人工回灌过程中含水介质物理堵塞的试验研究

第43卷第lo期2013年10月中国海洋大学学报PERl0DICAL0FO(2EANUNIVERSITYOFCHINA43(10)：097～1010ct．，2013人工回灌过程中含水介质物理堵塞的试验研究+单蓓蓓1，郑西来1’2“，乔振基3，兰旭世3(中国海洋大学1．环境科学与工程学院；2．海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；3．山东省即墨市水利局山东即墨266200)摘要：采用土柱渗流试验，模拟人工回灌过程中含水层的物理堵塞过程。通过测定回灌过程中含水介质渗透系数的时一空变化，系统分析和评价回灌液悬浮物浓度和水动力条件对堵塞的影响，并探讨含水介质的物理堵塞机理。研究表明，随着回灌液中悬浮物浓度的增大，悬浮物首先在含水介质的表层沉积，当悬浮物浓度为50、100、200mg／L时，回灌结束后砂柱表层介质的渗透系数分别降至初始的21％、13％和4％，表明表层发生了不同程度的堵塞现象；悬浮物浓度的大小对深部介质的渗透性影响较弱。另外，当进一出水面的水头差△H较小(即水力坡度较fl-,)时，物理堵塞主要发生在砂柱表层，当△H为19．25cm时，回灌结束后表层渗透系数降为初始的7％；随着△H的增大，物理堵塞深度和程度越大，当△H为48．64cm时，19～34em深度砂层渗透系数变成初始的60％。关键词：人工回灌；悬浮物浓度；水动力条件；物理堵塞中图法分类号：P641．25；P641．69文献标志码：A文章编号：1672—5174(2013)10—097—05目前，我国面临着城市化的快速发展，城市地下水资源短缺问题也日益突出。针对这一问题，人们逐渐认识到以雨洪水、地表水体补给地下水是改善缺水现状、提高水资源利用率、建立节约型社会的重要手段和有效方法。按回灌形式，人工回灌可分为地表回灌(漫灌、沟灌等)、井灌和河床渗滤回灌。然而，任何一种人工回灌方式都会遇到回灌设施或回灌地层堵塞的问题。含水层堵塞问题是制约地下水回灌效率的关键因素，堵塞的发生会造成回灌速率急剧下降，并减少回灌设施的工作寿命。回灌堵塞一般分为3种：物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞[1。2]，其中悬浮颗粒造成的物理堵塞是注水井和地表回灌系统的最常见堵塞类型[3]。造成堵塞的悬浮物包括回灌水中携带的固体颗粒和含水层释放的粘土颗粒[4‘5]，按照粒径大小可分为胶体(<1肛m)、中间颗粒(1～30扯m)和大颗粒(>30肛m)。根据悬浮颗粒在多孔介质中积聚的部位，可将物理堵塞分为表层堵塞和深部堵塞[6]。目前，对人工回灌堵塞问题的研究主要有野外试验和室内模拟试验方法。由于野外条件的复杂性以及试验条件的不确定性，室内模拟试验被广泛采用。其中，砂柱和砂槽试验是最常用、最直接、最有效的方法[7]。李璐等[8]通过砂槽渗透试验发现，悬浮颗粒的吸附造成含水介质孑L隙度减小，从而引起物理堵塞；黄修东等[9]利用室内土柱实验来模拟井灌过程中砂层的堵塞现象。研究表明，由于悬浮物的过滤、吸附作用，砂柱表层堵塞比深部更严重；DonaldsonEl0]用含有硅胶颗粒的溶液进行岩芯渗透实验，发现最初悬浮颗粒会通过岩芯中的较大孔隙通道，然后产生沉降、拦截、表面沉积等作用，造成岩芯表层堵塞，严重影响颗粒的迁移；Lakshmi等[11]发现，在定水头试验条件下，含水介质渗透性下降比定流量时更快；Zamani等[12]发现，悬浮颗粒沉积会改变介质孔隙形态特征，使得介质孔隙度和局部压力梯度发生变化，导致介质渗透性下降。本文仅考虑由悬浮颗粒在多孔介质中迁移一沉积造成的含水介质堵塞现象。通过自己设计和加工试验装置，进行土柱渗流模拟试验，采用分层测定渗透系数的方法，来表征堵塞造成的含水介质非均质性；同时，系统研究回灌液中悬浮颗粒浓度和水动力条件等关键因素对介质物理堵塞的影响。这对于深入研究地下水含水层物理堵塞的机理，具有重要的科学意义和应用价值，同时对开展实际回灌工程(特别是地表人渗回灌)具有一定的理论指导意义。1试验装置和方法1．1试验装置土柱模拟试验装置主要由有机玻璃柱、定水头装置、蠕动泵、供水箱组成。有机玻璃柱高度为100C1TI，内径为11cm，柱体一侧自上而下共设有15个测压孔。*基金项目：国家水利部公益性项目(201001075)；国家自然科学基金项目(41172209)；国家科技支撑计划项目(2012BABl2800)资助收稿日期：2012—0829；修订日期：201209—27作者简介：单蓓蓓(1989一)，女，硕士生，现从事地下水资源保护与水污染防治研究。E-mail：sbbl989@163．corn**通讯作者：E-mail：zhxilai@OUC．edu．cn万方数据中国海洋大学学报试验装置如图1所示。(1一回灌液；2—搅拌器；3-蠕动泵；4一溢流口；5-进水口；6一测压孔；7，8一上，下游