含水层物理堵塞的回灌试验与数值模拟
以雨洪水作为回灌水源，人工补给地下含水层是调节和控制地下水储量的有效措施。然而，回灌过程中产生的堵塞问题（特别是物理堵塞），将严重影响回灌效果，限制回灌工程的使用和推广。 本文借助室内模拟试验系统研究了定水头回灌条件下雨洪水中所含悬浮颗粒对含水层堵塞的影响机理，着重研究了回灌液悬浮物浓度和水动力条件对回灌堵塞发生及发展过程的影响。此外，本文就悬浮颗粒在介质中的运移-沉积过程建立数学模型，以此来预测物理堵塞的发生和发展过程。该模型综合考虑了悬浮颗粒在多孔介质中的吸附-脱附作用，并结合其对介质孔隙度的影响，得到介质渗透系数的变化。同时，利用此数学模型，结合青岛市大沽河流域地下含水层的实际回灌条件，对该区域地表漫灌和井灌注水过程中含水层的物理堵塞开展预测。研究得出以下几点结论: (1)在垂直入渗回灌条件下，含水层的物理堵塞现象均呈现“在回灌初期，砂柱相对渗透系数K’下降幅度较大；随着回灌的进行，K’下降幅度减小并趋于稳定”的规律。 (2)回灌液悬浮物浓度是影响含水介质堵塞程度的重要因素。悬浊液浓度增大，则堵塞越严重。悬浮颗粒首先沉积在砂柱的表层，这在一定程度上抑制了悬浮颗粒的向下迁移，所以回灌对深部砂层渗透性影响较弱。通过不同悬浮物浓度回灌试验，当悬浮物浓度为25、100、200mg/L时，回灌100h后，砂柱表层OB段（0~11cm）的相对渗透K’分别降为0.75、0.32和0.12，整个砂柱K’分别变为0.85、0.66和0.56。 (3)回灌过程中的渗流速度影响堵塞程度。流速越大，流体对悬浮颗粒的剪切力越大，颗粒越容易从孔隙壁上被“剥离”，悬浮颗粒运移深度增加，造成柱体内部的渗透性减弱。在不同的流速条件下，表层相对渗透系数K’变化趋势基本相同，最终都降到0.10左右；当水头差为40.00cm和105.00cm时，回灌结束后CF段（19~34cm）K’分别稳定在0.44和0.54,整个砂柱K’降为初始的61％和55%。 (4)悬浮颗粒在介质中的吸附-脱附是动态变化的，受渗流速度的影响。当流速较小时，颗粒只发生吸附作用；随着流速的增大，颗粒开始逐渐从介质表面脱落，此刻吸附和脱附现象并存。颗粒的吸附和脱附造成了颗粒的运移和沉积，使得介质孔隙体积减小导致堵塞。可以通过实验测定颗粒吸附系数、脱附系数与渗流速度之间的函数关系，以此来表征其动态变化过程。 (5)基于悬浮颗粒的吸附-脱附现象，建立颗粒在介质中的运移-沉积模型，可以对回灌过程中含水介质的物理堵塞现象进行定量描述，预测在不同回灌条件下的堵塞程度。通过模型敏感度分析可以得知回灌液中悬浮颗粒的浓度是影响堵塞程度的最重要因素。 (6)结合研究区实际场地条件和回灌水源水质特征，利用物理堵塞模型，并耦合地表漫灌和潜水井灌过程中的地下水渗流模型，可以预测含水层的物理堵塞情况。预测结果表明无论是丰水期还是枯水期，物理堵塞主要发生在靠近回灌池底的表层含水层（漫灌）以及注水井壁10cm范围内含水层（井灌）。 (7)对回灌水源进行预处理（如通过过滤滤除部分悬浮颗粒，以降低回灌水中悬浮物浓度）是预防含水层物理堵塞的主要措施。针对不同的回灌方式，可以采取不同的堵塞治理手段，如对回灌池底进行周期性的清淤（漫灌），对回灌井进行周期性的反冲刷（井灌）。
地下含水层;物理堵塞;回灌试验;数值模拟;渗透系数
中国海洋大学
硕士
环境工程
郑西来
2013
中文
P641.25;X143
77
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）