城市雨洪水地下回灌堵塞演化机理及综合预测方法研究

地下水人工回灌是城市雨洪资源化的重要手段，然而，雨洪水入渗过程中的堵塞问题却一直阻碍着回灌工程的实践与推广。本项目针对城市雨洪水地下回灌过程中的堵塞机理与预测问题，从城市雨洪水的水质特征出发，通过不同渗透介质条件下的回灌实验，运用渗流理论、水文地球化学、生物化学等理论与方法，系统研究城市雨洪水地下回灌过程中物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞发生的时、空分布特征及演化规律，分析单一堵塞的形成原因、影响因素及其作用机理，进而确定多种类型堵塞同时出现的时间和空间条件。再通过研究特定类型堵塞对其它类型堵塞演化进程的影响，揭示城市雨洪水地下回灌过程中不同堵塞类型之间的相互作用机制。在此基础上，建立综合堵塞效应评价的数学模型，实现堵塞进程与堵塞累积程度的定量评价与预测。研究成果可为雨洪水地下回灌理论研究、工程设计、堵塞预防与治理提供科学依据，对缓解城市水资源短缺、增加地下水资源可利用量具有现实意义。

本项目针对城市雨洪水地下回灌过程中的堵塞机理与预测问题开展系统研究。首先对城市雨洪水的水化学成份、悬浮物的矿物成份和粒度分布特征、微生物种类和数量开展了研究，得到城市雨洪水的较为全面的水质特征，通过悬浮物浓度TSS、膜过滤指数MFI、典型水质和微生物指标，综合判定回灌过程中物理堵塞、化学堵塞以及生物堵塞发生的可能性。在此基础上，通过一系列室内实验，对各种堵塞机理、时空分布特征及演化规律开展了深入研究，具体研究成果包括四个方面：（一）在物理堵塞方面，主要开展了不同悬浮物粒径、不同介质粒径、不同悬浮物浓度条件下的堵塞机制与演化规律的研究，将悬浮物堵塞按产生位置划分为表面堵塞、内部堵塞和混合堵塞三个亚类型，提出了根据入渗介质孔隙平均直径与悬浮物颗粒平均直径的比值确定悬浮物堵塞类型的预测判别标准，并基于不同悬浮物堵塞类型，建立了堵塞演化预测的数学模型；（二） 在化学堵塞机理和演化规律的研究方面，首先化学堵塞划分为表面堵塞和内部堵塞两种亚类，对于表面化学堵塞，通过测试堵塞物质成份确定堵塞成因，指出回灌水中铁和铝对表面堵塞贡献最大，即使微小含量也可形成严重的表面堵塞现象；对于内部化学堵塞过程进一步分解为包气带中单纯的入渗水-介质之间的溶滤作用以及饱水带入渗水-介质-地下水之间的复杂水岩作用过程，对包气带的水岩作用过程采用渗滤实验开展研究，获得的具有特定水质成份的回灌水作为饱和带的输入水质，而对饱水带的水岩作用过程采用水文地球化学模拟技术定量评估回灌过程中的化学堵塞潜力；（三）对于生物堵塞，首先通过室内开展了微生物培养与观测，研究了雨洪水中微生物类型和数量变化规律及生物堵塞一般特征，提出回灌水源中的有机碳、氮、磷等营养物质浓度是形成微生物堵塞的关键因素，但微生物堵塞也主要发生在浅表层，基于微生物生长模型与多孔介质渗透理论，耦合微生物生长量与介质渗透性变化的定量关系，建立了地下水回灌过程中沿入渗途径上微生物堵塞程度的预测模型，利用该模型可以定量预测不同回灌水源和回灌场地条件下的微生物堵塞演化程度。（四）不同堵塞之间的交互作用机制与规律研究方面，首先对不同堵塞发生的时间和空间特征进行了研究，得到了不同堵塞过程交互作用的时间和空间区域，重点通过实验得到了物理－化学堵塞过程的交互作用，结果表明多种堵塞类型的相互迭加使堵塞效应加重，并提出了多重堵塞演化预测模型。

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