地下水人工回灌颗粒沉积特征试验——基于回灌水温度与颗粒电荷影响

分析地下水人工回灌过程中颗粒的沉积特征以及影响沉积的多种因素,搭建地下水回灌物理试验系统和颗粒沉积过程CT扫描检测系统,在此基础上构建与地下水回灌试验系统内砂柱对应的数值模型,用于分析回灌水温度、回灌颗粒电荷和回灌水头对颗粒沉积的影响权重,从而将回灌水温度和回灌颗粒电荷与回灌水头纳入同一评价体系中。结果表明:对于地下水人工回灌过程中颗粒沉积来说,回灌水头影响最大,回灌水温度的影响不可忽视,在地下水源热泵等水温变化幅度较大的工程场景中,回灌水温度的影响超过了回灌水头,回灌颗粒电荷的影响较小。研究成果拓宽了对地下水回灌颗粒堵塞和颗粒沉积影响因素的认知,有利于在地下水回灌工程的设计和运行过程中合理规避颗粒堵塞的影响。

人工回灌水-岩接触面微生物膜效应研究

人工回灌是解决地下水超采问题的有效措施之一。在回灌过程中,由于回灌水源和目标含水层存在明显的物理、化学和生物梯度,导致水-岩接触面上发生强烈且复杂的生物地球化学反应,进而在回灌过程中引起含水层的堵塞。目前,学界对含水层微生物堵塞的研究主要集中在介质内部,而对回灌水和介质(水-岩)接触面上微生物膜的形成规律及其对介质渗透性影响的定量研究则相对缺乏。文章选取山东省青岛市大沽河下游地下水源地为研究区,开展回灌模拟试验。分析水-岩接触面上细菌的生长规律及其分泌胞外聚合物特征,解析微生物膜效应下含水介质渗透性的时空变化规律,揭示人工回灌过程中水-岩接触面微生物膜对含水层堵塞的影响机制。研究表明,膜效应是导致含水层微生物堵塞的关键,破坏已形成的生物膜可以迅速恢复介质透水性。水-岩接触面上微生物堵塞的演变可以分为3个阶段:缓慢堵塞期、快速堵塞期以及稳定堵塞期。该研究可为人工回灌含水层堵塞的防治和地下水资源的可持续利用提供重要科学依据和理论支撑。

地下水人工回灌过程中胶体与污染物的共迁移研究进展

人工回灌可以有效补给地下水含水层,防治海水入侵,但回灌水注入也会打破原始地下水化学场与动力场的平衡,导致大量胶体脱离固相介质释放到地下水中。胶体具有特殊的理化性质,释放出来的胶体可以与污染物结合,从而对回灌区地下水中污染物迁移产生显著影响,增加地下水污染的风险性。为此,讨论了地下水人工回灌过程中胶体与污染物的共迁移,包括吸附机制和迁移作用及影响条件,研究结果为保障地下水质量安全、促进人工回灌技术发展、预防和改善环境地质提供借鉴。

粉细砂含水层在人工回灌时渗透系数的变化规律

渗透系数是设计地下水人工回灌方案的重要参数。苏州吴江盛泽镇新安水利站地下水人工回灌试验层为典型的河漫滩相粉细砂含水层,埋深98.1~105.8 m,厚度7.7 m。回灌试验系统可实施持续与间断、常压与加压、定流量与定压力等多种模式回灌。利用2020年的试验资料,建立模型,通过直线图解法求得12个试验周期内所对应的渗透系数K值。采用MATLAB进行数据处理与模拟计算,得出渗透系数在回灌持续过程中衰减规律符合指数方程:K(t)=0.58+0.48e-0.21t。

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。

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15h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100h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10cm左右的范围内。计算不同堵塞层的堵塞速率λ:表层0～1cm的λ最大,为0.038 3h-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。

人工回灌对地下水水质影响的室内模拟实验

人工回灌过程中的水岩相互作用机制较为复杂,目前有关评价人工回灌过程对地下水化学场影响范围和影响程度的研究还十分缺乏。以上海市某人工回灌试验场为例,采用室内模拟实验手段,对人工回灌过程中地下水主要溶质组分的变化趋势及其相关水岩反应进行分析。实验结果表明:回灌过程中,地下水的主要离子成分主要受混合作用、阳离子交换吸附作用及含水层矿物相(方解石、白云石、钾长石)溶解作用的影响;受回灌过程中地下厌氧环境向好氧环境发展的影响,含水介质中的As、Cr、Fe等元素存在溶出趋势,回灌后As-Fe元素的变化量表现出较好的相关性;随着回灌时间的增加,地下水水质的影响范围逐渐扩大,其水化学类型由初始的Cl-HCO3-Na型逐步向Cl-HCO3-Na-Ca型转变。

人工回灌条件下多组分溶质的反应迁移模拟

人工回灌技术在我国水资源管理中占据重要地位,但是其实施对地下水环境质量也造成了较大的影响。如何保障人工回灌条件下地下水环境质量的安全稳定性,已成为人工回灌技术发展的瓶颈。以上海市某人工回灌试验场为例,结合试验场的地质、水文地质勘探结果,以TOUGHREACT为数值模拟平台,模拟预测人工回灌条件下地下水中多组分溶质的迁移转化过程。模拟结果表明:地下水化学成分主要受混合作用、阳离子交换吸附作用及含水层矿物相溶解-沉淀作用等影响;含水介质中石英、白云石、钾长石、钠长石及蒙脱石发生溶解,方解石发生沉淀,伊利石与高岭石则先溶解后沉淀,但各矿物相反应量极其微弱;按不同压力方案回灌,水位恢复速率随压力增大而加快,但地下水中化学成分变化趋势几乎不受压力影响。

浅层地下水人工回灌应用于上海市工程性地面沉降防治的试验研究

上海地面沉降主要由过量开采地下水资源和大规模工程建设等因素共同影响,工程性地面沉降引起的地面沉降漏斗严重影响了周边地区生命线工程的建设及运营安全。通过开展试验研究,将深部承压含水层中应用成熟的地下水人工回灌技术引入浅部含水层中,但由于浅部含水层砂层结构及水动力条件与深部含水层差异较大,回灌工艺及方法也存在差异。本次试验工作中,改进了地下水人工回灌工艺流程,并通过同步地面形变监测分析了浅层地下水人工回灌对控制地面沉降的作用效果。结合上海地区实际地层特征以及各种回灌工艺的实际效果,评价了浅层地下水人工回灌技术在防治工程型地面沉降中推广应用的可行性及适用性。

人工回灌过程中的水-岩相互作用模拟

人工回灌过程中所发生的水-岩相互作用是影响回灌层位地下水环境质量的重要因素。采用室内实验和水文地球化学模拟等技术对人工回灌过程中的水-岩相互作用机理进行了分析。研究结果表明:受混合作用影响,随着回灌水比例的增加,混合水中TDS质量浓度降低,水化学类型由Cl·HCO3-Na型水逐渐转变为HCO3·Cl-Na·Ca型水;受水-岩作用影响,在同一混合比例条件下,随着水-岩作用的进行,混合水中TDS质量浓度升高,各主要离子质量浓度呈现升高的趋势,但只有回灌水比例占10%时,混合水TDS质量浓度才大于原始地下水(涨幅约5%)。实验介质溶解于水的离子中,Ca2+、Mg2+和HCO3-主要来源于碳酸盐矿物的溶解,Na+主要来自岩盐的溶解。在人工回灌过程中,发生的水-岩相互作用主要包括方解石、白云石、钾长石、岩盐、CO2的溶解和伊利石的沉淀。其中:钾长石溶解量与伊利石沉淀量、碳酸盐矿物溶解量与CO2溶解量的相关性较强,其相关系数分别为1.00和0.78(显著性水平为0.05);硅酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.97(显著性水平为0.01),相关性极强;而碳酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.52(显著性水平为0.01),相关性较弱。上述相关性分析为确定人工回灌过程中的水-岩相互作用机理、地下水中主要离子组分的来源途径以及定量分析人工回灌对含水层介质的影响提供了依据。

北京西郊地区大口井人工回灌的模拟研究

在深入分析北京城近郊区地下含水层及其岩性的基础上建立水文地质概念模型,建立了研究区三维地下水流数值模拟模型,对模型进行了识别和检验。重点进行了西郊地区大口井回灌的模拟研究。结果表明,回灌3个月可以导致地下水位上升7m,水位影响范围达7～11km,北京西郊地区是建设地下水库的良好场所。

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。

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。

北京市深井人工回灌现状调查与前景分析

北京市地下水人工回灌研究始于 196 5年。 1981年开始生产性深井人工回灌。由于种种原因 ,至 1999年底实际回灌单位由 6 4个缩减至 13个。其间累计回灌量为 10 734.37× 10 4t。据调查 ,停灌原因主要有 :回灌单位停产、转产、回灌井被占 ,回灌井阻塞 ,泵改调频 ,单位搬迁和改换制冷设备等。本文通过对北京市三十几年来地下水人工回灌工作的总结 ,分析了人工回灌在近年来发展停滞的原因 。

人工回灌过程中地下水微生物群落变化

人工回灌过程中,回灌水的注入使目的含水层地下水环境发生变化,微生物条件也会随之改变,从而影响地下水环境质量及水文地球化学作用。以上海市某人工回灌试验场为例,在分析人工回灌过程中水化学演化特点的基础上,应用DGGE技术对场地回灌过程中地下水中的微生物群落结构变化进行研究,为评价人工回灌对地下水水质安全的影响提供科学的理论依据。结果表明:人工回灌作用使目的含水层地下水中的Eh值及DO质量浓度升高,分别由64.0mV、1.12mg/L升至534.4mV、1.44mg/L;同一位置处微生物群落结构与原始地下水状态的相似性随时间降低;同一时刻距离回灌井越远的监测井的微生物群落结构越接近于原始地下水状态。随着回灌的进行,目的含水层地下水中优势菌属(种)共有7种,其中Rubrivivax gelatinosus和Candidatus Accumulibacter phosphatis clade IIA str.的反硝化能力以及Rhodoferax ferrireducens对Fe3+的还原能力,对地下水水化学组分产生影响。

北京地下水人工回灌悬浮物堵塞试验研究

针对北京地下水人工回灌过程中严重影响到回灌效率的入渗场地介质堵塞问题,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,以永定河河道内砾砂和西郊西黄村砂石坑的圆砾作为入渗介质,注水中悬浮物浓度分别为5、1、0.5g/L。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12cm,下层为堵塞影响区,深度可达65cm;渗透介质颗粒越粗、悬浮物浓度越大,严重堵塞和堵塞影响的深度越大,而渗透介质颗粒越细、悬浮物浓度越大,土柱越快发生堵塞。

人工回灌条件下的水岩作用室内实验研究

人工回灌过程中所发生的水岩作用是影响含水层地下水环境质量的重要因素。本次采用室内实验技术对人工回灌过程中的水文地球化学作用和各主要离子的来源进行了分析。结果表明:人工回灌过程中地下水中的Na+不仅受混合作用的影响,还伴随有相应的阳离子交换反应和含Na矿物的溶解反应等,而且回灌过程对原始地下水中的Na+、Cl-有稀释作用;K+主要受到钾长石矿物溶解的影响;人工回灌过程中存在石膏、方解石等矿物组分溶解,并且介质中的含锰矿物和含铁矿物发生了溶解反应。

人工回灌对济南泉水系统修复的影响

玉符河人工回灌试验确定了河道渗漏水能力、渗漏水区域、地下水影响程度与范围,验证了济南泉域水文地质模型。根据试验结果,提出了近期回灌方案为利用卧虎山水库进行放水补源,年补水量为4000万m3;远期方案结合引黄、南水北调客水补源,补水量可达7000万m3。同时,试验也证明了玉符河人工回灌对济南泉水系统修复的作用是显著的。

潮白河河道地下水人工回灌包气带水分运移模拟

根据潮白河河道开展的地下水人工回灌试验,分析试验场地水文地质条件,运用Hydrus-2D模拟软件建立适用于二维地下水数值模拟的水分运移模型,预测不同回灌补水条件下试验场地包气带水分演化的时空分布特征。结果表明:(1)潮白河河道包气带分层情况相对简单,以卵石层为主,其中夹杂着粉质黏土、卵石填土、细砂层,总体渗透能力较强。(2)当回灌水头为1.0m时,回灌补给约经过1.2d开始影响地下水。(3)观测点1(回灌坑正下方潜水表面)处的压力水头在回灌初期呈稍微下降趋势,随后开始逐渐回升并不断抬升,最终基本保持恒定,此时压力水头平均抬升约1m。(4)建议水资源回灌过程可在下游适当采取拦截工程,使回灌水头稍微提高,从而达到快速入渗的效果,以减少地表水资源的蒸发损失。

人工回灌过程中含水介质物理堵塞的试验研究

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／b（即水力坡度较／b）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，19-34cm深度砂层渗透系数变成初始的60％。