注水井回灌过程中堵塞问题的试验研究

采用砂柱在试验室内模拟井灌过程中注水井周围砂层的堵塞过程。通过测定渗透系数的变化来分析堵塞的程度,同时,通过测定水样悬浮物浓度(SS)、细菌数目、溶解氧(DO)、TOC等水质参数的变化来分析井灌过程中可能发生的物理、生物堵塞。试验分别采用平均粒径为0.59mm和0.34mm的两种砂样。试验结果分析表明：悬浮物颗粒填充砂粒介质空隙引起的机械堵塞和微生物积聚、繁殖堵塞介质空隙引起的生物堵塞是砂柱堵塞的主要原因;砂柱上部对悬浮物和微生物的过滤、吸附作用强,堵塞也更严重;介质粒径差异对堵塞过程和堵塞程度的影响明显,平均粒径较小的砂柱更容易发生堵塞,而平均粒径为059mm的砂柱渗透系数减小的持续时间长,渗透系数减小的幅度大。     

人工回灌过程中含水层堵塞试验研究

通过砂槽渗透试验对地下水人工回灌过程进行模拟,连续测算回灌水样的浊度、溶解氧、铁离子浓度等指标,以及回灌过程中不同时刻砂槽的渗透系数。结果表明:人工回灌过程中含水介质的堵塞包括物理堵塞、生物堵塞和化学堵塞,其中悬浮物颗粒的吸附造成含水介质孔隙度减小所引起的物理堵塞是主要堵塞类型;含水介质的渗透系数在回灌初期降幅较大,随着回灌时间的延长而趋于稳定;距离回灌井越近的地方,含水介质的渗透系数降幅越大,堵塞越严重。     

雨洪水回灌过程中堵塞滤层特征试验

采用室内砂柱试验模拟雨洪水回灌条件下含水层的堵塞过程,通过测定堵塞层的渗透系数和渗滤速率的变化分析回灌过程中的物理堵塞特征。试验结果显示,在回灌后36h,砂柱上部(25～40cm)的渗透系数明显减小,由初始的6.58m/d减小到3.72m/d,而中下部(40～70cm)的渗透系数变化很小,由初始的6.45m/d减小到5.25m/d;比较悬浮物质量浓度分别为50mg/L,100mg/L,200mg/L和400mg/L的回灌水回灌过程表明,悬浮物质量浓度越高,砂层的渗透速率下降越快;对比分析回灌前后的悬浮物颗分结果表明,回灌后的悬浮物(砂层表部淤泥层)出现细化现象;回灌过程中在砂柱表面形成的淤泥层和砂层上部的淤堵是整个含水层堵塞失效的主要原因。     

含水介质中生物堵塞模型的建立和检验

根据微生物生长、营养物质降解、孔隙度[CD*3]渗透系数理论,针对砂柱渗流试验的水动力和定解条件,建立了一维定流量回灌过程中含水介质中生物堵塞的数学模型,利用试验结果对模型进行检验。结果表明,数值模拟曲线与实测值吻合程度很高,说明建立的模型是可靠的,可以用来预测回灌过程中含水介质堵塞的发生和发展。     

不同浓度悬浮物颗粒在多孔介质中迁移特性研究

多孔介质中悬浮物迁移特性的研究,有利于减缓实际回灌工程中的堵塞问题,对地下水人工回灌技术的推广具有重要理论意义。采用室内砂柱试验,研究不同悬浮物浓度条件下多孔介质渗透性的变化、悬浮物颗粒在饱和多孔介质中的运移-沉积规律,并分析堵塞发生的机理。本次试验以中位粒径224.2μm的石英砂作为入渗介质并在砂柱中分别连续注入由中位粒径3.24μm的悬浮物颗粒配制而成的三组不同浓度溶液(100 mg·L~(-1)、300 mg·L~(-1)、500 mg·L~(-1))。研究结果表明,在不同的回灌浓度条件下,砂柱内均发生了表面-内部双重堵塞;且随着悬浮物溶液浓度的增加,悬浮颗粒在多孔介质内的迁移量减少,而滞留量却明显增多,但悬浮物浓度对沉积量的影响随着入渗深度的增加而减小;堵塞速率也会随着回灌液浓度的增加而加快;在回灌的初始阶段,多孔介质的渗透性随时间下降幅度很大,随着试验的进行,最终会趋于稳定状态,且越靠近砂柱表层,悬浮物堵塞的程度越为严重。在实际的人工回灌工程中,要尽可能降低回灌液中悬浮物颗粒的浓度,以降低堵塞的风险,保证回灌工程更为长久地运行。     

典型砂介质含水层渗透系数盐度效应研究

渗透系数是计算含水层出水量、水库渗透量,以及溶质迁移规律研究等不可或缺的重要水文地质参数。为探究地下水盐度变化大地区渗透系数的盐度效应,以粗、中、细3种典型砂介质为研究对象,配制不同盐度的NaCl溶液,采用室内常水头试验,定量分析了盐度变化对砂介质渗透系数的影响。结果表明:(1)地下水盐度小于10 g/L时,盐度变化不会引起砂介质渗透系数明显改变;盐度大于10 g/L时,渗透系数随着盐度的增大而减小。(2)盐度变化引起地下水运动黏度变化是砂介质渗透系数产生盐度效应的原因。(3)对于不同粒径的砂介质,粗砂介质渗透系数的盐度效应最明显,中砂次之,细砂最小。     

砂土体微生物固结的微观及力学特性研究

渗漏和坡岸崩塌是水利工程中常见病害,直接威胁工程运行安全。通过对4种不同粒径砂柱进行生物固结试验表明,生物固结方法能快速大幅度降低多孔介质渗透性,粒径较大的砂柱内部具有良好的营养物质输送通道,渗透系数下降速率相对较高。剪切试验结果表明,经生物固结处理后砂柱的抗剪强度有了明显提升,但未发现强度变化与砂样粒径之间存在任何明显的内在联系。由此可见,砂样强度的提高与钙质沉积的个体差异有关,同时强度的提高不仅和钙质沉积量有关,也与砂粒之间的胶结形式相关。微观研究结果表明,小粒径砂柱与大粒径砂柱内部钙质沉积形式有着显著差异,相对小粒径砂柱而言,钙质沉积在大粒径砂柱表面的分布较为凌乱,并非均匀附着。EDS能谱仪分析结果表明,砂柱内部固结物质主要成分为碳酸钙,并附有少量其他杂质。     

砂柱微生物堵塞过程及机理分析

采集青岛市大沽河下游潜水含水层的砂样为代表性含水介质,测定样品的组成和性质。设计渗流试验,考察介质不同渗流段渗透性的动态变化。利用PCR和DGGE技术鉴定了造成含水介质堵塞的微生物优势菌群,分析了不同渗流段微生物对营养物和氧的利用情况,探讨了含水介质微生物堵塞过程及机理。研究结果表明,生物堵塞程度随着渗流距离的增加而减缓,含水介质的渗透性呈现明显的非均质性。微生物经过短暂的适应期,快速进入生长、繁殖阶段,含水介质微生物堵塞迅速形成;造成含水介质微生物堵塞的优势菌群为甲基杆菌属(Methylobacterium)、紫色杆菌属(Janthinobacterium)、耶尔森菌属(Yersinia)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、食酸菌属(Acidovorax)。其中,甲基杆菌属、紫色杆菌属、葡萄球菌属和食酸菌属均为产黏细菌(Myxobacterium);含水介质中存在微生物的繁衍、代谢等生命活动。进水营养液为好氧微生物的生长、繁殖提供了充足的氧气,好氧细菌生长旺盛,并大量分泌胞外聚合物,导致进水段微生物堵塞程度最严重。     

孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞影响的试验研究

地下水人工回灌是增加地下水补给量的有效手段,颗粒堵塞是影响地下水回灌效率的主要因素,介质孔隙结构是颗粒堵塞发生发展的直接影响因素。为了研究孔隙结构如何对地下水回灌颗粒堵塞产生影响,基于地下水回灌工程实际,设计并搭建了一维砂柱物理模型,通过玻璃珠介质和石英砂介质的对比试验,研究了介质孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞的影响。定量表达并分析了孔隙结构对颗粒运动过程和颗粒堵塞发生发展的影响。对试验现象进行了定量描述和理论推导,分析总结了地下水回灌试验过程中的颗粒运动规律及颗粒堵塞机理。研究表明,地下水回灌过程中介质孔隙结构越不规则,颗粒堵塞发展越快、发展程度越高、影响范围越大。本研究为地下水人工回灌等提供了一定介质孔隙结构对颗粒堵塞影响方面的理论参考。     

松散堆积物坝基渗透淤堵试验及颗粒流模拟

对西藏山南地区水库坝基材料进行渗透淤堵室内试验及颗粒流数值模拟，从宏观到细观的角度研究了坝基松散介质渗透淤堵的过程。室内试验采用自制的渗透淤堵装置，分别对不添加淤堵材料及添加粒径为0.075～0.5 mm、0.5～1 mm淤堵材料的试样进行渗透淤堵试验，并监测试样的流速及渗透系数。试验结果表明：(1)添加粒径为0.5～1 mm淤堵材料的试样流速降低速率较快，达到稳定后的流速值较低；(2)两种淤堵材料均可达到淤堵效果，添加粒径为0.5～1 mm淤堵材料的试样渗透系数降低较快，淤堵颗粒流失量较小。数值模拟记录了淤堵过程中流速、渗透系数及孔隙率的变化情况，并监测了淤堵颗粒中单个颗粒运动速度及位置的动态变化过程。计算结果显示：(1)随着时步增加，模型试样的孔隙率逐渐降低，添加粒径为0.5～1 mm淤堵材料的试样的流速降低相对较快且淤堵颗粒流失量较少；(2)对于无淤堵材料的试样渗透系数变化曲线随时步迅速收敛，而对于添加了两种淤堵材料的试样渗透系数变化曲线随时步呈递减趋势，并最终趋于稳定，透水性能降低，产生淤堵效应；(3)在渗透淤堵过程中淤堵颗粒的运动具有随机性。数值模拟结果与室内模拟试验所得的结果基本一致。     

Potential Clogging and Dissolution Effects During Artificial Recharge of Groundwater Using Potable Water

To avoid the water quality deterioration that are caused by artificial recharge (AR) of groundwater, potable drinking water has been used as one of the source water for AR to control the side effects caused by the over-exploitation of groundwater. Chemical clogging problems can still be caused by certain chemical components, especially Fe and Al, and a lower concentration of these elements can cause a notable decrease in hydraulic conductivity at the top layer of the infiltration medium. Some components in AR source water can be obstructed by the clogging layer, leading to a change in water quality. The accumulation of total suspended solids (TSS) at the clogging layer can cause physical clogging and worsen the degree of chemical clogging. Although clogging and the related change in water quality were the dominant issues that affect the infiltration rate and health risks during the AR process, the dissolution of the aquifer matrix should also be taken into account. This dissolution contributed to not only the hydraulic conductivity of the infiltration medium but also the potential change in water quality during the aquifer recharge, storage and recovery processes.     

泡沫塑料滤层的雨洪入渗物理淤堵模拟试验研究

泡沫塑料是一种新型滤层材料,在海绵城市入渗系统中具有较好的应用前景,迄今仍存在不同雨洪悬浮物特征下滤层规格的选取以及淤堵之后如何维护等疑难问题。针对雨洪悬浮物淤堵问题,通过在典型场地取样调查分析,得出研究区域雨洪悬浮物粒径级配及浓度范围,采用室内试验来模拟泡沫塑料滤层的物理淤堵过程。将雨洪颗粒划分为5个粒组,分别制备悬浮物溶液,系统开展了滤层入渗模拟试验,建议了滤层选型原则。即对于粒径[0.1,0.25) mm以及<0.1 mm的细颗粒,与其相对应的具有最佳截留效果的滤层规格分别为80 ppi和100 ppi。采用组合级配悬浮物颗粒制备不同浓度的悬浮物溶液,针对两种规格的滤层,开展了入渗模拟试验,获得了泡沫塑料滤层渗透系数下降速度随悬浮液浓度的变化规律。即相同滤层孔径下,雨洪悬浮物浓度越高,滤层淤堵速度越快;相同悬浮物浓度下,滤层孔径越小,淤堵速率越快。滤出液浊度的分析结果也证明了渗透系数的变化规律。     

近松散层突水涌砂诱发的沉降试验研究

针对近松散层突水、涌砂诱发的沉降问题,设计了一套可以改变涌口直径模拟砂、水涌出的可视化试验装置,对粒径0.075 mm~2 mm标准砂、5 mm~10 mm粗砂构成的砂体,在不同涌口尺寸及不同水力比降下突水、涌砂诱发的沉降规律进行了研究。试验结果表明:细颗粒含量87%、粗颗粒含量13%组成的砂体,当涌口直径大于8 mm时,砂体会发生沉降;继续增大涌口直径,大于16 mm后,砂体会发生溃砂;细颗粒含量60%、粗颗粒含量40%组成的砂体,当水力比降为3.5时,砂体会发生溃砂;当水力比降在6.0~7.5时,细颗粒在渗流力的作用下会在涌口上方形成土拱和滤层,阻止颗粒流失,砂体不会发生沉降。砂体发生沉降时,沉降影响半径和沉降中心深度与涌口直径和水力比降呈线性关系。     

粗粒土淤堵模式判别及最优淤堵粒径区间确定

以高原水库坝基松散介质为研究对象，对粒径区间为8~16 mm、4~8 mm、2~4 mm、1~2 mm及0.5~1 mm的5种样品进行了室内淤堵模拟试验。依据试验结果，提出表层堆积淤堵、内部堵塞以及不淤堵等3种模式，其中内部堵塞又分为内部部分孔隙堵塞和表面-内部双重淤堵两种类型，且以表层-内部双重淤堵模式下产生的淤堵效果最佳；得出两种粗粒土淤堵模式的判别方法；提出了“特征孔径”的概念，并结合有效孔隙直径判别法，得出5组不同粒径区间材料的特征孔径，将产生表层-内部双重淤堵模式下的粒径区间作为最优淤堵粒径区间，与室内试验中淤堵效果最佳的添加颗粒粒径区间对比，结果较吻合，说明有效孔隙直径判别法可直接确定产生最佳淤堵效果的颗粒粒径，为选取不同粒径区间下的淤堵颗粒提供了依据。     

河流潜流带渗透系数变化研究进展

介绍了河流潜流带的含义,即是河水与地下水发生物质能量交换的区域,其水力联系和交换水量大小受河床沉积物渗透系数的影响。对近年来国内外学者对河床潜流带渗透系数变化进行了大量研究。由于特殊的环境与水文地质条件,潜流带渗透系数的大小不仅取决于沉积物孔隙大小和孔隙的连通性,而且与生物扰动、河流流水等作用紧密相关:洪水带来的细小颗粒引起河床表面沉积物孔隙淤塞,致使渗透系数减小,但在洪水退后,潜流带的水文交换和生物扰动能破坏淤塞层,从而引起反淤塞作用,造成河床渗透系数增大。因此,淤塞-反淤塞作用改变着河床的渗透性能。最后,指出存在的问题今后的研究方向。     

黄河水滴灌系统灌水器结构-泥沙淤积-堵塞行为的相关关系研究

传统的黄河水沉淀-过滤系统存在沉沙池建设成本高、过滤器频繁反冲洗能耗高等问题,让更多的细颗粒泥沙随水流排出灌水器体外是解决黄河水滴灌系统灌水器堵塞的新思路,而摸清泥沙在黄河水滴灌系统内部的淤积特性以及灌水器结构-淤积泥沙特性-堵塞特性参数间的相关关系是探索其排沙能力的前提和基础。为此,本文在河套灌区开展了黄河水滴灌系统灌水器堵塞原位试验,系统分析了6种内镶贴片式灌水器内部细颗粒泥沙含量及粒径分布动态变化特征,探索了三者间的级联关系。结果表明：进入灌水器内部的泥沙99%以上可以排出体外,淤积在灌水器内部的泥沙以粉粒为主、砂粒次之、黏粒最少。随着灌水器堵塞加剧,内部淤积泥沙的黏粒、粉粒比例相对降低,而砂粒比例相对增加,泥沙进入灌水器后存在聚集等行为,使得灌水器内部淤积泥沙粒径明显高于毛管入口。泥沙比表面积淤积量、粉粒比例、砂粒比例、D₅₀、D₉₅对黄河水滴灌系统Dra、克里斯琴森均匀系数CU影响显著（p<0.05）,不同灌水器淤积泥沙粒径明显不同,D₅₀与灌水器结构无量纲参数（流道宽深比W/D、面积长度比A^1/2/L）及断面平均流速v显著（p<0.05）相关。本研究对引黄滴灌灌水器设计及灌溉系统过滤配置具有指导意义。     

地下水人工回灌颗粒沉积研究进展

颗粒堵塞是影响地下水人工回灌效率的主要因素,揭示地下水人工回灌过程中引起颗粒堵塞发生发展的颗粒沉积机理规律,为减少回灌堵塞、提高回灌效率的研究提供技术支撑。对已有关于回灌颗粒堵塞现象和颗粒沉积理论机制的研究进行了综述。结果表明：现阶段相关研究不能定量地观测颗粒堵塞的微观物理过程,颗粒堵塞机理与颗粒堵塞现象间的内在联系不完全清楚,跨尺度耦合研究不充分。