城市雨洪水地下回灌过程中复合型堵塞的机理、识别方法与控制技术研究

Artificial recharge of groundwater is one of the most important strategy of water resources management. The clogging issue during artificial recharge of groundwater is one of the obstacle factors to its application, because clogging affects the infiltration rate, running cost and engineering longevity of recharge facilities. The researches on single type clogging issue such as physical clogging, chemical clogging and biological clogging have already carried out relative good results, while the researches on complex clogging which composed by many different type clogging under the field site conditions are still in primary stage. Based on the previous researches on clogging issue, this project will focuse on the complex clogging issue via the mehtods of seepage theory, hydrogeochemistry and biogeochemistry under laboratory conditions. The order, formation reason, distribution position, danymic laws and the interaction between different clogging factors will be studied. The coresponding relationship between hydrodynamic, hydrogeochemical,mineralogical indexes and the complex clogging processes will be proposed. The types of complex clogging and its identification methods for its developing process will be studied. In order to prevent complex clogging, the limit of water quality indexes for recharge source water will be proposed and about 2-3 new recovery technitions for clogging will be developed. The expected results will provide the scientific basis for clogging prediction, prevention and recovery during artificial recharge of groundwater.

地下水人工回灌是一项重要的水资源管理策略，但回灌过程中的堵塞问题对回灌效率、运行成本及工程寿命有着显著的不利影响，成为制约地下水人工回灌推广与应用的因素之一。前人在物理堵塞、化学堵塞以及生物堵塞等单一类型堵塞机理方面的研究相对比较成熟，但对实际场地条件下多种复合类型堵塞的机理研究仍十分薄弱。本项目拟在前期研究基础上，通过系统的室内实验，运用渗流理论、水文地球化学、生物地球化学等方法，研究在特定主导因素条件下，不同类型堵塞发生的先后次序、成因、分布位置、动态变化规律以及演化进程中不同堵塞因素之间的协同与竞争关系；建立水动力学、水文地球化学以及矿物学指标与复合堵塞演化过程的响应关系，提出复合堵塞类型及其作用过程的识别方法；进一步开展复合型堵塞预防与治理技术研究，提出基于堵塞风险的城市雨洪回灌水源水质指标限值，开发2-3种复合型堵塞治理新技术，为地下水人工回灌的堵塞预测、预防与治理提供科学依据。

本项目通过系统的室内实验，运用渗流理论、水文地球化学、生物地球化学等方法，研究了在特定主导因素条件下，不同类型堵塞发生的动态变化规律以及堵塞机理。通过分析不同粒径比、不同渗流速度和不同悬浮物浓度条件下物理堵塞实验，给出堵塞类型的判定标准和影响因素；开展了以三价铁为代表的化学堵塞实验研究，铁离子在pH值大于1.87时生成氢氧化铁沉淀，在入渗过程中受过滤和吸附作用影响，在多孔介质中滞留、累积并导致介质渗透性降低形成堵塞，影响因素包括介质粒径、入渗溶质浓度以及入渗流速的影响；完成了以铜绿假单胞菌为模式微生物的生物堵塞试验，将生物堵塞划分为稳定、快速下降和缓慢下降三个阶段，对应微生物的附着期、繁殖增长期和平衡期。在单一堵塞研究的基础上，开展了复合堵塞规律和机理的深入研究。分析了水源化学条件对微生物生长生成胞外聚合物和石英砂溶解-再沉淀的影响、离子强度对铜绿假单胞菌细胞渗透压、新陈代谢能力和分泌蛋白质含量的影响，得到离子强度增大削弱石英砂与细菌表面的排斥力，促进细菌在石英砂表面的吸附与沉积。研究了水化学条件对对悬浮物颗粒在多孔介质中物理堵塞的影响研究表明，离子强度将增加悬浮物的团聚效应，使悬浮颗粒在多孔介质中迁移的距离缩短，越易发生堵塞滞留。研究了物理-生物-化学堵塞的过程和机理，结果表明，微生物极易吸附水中的悬浮物质，悬浮物发生絮凝作用、生物分泌大胞外聚合物，进一步增加了悬浮物表面的吸附性能，加速物理堵塞；同时伴随着生物堵塞，这些胞外聚合物还会作为催化剂或者反应物，促进水中的化学物质(如可溶性盐类、氢氧化物和硅酸盐等)或者可溶性阳离子与有机物质发生一系列反应，变成难溶性物质在流道内沉淀，又可造成化学堵塞，因而形成了物理、化学与生物堵塞的复杂交互效应。在此基础上，研究了复合堵塞识别与控制技术。