延长工程使用寿命和降低经济成本具有重要的现实意义。     

超深层孔隙型热储地热尾水回灌堵塞机理

超深层孔隙型地下热水回灌难的问题已成为制约关中盆地地下热水可持续开发利用的瓶颈.本文以超深层孔隙型地热流体为载体,以热储原水-回灌尾水-热储介质-堵塞垢物之间水岩作用下矿物组分溶解沉淀规律为基础,以咸阳回灌1号井为例,应用室内堵塞实验模拟及水文地球化学模拟耦合方法,展开超深层孔隙型地热尾水回灌堵塞机理研究.结果表明:造成堵塞的主要因素有物理、化学、气体、微生物等,其中物理堵塞形式主要为颗粒运移和悬浮物堵塞,颗粒运移受回灌流速和储层物性影响明显,温度、压力是悬浮物堵塞的主控因素,而粘土膨胀影响甚微;化学堵塞程度随温度升高而加剧,主要化学沉淀为碳酸盐垢,且在回灌初期-中期达到沉淀量最大值;气体堵塞在回灌初期影响较大,之后随温度升高而减小;微生物堵塞的主要细菌类型为腐生菌,其堵塞程度与环境开放程度有关.     

Clogging mechanisms and preventive measures in artificial recharge systems

Groundwater which occurs in fractured rock or porous aquifers or other geological weak zones such as faults and fractures is usually extracted via boreholes, hand wells or other sources such as springs.Water scarcity has become a severe problem due to many factors, such as an alarming increase in population and per capita water consumption, over exploitation of groundwater resources and abrupt global climatic change along with its related eco-environmental geological problems. In such situation, application of artificial recharge systems(e.g. surface recharge basin and deep injection well systems) can help to effectively manage and augment the unitization of groundwater resources. However, the clogging problem,which may be caused by a complex interdependent mechanisms of physical, chemical and biological has been a challenge for the efficacy and the implementation of recharge facilities. Clogging can reduce the permeability, recharge rate and longevity of recharge facilities and increase the operational and maintenance costs. Major influencing factors associated with the occurrence of clogging include the chemical composition of groundwater(both the recharge water and native groundwater), aquifer medium and microbial diversity, together with other environmental factors such as temperature, pressure, total dissolved solids, total soluble salts, pH, Eh, nutrients, gases, carbonates and others; these factors ultimately increase the piezometric head but reduce the permeability and infiltration rates of porous/seepage media.Pretreatment of recharge water can minimize the potential clogging. In the case of clogged wells,rehabilitation methods need to be deployed. In the meantime, there is an urgent needs to understand the basic causes and developmental processes/mechanisms of clogging in order to mitigate this problem. This paper reviews the major clogging mechanisms and their possible preventive measures and redevelopments in artificial recharge systems.     

黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

地表水与地下水相互转化是中国西北干旱内流盆地水循环的显著特征,转化机制研究是盆地水循环规律认知和水资源可持续管理的重要基础。以我国西北干旱内流河黑河流域中游的张掖盆地和盐池盆地为研究区,建立了黑河主干河道时变水平衡模型和地表水地下水耦合数值模型,研究了长周期水文变化和人类活动双重影响下地表水与地下水转化机制,得到如下认识:（1）补给条件由以天然条件下河流渗漏为主的线状补给演变为以河流与引水渠道渗漏的线状补给和灌区田间入渗面状补给,排泄条件由以泉水溢出和天然湿地排泄演变为以泉水溢出与地下水开采为主的排泄。（2）张掖盆地黑河干流河道入渗段和溢出段大致以G312 大桥为界,亦称为地表水与地下水转化的转折点。莺落峡—G312 大桥段为悬河渗漏段,河道入渗补给主要受控于进入河道的实际过水量。其中,莺落峡—草滩庄段河道入渗补给率为28.20 %;草滩庄—G312 大桥段河道入渗补给量与河道过水量的关系可用分段函数表达,河道过水量大于或等于0.37×108 m3/mon时呈幂函数关系,小于则呈线性函数关系。G312 大桥—正义峡段为地下水溢出段,其中G312大桥—平川大桥段地下水溢出量约占全部溢出量的70%,溢出峰值出现在高崖水文站下游约6 km处,其单长溢出量可达0.46 m3/(s·km)。（3）研究区是一个相对完整的河流—含水层系统,近31年来经历了连枯和连丰的水文变化,地下水补给排泄条件及与地表水转化机制均发生了相应的变化。地表水与地下水转化最强烈的地区为张掖盆地中部的黑河—梨园河倾斜平原。1990—2001 年连枯期,灌区引水量总体逐年减少,以河道入渗和渠系渗漏为主的补给量平均以0.06×108 m3/a速率减少,农田灌溉面积增加导致灌溉用水增加,地下水开采量显著增加,地下水水位逐年下降,储存量累计减少5.77×108 m3,地下水溢出量平均减少0.16×108 m3/a;而2002—2020 年连丰期,灌区引水量总体逐年减少,河道入渗量呈增加趋势,地下水总补给量平均增加0.15×108 m3/a,灌溉面积继续扩大,农灌开采量随之增加,以河道入渗量增加为主导,地下水水位持续上升,储存量累计增加5.45×108 m3,地下水溢出量平均增加0.08×108 m3/a。总之,补给和排泄条件变化较大,地下水储存量先减后增,地下水溢出总量变化较为平缓,反映了该区巨厚含水层系统的巨大调蓄功能。（4）位于张掖盆地东部的诸河倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于地表水开发过度,补给量锐减。黑河侵蚀堆积平原地下水水位基本稳定。30 多年来盐池盆地倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于移民开垦导致地下水过量开采。（5）内流盆地天然悬河入渗段是珍贵的地下水补给通道,无论连枯期还是连丰期,河道实际过水量是河道渗漏补给量的关键,保护上游天然河道和一定的河道实际过水量是内流盆地水资源可持续管理的关键。     

干湿交替条件下包气带土柱中氮素迁移转化规律实验

干湿交替的回灌方法常被用于解决地面回灌补给地下水的堵塞问题。研究干湿交替条件下地面回灌对地下水的影响对于指导再生水回灌地下水具有重要实际意义。通过室内土柱模拟实验,在入渗强度为10.5 mm/h的条件下,日均进水量3 888 mL;用干湿交替的地面回灌模式持续运行136 d,累计灌入氨氮含量为5 mg/L的模拟再生水23 894 L,研究包气带土柱对氨氮的去除效果及氮素在包气带中的迁移转化规律。研究表明,充分利用包气带的好氧、兼氧和厌氧环境,生物脱氮是地下水回灌过程中脱氮的主要途径。包气带对氨氮的去除机理主要为土壤对氨氮的吸附作用和微生物的降解作用。回灌过程中累积在土颗粒表面的氨氮在干期发生硝化作用,干湿交替会加强氮素在包气带的迁移转化,导致干期后的回灌初期大量硝态氮迁移到饱和带地下水中。     

Column test-based features analysis of clogging in artificial recharge of groundwater in Beijing

With the completion of South-North Water Transfer Project in China, plenty of high quality water will be transported to Beijing. To restore the groundwater level in Beijing, part of transferred water is planned to be used for artificial recharge. Clogging is an unavoidable challenge in the artificial recharge process. Therefore, a test is designed to analyse clogging duration and scope of influence and to test the reinjection properties of different recharge media. The test employs the self-designed sand column system with variable spacing and section monitoring, composed of four parts: Sand column, water-supply system, pressure-test system and flow-test system, to simulate the clogging of artificial recharge of sand and gravel pits. The hydraulic conductivity levels of all sand column sections are obtained to analyse the clogging of the injection of different concentrations in media of different particle sizes. In this experiment, two kinds of media are used–round gravel from sand and gravel pit in Xihuang village and the sand from sand and gravel pit by the Yongding River. The concentrations of recharge fluid are respectively 0.5 g/L and 1 g/L. The results show that clogging usually lasts for 20 hrs., and the hydraulic conductivity drops to the original 10%. Clogging usually occurs at 0–12 cm section of the sand column. The scope of influence is 0–60 cm. In column 3 and 4, whose average particle sizes are larger, section 20–50 cm also suffers from clogging, apart from section 0–12 cm. The effective recharge times are respectively 33 hrs. in column 1, 14 hrs. in column 2, 12 hrs. in column 3 and 12 hrs. in column 4. The larger the average particle size is, the quicker the clogging occurs. In media of larger particles, the change in suspension concentration does not have significant influence on the development of clogging. In conclusion, it is suggested that during artificial recharge, the conditions of reinjection medium should be fully considered and effective method of recharge be employed in order to improve effective recharge time.     

若尔盖高原典型泥炭湿地水量平衡计算

若尔盖泥炭湿地具有蓄水、固碳和生态的重要功能,其地下水水位变化决定泥炭湿地面积维持或萎缩,但是其泥炭湿地的地下水水文过程和水量动态变化缺少系统的野外监测和研究。结合红原站气象资料,并于2017年5月、7月和9月在若尔盖黑河上游泥炭湿地典型小流域开展野外原位监测,利用MODFLOW模型建立小流域三维动态地下水运动模型,模拟地下水运动过程并计算水量动态平衡变化以及沟道排水能力。结果表明:泥炭湿地的主要补水方式是降雨,占补水总量的60%,其主要出流方式是沟道排水,排水比例最高达到53%;其次是潜水蒸发,出流比例为26%。切穿泥炭层的沟道排水能力是未切穿泥炭层沟道的2.5倍。若尔盖泥炭地的地下水位受降雨影响呈现季节性波动,在雨季其涨幅约为0.5 m。     

Evaluation of scraping treatments to restore initial infiltration capacity of three artificial recharge projects in central Iran

 A limiting factor in developing artificial recharge of groundwater is clogging of the soil surface and consequent reduction of infiltration rates. In order to evaluate the degree of improving infiltration rates by scraping away various amounts of the upper soil materials, a study was conducted at three artificial recharge sites (Kohrouyeh, Bagh-Sorkh, and Kachak) in Isfahan Province, central Iran. Five treatments (T1–T5) were considered. Infiltration was measured: T1, on deposited sediment layer; T2, after removing the sediments; T3, scraping of sediments and 5 cm of soil; T4, scraping of sediments and 10 cm of soil; and T5, removing sediments and 15 cm of soil. Initial soil-moisture content of the sites ranged from 1.0–2.87% for Kohrouyeh, 1.18–3.47% for Bagh-Sorkh, and 1.89–3.93% for Kachak. The main texture of the soils was sandy loam. Clay particles have penetrated to a depth of more than 40 cm in some of the recharge basins. A significant increase in final infiltration rate of T5 as compared to T1 treatment was observed for all recharge sites. The final infiltration rates of T1 and T5 treatments for Kohrouyeh, Bagh-Sorkh, and Kachak sites were 0.35, 7.9; 1.22, 12.3; and 0.93, 6.2 cm/h, respectively. The differences between infiltration rates of T2, T3, and T4 treatments were not statistically significant. It is concluded that on average, the infiltration capacity of the untreated recharge facilities have reached 20.3% of the original values, and that scraping the top sediment layer and 15 cm of topsoil could restore 68.3% of the initial infiltration capacity. Received, July 1998 / Revised, April 1999, May 1999 / Accepted, June 1999