雨洪水回灌中多分散颗粒运移-沉积特征及数值模拟

雨洪水回灌过程中多分散颗粒造成的堵塞问题实质上是多孔介质中颗粒的运移和沉积。为了揭示饱和多孔介质中多分散颗粒的沉积特性,开展了5种不同浓度条件下多分散雨洪颗粒(0.375~55.82 μm)人工回灌一维砂柱定流量试验,基于胶体过滤理论,建立多分散颗粒运移-沉积的改进模型并进行相应的数值模拟。物理试验和数值模拟结果表明:不同浓度条件下多分散颗粒的沉积剖面都符合“上陡峭,下平缓”的超指数分布,而不是常规模型预测的指数分布。超指数分布是多分散颗粒的非均等沉积造成的,常规模型均化了沉积颗粒的空间分布,Kozeny-Carman模型可以模拟颗粒的非均等沉积造成介质不同位置渗透性能降低,介质的堵塞程度与颗粒大小直接相关,介质渗透性能最大降低为原来的52%,雨洪水中粒径>2.26 μm颗粒的沉积是造成堵塞的主要原因。     

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。     

注水井回灌过程中堵塞问题实验研究

采用砂柱在实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、细菌数目、溶解氧、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0.59 mm和0.34 mm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0.59 mm的砂柱渗透系数减小持续时间长，渗透系数减小的幅度大。     

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。     

地下水源热泵回灌过程颗粒迁移-脱离模型及堵塞区判定

开展多孔介质中悬浮颗粒的迁移-脱离过程研究对地下水回灌工程、注浆工程和石油工程等具有重要意义。以地下水源热泵工程为依托,提出了描述颗粒迁移-脱离过程的波浪状曲面模型,研究不同的粒径组合以及不同压力对多孔介质中颗粒迁移以及脱离特性的影响。在此基础上,采用Comsol对典型地下水源热泵工程进行模拟,揭示了不同粒径及压力分布条件下回灌堵塞区分布规律。结果表明:在相同颗粒粒径组合(相同临界速度)下,压力越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越大;在相同压力下,临界速度越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越小;其他条件相同时,位置离抽水井和回灌水井越近,压力越大,渗流速度越大,悬浮颗粒越容易脱离。     

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。     

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。     

多孔介质中反复注入颗粒迁移特性试验

通过两种不同渗流速度的室内试验系列,采用在每个系列中分别向土柱中注入13次约392 mL颗粒悬浮液的方法,研究了注入次数和粒径对多孔介质中颗粒迁移特性的影响。结果表明,注入次数、颗粒粒径以及渗流速度对颗粒迁移特性有重要影响:在稳定速度的渗流作用下,注入颗粒的迁移特性曲线呈现类似于"正态分布"的规律,下降段持续时间大于上升段持续时间;渗流速度较小时,随着注入次数增加,颗粒浓度峰值逐渐增大;渗流速度较大时,颗粒浓度峰值几乎不随注入次数变化。中值粒径为3.40μm的颗粒随深度增加,沉积颗粒的质量比逐渐减小;中值粒径为5.10μm的颗粒在0.085 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比要明显大于0.170 cm/s速度渗流作用后的沉积颗粒质量比。渗流速度较小时,颗粒粒径越大所受的重力越大,相应的运动速度也越大;渗流速度较大时,水动力是影响颗粒迁移速度的主要因素。粒径越大的颗粒所受的筛滤作用也越大,相应的沉积量也越多。     

高悬浮物地表水河床渗透性变化分析

综合野外渗水试验和室内高悬浮物浓度水体低流速渗水试验,分析那陵格勒河床入渗能力变化特征与机制,结果表明:那陵格勒河上游至下游,除1号桥处外,渗透系数K普遍较大,多在12.67~15.07 m/d之间;1号桥处河道较宽,流速较缓,河水中悬浮物沉积削弱了该处河床入渗能力;室内高悬浮物浓度水体在流动状态下的渗水试验证明地表水体悬浮物沉积对河床渗透性有直接影响。河流泥沙动力学计算表明:河床入渗能力从上游至下游逐渐减小,那陵格勒河冲洪积扇扇顶变化较小而前缘部位变化较大。     

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。     

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.     

Evaluating Particle Deposition in the Artificial Groundwater Recharge Process by Physical and CT Imaging Experiments

Particle clogging in the artificial groundwater recharge process is one of the main factors influencing the artificial groundwater recharge efficiency, and particle deposition is the microscopic mechanism of the occurrence and development of particle clogging. Particle deposition in porous media changes the pore structure. The computed tomography (CT) scanning technique is a nondestructive testing method and determines the spatial distribution of pores in porous media. This study combines physical and CT scanning experiments to identify the change process of the pore structure in the artificial groundwater recharge process and compares the pore changes during recharge experiments between two columns containing different media. Porous media changes are observed with the CT scanning technique. The fractal theory is applied in the analysis of CT scan images and physical experiment results. The results of this study indicate that particle deposition can be examined by using CT scan images to obtain pore-related parameters, the internal pore structure of porous media determined through CT scan images can be applied in numerical simulation, and a mathematical model for particle deposition calculation in porous media is established. Compared to the physical experiment measurements, the spatial particle deposition information acquired with the CT scanning technique exhibits a higher accuracy and contains much more relevant data. Not only does this research reveal more clearly the particle clogging mechanism which is based on particle deposition, but also characterize, simulate and predict more accurately the development tendency of particle clogging during artificial groundwater recharge.

     

基于GIS平台的鄱阳湖采砂区域规划研究

为了分析鄱阳湖区砂源分布情况,为鄱阳湖采砂规划提供资料,对鄱阳湖区悬浮物含量进行了测量。根据泥沙沉速和含量的关系,利用GIS技术,对整个鄱阳湖区的含沙量进行了模拟分析。结果显示：鄱阳湖的悬浮物含量范围为1.553 4 ~ 94.071 6 mg/L,沉速为0.002 7~0.488 3 cm/s;以永修松门山为界,以北地区含沙量较大,以南地区含沙量较小。在含沙量较大的星子县沙岭、永修县松门山和都昌老爷庙地区所围成的三角区域不适宜采砂。通过对生态、航运、采砂经济效益的综合分析,对鄱阳湖区采砂区域进行了初步规划,鄱阳湖的年采砂量不应超过1 100万t。     

改进流动注射光度法测定含悬浮颗粒水样中总氮含量

用流动注射法测量含颗粒物水样中总氮,采用较粗管路和快速微波消解法,水样经预处理后,再使用自制在线过滤装置除去消解残渣。总氮的检出限为0.040mg/L,检测范围为0～10.0mg/L。本方法连续测定含悬浮颗粒水样,流路无堵塞,对湖水、生活污水和工业废水实际含悬浮颗粒水样中总氮的测定,加标回收率为99.6%～103.5%。