地下水人工回灌物理堵塞特征及机理试验分析

黄修东; 李伟; 孙世霞; Xiu-dong HUANG; Wei LI; Shi-xia SUN

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 23-25,30.

水环境与水生态

地下水人工回灌物理堵塞特征及机理试验分析

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Experimental Research on the Characteristics and Mechanism of Clogging during Artificial Groundwater Recharge

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摘要

通过砂柱试验模拟了填砾石滤料雨洪水地下水人工回灌过程，通过3组对比试验分析了砾石滤料的厚度和砾石的粒径对物理堵塞控制效果的影响。试验结果表明，砾石反滤层能够在很大程度上去除回灌水中的悬浮物，进而起到控制堵塞，提高补给效率的作用。砾石反滤层的厚度和粒径选择对堵塞的控制效果起到关键作用，反滤层厚度越大，对堵塞的控制效果越好。反滤层对回灌水悬浮物的去除作用是有限的，而且随着时间的延长，到达反滤层和砂样界面的悬浮物浓度变大，因此反滤层并不能完全避免堵塞的发生，必须定期对反滤层底部的淤泥层进行处理。

Abstract

The gravel filter effects on suspended matters and the control effect on clogging are analyzed by using storm water gravel infiltration column experiments. Three groups of contrast experiments are used to analyze the influence on controlling clogging of the gravel thickness and the gravel particle difference.The results show that gravel filter plays an important role in controlling clogging and improving recharge efficiency by the great removal ability on the suspended matters in the recharge water. The choices of the thickness and the particle size of the gravel filter played important roles in control effect on clogging， which is manifested as the thicker the graver filter， the better control effect.

关键词

人工回灌 / 雨洪水 / 反滤层 / 悬浮物 / 物理堵塞 / 出流速率

Key words

artificial recharge / inverted filter / storm water / suspended matters / physical clogging / outflow rate

基金

水利部公益性行业科研专项项目(201301089)

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黄修东 , 李伟 , 孙世霞. 地下水人工回灌物理堵塞特征及机理试验分析[J].中国农村水利水电, 2021(3): 23-25,30

Xiu-dong HUANG , Wei LI , Shi-xia SUN. Experimental Research on the Characteristics and Mechanism of Clogging during Artificial Groundwater Recharge[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 23-25,30

在我国北方地区，由于超采地下水形成了大面积疏干水位降落漏斗，增加了地下储水空间，利用地下储水空间回灌雨洪资源将是地表水利工程调蓄雨洪资源的重要补充措施之一，在我国具有广阔的应用前景^［1，2］。然而，雨洪水回灌过程中的堵塞问题会导致土壤的输水能力减小，从而直接影响回灌工程的入渗效率和使用寿命。郑西来、单蓓蓓等采用土柱渗流试验，模拟人工回灌过程中含水层的物理堵塞过程，发现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，造成不同程度的堵塞现象，另外，随着进-出水面的水头差ΔH的增加，物理堵塞深度和程度加大^［3，4］。李鹏，邢国章采用北京市地下水回灌场地实际地层的土体，开展室内土柱模拟试验，结果表明悬浮物堵塞会引起土柱渗透系数大幅衰减；悬浮物堵塞主要发生在回灌场地表层，在试验柱内可分为两层，表层为严重堵塞区，最深达12 cm，下层为堵塞影响区，深度可达65 cm^［5］。因此，预防和控制回灌过程中因悬浮物造成的物理堵塞是提高雨洪回灌系统补给效率的关键，而其中比较高效实用、也是实践中常用的方法是利用快速砂过滤器工作原理，在入渗土壤的表面加上有粗砂或砾石组成的反滤层^［1，6］，通过粗砂或砾石对回灌雨洪水悬浮物的过滤去除作用，降低到达滤料和土壤表面的回灌水悬浮物的浓度，控制堵塞，提高回灌效率。本次研究通过砂柱试验模拟了实践中常用的雨洪水反滤回灌系统，分析填砾石滤料反滤回灌的物理堵塞特征和堵塞机理，并与无滤料回灌砂柱试验的渗流特征进行对比分析。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置

本次研究采用的试验砂柱由自行设计的无色有机玻璃制作而成，砂柱内径为15 cm，试验装置示意图如图1所示。砂柱下部填充砂样来模拟入渗含水层，在砂样上部填充了一定深度的砾石作为反滤层。砂柱下部的一侧每隔10 cm布设4个测压管，分别位于距砂样顶部10、25、40和70 cm处，测压管直径为3 mm，砂柱上部每隔10 cm布设共4个溢流口。试验采用蠕动泵抽取回灌水对砂柱定水头供水。试验开始后，每隔12 h，在砂柱上部填砾石滤料部分由上至下每隔10 cm处取水样测定悬浮物浓度。当每组试验出流速率降低到出流速率峰值的1/10时，停止该组试验。

图1 试验装置示意图

Fig.1 A schematic representation of the sand column

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1.2 试验材料

雨洪水回灌场地的选择涉及到地区水文地质条件、蓄水水源条件、取水条件、地下水补给条件等各个方面^{［2，7，8］}，而其中非常关键的一个方面是回灌场地包气带土壤的渗透性，包气带土壤的渗透性对回灌水的补给能力影响显著，当土壤渗透性为较低的黏土时，地表渗滤系统的渗透性能很差，一般认为，当包气带土壤的饱和渗透系数小于1×10^-5cm/s时，该土壤层不适于自然渗滤^{［3，9，10］}。考虑以上因素，同时结合试验室的试验条件，本次试验采用D ₅₀=0.29 mm的细砂填充砂柱，饱和渗透系数6.75 m/d，砂样的颗粒级配曲线如图2所示，在填充介质时，均匀撒落，分层装填，并进行逐层压密，填砂深度为90 cm。在砂样上部填充了一定深度的砾石作为反滤层，试验分别采用砂砾石粒径d ₅₀=13 mm和d ₅₀=9 mm的两种粗细不同的均质滤料砾石作为反滤层滤料，填充砂砾石的厚度分别为40和60 cm。

图2 填充砂样粒径分布曲线

Fig.2 Grading Curve of the medium sand

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1.3 回灌水

回灌雨洪水在试验室里由人工配制，配制方法是将取自某滞洪区的雨洪水沉积物在烘箱干燥后压碎，通过300 μm过滤网过滤后，加入自来水中搅拌，混合均匀而成，采用全自动激光粒度分析仪测定了回灌水悬浮物的粒径分布曲线，回灌水悬浮物粒径分布范围0~220 μm，d ₅₀为24 μm，这一粒径分布情况具有雨洪水悬浮物粒径分布的典型特征^［10］。

1.4 实验分组

根据填充砾石粒径粗细、反滤层厚度的不同，试验共分为4组，如表1所示，其中第一组试验模拟无反滤层回灌，其余3组为有反滤层试验，回灌水悬浮物浓度均为200 mg/L。每组试验持续的时间也列于表1中。

表1 填滤料雨洪渗滤试验分组表

Tab.1 Grouping table of rain flood infiltration test for filter materials

试验组次	砂样高度/ cm	反滤层厚/ cm	反滤层滤料粒径/mm	持续时间/ h
1	90	无反滤层		192
2	90	40	13	372
3	90	60	13	456
4	90	60	9	624

2 堵塞和渗流过程分析

2.1 反滤层对悬浮物的去除作用

图3为第2组试验砂柱上部砾石滤料层在回灌前和回灌后第3天照片，从照片可以看出，随回灌时间的延长，悬浮物附着在砾石上，并且随时间越积越多，说明了反滤层对回灌水中的悬浮物具有明显的滤除作用。图4为第1组回灌试验结束后采用全自动激光粒度分析仪测得的淤泥层粒径分布曲线，从图中可以看出，淤泥层粒径组成较回灌雨洪水中悬浮物颗粒变细了，淤泥层d ₅₀仅为9 μm，而回灌水中悬浮物粒径分布为23 μm，这说明了回灌水悬浮物中较细的颗粒更容易穿过砾石层到达砾石层和砂样的界面上形成淤泥层，而由于组成淤泥层的悬浮物颗粒更小，形成的淤泥层的渗透性也更小。图5为第2组试验不同时刻悬浮物浓度随砂柱位置变化曲线，从图5中可以看出，由于砾石滤层对悬浮物的过滤和吸附作用，取样口水样悬浮物浓度随入渗距离的加深逐渐减小，而随着回灌时间的延长悬浮物浓度均有较明显的增加趋势，并不是回灌水中所有的悬浮物都能够被反滤层的砾石所截留，一方面一部分很细的悬浮物颗粒能够穿过砂砾石的空隙向下移动，另一方面，附着在砾石颗粒表面的悬浮物颗粒并不牢固，在颗粒吸附的同时，已经吸附于滤料上的颗粒还有被“剥离”的趋势^［11］，经过360 h的回灌，反滤层对回灌水中悬浮物的去除率约为66%。在这两方面因素的共同作用下，悬浮物逐渐沉积在砂样与砾石层的接触面上，随回灌时间的延长逐渐增多，最终在接触面上形成致密的淤泥层，而且淤泥层的厚度越来越厚。因此，在实际回灌过程中，必须定期清理反滤层底部形成的淤泥层，保证回灌的正常进行。

图3 砾石滤料附着回灌水悬浮物颗粒照片

Fig.3 Photos of suspended matter particles attached to gravel filter material

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图4 回灌前后淤泥层悬浮物粒径分布曲线

Fig.4 Particle size distribution curve of suspended solids in silt layer before and after recharge

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图5 第2组试验不同位置悬浮物浓度随时间变化曲线

Fig.5 Curves of suspended solids concentration with time at different positions in the second group

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2.2 渗流变化特征分析

2.2.1 无滤料和有滤料出流速率变化比较

由于砾石滤料对回灌水悬浮物的去除作用，使堵塞的程度得到有效地减弱，图6为表中第1组试验与第2组试验出流速率随时间的变化对比曲线，从图6中可以看出，有滤层试验的出流速率在回灌的前228 h都明显大于无滤层试验，对于无反滤层试验，出流速率在回灌的第24 h就开始大幅降低，下降曲线非常陡峭，经过192 h的回灌，出流速率减小为不到1 m/d，而对于有滤层试验，在回灌的第60 h后，出流速率开始明显的较低，相对于无滤料试验，下降的曲线也要平缓的多，到第324 h，出流速率减小为1 m/d。图5中出流速率随时间变化曲线和两个坐标轴围成的图形的面积可以近似认为是回灌过程中的回灌量，从图中可以看出，由于填滤料试验在相对较长的时间内保持很高的出流速率，导致其回灌水量要大于无滤料试验约3.7倍，显著提高了回灌效率。砾石层对回灌水悬浮物在回灌的前期去除能力最佳，进入砂样和砾石层界面的悬浮物较少，而随着回灌的进行，进入砂样和滤料接触面的悬浮物颗粒越来越多，堵塞也越来越严重，出流速率降低速率也明显加快。

图6 出流速率随时间变化曲线

Fig.6 The curves of the outflow changed with time

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2.2.2 砾石粒径和回灌水深对渗滤速率的影响

图7为3组有滤层试验出流速率随时间变化曲线，由图7可以看出，同无滤料试验一样，回灌开始后，由于含水率升高，导水率迅速增大，导致出流速率迅速增大到峰值，之后，3组试验出流速率均随随时间逐渐减小，分别经过564、456和372 h的回灌，第2组、3组和4组试验渗滤速率均由最高点的11 m/d左右减小到不足1 m/d。3组试验出流速率减小的速率和幅度有较大差异，平均粒径为9 mm，反滤层厚度为60 cm的第4组试验堵塞程度最轻，出流速率减小的曲线最为平缓，因此回灌量也最大，而粒径为13 mm，反滤层厚度为40 mm的第2组试验出流速率减小的曲线最为陡峭，堵塞程度最为严重，3组试验的回灌水量比值为1∶1.2∶2.5，堵塞程度的这种差异是由反滤层对回灌水悬浮物的去除作用造成的，滤料粒径较细、厚度较大的第4组试验对回灌水悬浮物浓度去除效果最强，进入砾石层和砂样交界面的悬浮物颗粒最少，堵塞程度也就最轻，相反第2组试验砾石层滤料粒径大，厚度小，堵塞就最为严重。

图7 有滤层3组试验出流速率随时间变化曲线

Fig.7 The curves of the outflow changed with time

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3 结论

填砾石反滤层的雨洪水回灌试验结果表明，砾石反滤层能够在很大程度上去除回灌水中的悬浮物，进而起到控制堵塞，提高补给效率的作用，本次实验中经过360 h的回灌，反滤层对回灌水中悬浮物的去除率约为66%，导致其回灌水量要大于无滤料试验约3.7倍，显著提高了回灌效率。但是反滤层对回灌水悬浮物的去除作用是有限的，而且随着时间的延长，到达反滤层和砂样界面的悬浮物浓度变大，因此反滤层并不能完全避免堵塞的发生。砾石反滤层的厚度和粒径选择对堵塞的控制效果起到关键作用，本次设计的3组反滤层回灌试验的回灌水量比值为1∶1.2∶2.5，平均粒径为9 mm，反滤层厚度为60 cm的回灌效果最好。因此粒径相对较小、反滤层厚度较大的反滤层对堵塞的控制效果越好。

下一步将在室内试验的基础上开展堵塞问题的野外试验研究，从人工回灌的工程选址、回灌设施的结构设计、回灌过程的工艺条件控制和回灌水源的水质预处理标准等多个层面，研究堵塞预防的有效方法。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2020-05-20	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

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