人工回灌物理堵塞特征试验及渗滤经验公式推导

黄修东，束龙仓，崔峻岭，童 坤,周庆鹏

1.青岛市水文局，山东 青岛 266071 2.河海大学水文水资源学院，南京 210098 3.南京水利科学研究院， 南京 210029

人工回灌物理堵塞特征试验及渗滤经验公式推导

黄修东1，束龙仓2，崔峻岭1，童 坤3,周庆鹏1

1.青岛市水文局，山东 青岛 266071 2.河海大学水文水资源学院，南京 210098 3.南京水利科学研究院， 南京 210029

人工回灌是提高水资源利用水平的重要工程措施，然而回灌过程中的堵塞问题会影响入渗效率和入渗工程的使用寿命。为了深入研究堵塞的机理，以控制堵塞问题，通过砂柱试验模拟了地下水人工回灌物理堵塞过程，通过测定含水率的变化分析了由堵塞引起的砂柱饱和--非饱和状态的转化。试验中出流速率经过了迅速增大到一峰值后快速减小，然后又缓慢变小的过程，即：仅经过72 h的回灌，砂柱的出流速率减小为2.18 m/d；72 h后砂样出流速率的减小明显放缓；192 h时，砂样出流速率为0.81 m/d，约为出流速率最大值的1/10。试验结果表明：回灌水悬浮物颗粒进入砂样空隙中引起渗透性减弱，和逐渐沉积在砂柱顶部形成的淤泥层是造成堵塞的直接原因，而淤泥层的形成是造成渗滤速率迅速下降的关键因素；淤泥层的弱透水性使砂样由上至下含水率发生了变化，导致了砂样导水率和水力梯度都降低，促使回灌渗滤速率迅速减小；回灌时间越长，淤泥层厚度越大，出流速率越小。由10组对比试验的结果，综合考虑引起雨洪渗滤系统堵塞的各种因素，建立了无砾石滤料雨洪水回灌过程计算渗滤速率变化的经验模型，拟合结果决定性系数为0.932。

人工回灌；雨洪水地表渗滤；堵塞；饱和-非饱和渗流；出流速率；非线性最小二乘法

0 引言

我国水资源中大约有2/3是洪水径流，受雨洪的突发性、短时性、水质复杂性等特点以及地表水利工程控制雨洪的有限性等因素的制约，加上地质、地貌等条件的复杂多样，有大量的雨洪资源不能为人类所控制。据统计分析，1956—2000年，全国江河平均每年入海水量约为1.6万亿m3[1]。

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，因此利用地下储水空间储备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。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[2-7]。国外对于堵塞问题的研究大多仍然停留在定性描述的水平上，不能对堵塞演化过程进行描述或对堵塞程度进行定量表达。由于20世纪80年代以来人工回灌的实践活动并没有在我国大范围开展，因此国内关于人工回灌堵塞问题的理论研究相对比较薄弱，只出现在少数几篇文献中。其中:对于雨洪水地表回灌过程中堵塞机理的研究还不够深入，尤其没有反映淤泥层形成后饱和-非饱和渗流条件的变化，而这一点对地表渗滤补给效率的估算以及研究回灌过程中回灌水水质的变化规律具有重要意义；对于不同回灌方式下堵塞影响因素的研究还不够具体和深入，缺乏定量的比较，不能够对实践中堵塞问题的预测、预防和治理提供有效的理论指导。

本研究在分析雨洪水地表渗滤回灌方式特征的基础上，通过自行设计的小尺度砂柱试验模拟雨洪水地表渗滤过程，通过分析雨洪水渗滤堵塞过程和回灌过程中饱和-非饱和渗流条件的变化，探讨入渗速率减小的机理，进而建立了计算入渗速率的经验公式。在理论方面，利用饱和-非饱和渗流理论来分析模拟地表渗滤过程，弥补了过去在对地表渗滤回灌计算中只考虑饱和水或者只考虑包气带含水率变化理论上的缺陷。由于堵塞影响因素的复杂性，在研究过程中通常根据引起堵塞的主要物质来源，将其分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞3种类型[2,8]。化学堵塞和生物堵塞的机理复杂，影响因素众多，而本文中试验配置的雨洪水为悬浮物加入自来水中均匀混合而成，实验持续时间相对不长，因此以物理堵塞类型为主。

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无色有机玻璃制作而成，砂柱分成上下2个部分，上部长80 cm，下部长90 cm，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包气带，砂柱下部的一侧每隔10 cm布设1个测压管，砂柱上部每隔10 cm布设1个溢流口，共4个，并通过阀门控制不同的回灌水深。试验采用BT-300型蠕动泵抽取回灌水对砂柱定水头供水。采用土壤水分自动采集系统实时监测砂样含水率的变化过程，每隔10 cm在砂柱测压管的另一侧插入频率域反射仪(frequency domain reflectome-try, FDR)土壤水分传感器，为避免FDR对砂层的扰动并获取准确的含水率值，待砂层填充后，将FDR的探针快速插入砂层的内部靠近中央的位置，并通过计算机完成土壤含水率的定时连续采集与记录，含水率采集时间间隔设定为1 min。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 试验材料

图2 颗粒粒径分布曲线Fig.2 Grain size distribution curves

考虑适合回灌场地包气带土壤的渗透性，结合试验室的试验条件，本次试验采用两种不同粒径的砂填充砂柱，记为砂样1和砂样2。两种砂样的颗粒级配曲线如图2所示，部分水文地质参数如表1所示。由表1可知，砂样2颗粒较粗，渗透系数、孔隙度和给水度也都大于砂样1。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。

回灌雨洪水在试验室里由人工配制。配制方法是将取自南京某滞洪区的雨洪水沉积物在烘箱干燥后压碎，通过0.3 mm过滤网过滤后，加入自来水中搅拌，混合均匀而成。本次试验雨洪水悬浮物质量浓度配制范围为10～400 mg/L，回灌水悬浮物粒径分布范围0～0.22 mm，D50为0.024 mm，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[8-10]。

表1 砂样水文地质参数

注：D50为累计粒度分布比率达到50%时所对应的粒径。

1.3 试验方案和分组

按照回灌水悬浮物质量浓度和回灌水水深的不同，将试验分为10组，具体分组情况如表2所示。在每组回灌试验之前，填充砂样并压实，饱水排气直到渗透系数稳定，然后用试验室配制的雨洪水回灌，在回灌的过程中，每隔12 h记录测压管的水位，使用流量计测出流量并记录出流速率的变化。当每组试验的出流速率降低至该组试验观测速率最高值的约10%时，停止该组试验，每组试验持续的时间列于表2中。

2 堵塞特征和机理分析

2.1 淤泥层的形成

以表2中第5组试验为例，分析雨洪水回灌过程中堵塞特征和砂柱内渗流条件的变化，探讨堵塞的机理。在回灌的起始阶段，回灌水中的悬浮物颗粒有很少一部分进入砂样表层的孔隙中，使砂样表层的孔隙度降低、渗透性减小，而大部分则滞留在砂样顶部形成薄膜；在回灌后的24 h，砂样上部0～10 cm的渗透系数减小明显，由初始的6.75 m/d减小到5.50 m/d。砂样表层渗透性的减弱，是由砂样表层的孔隙被回灌水悬浮物颗粒填充和滞留在砂样顶部的悬浮物颗粒阻碍了回灌水的入渗共同引起的，沉积在砂样顶部的悬浮物越来越多，最终形成完整致密的淤泥层，砂层的厚度不变，而淤泥层的厚度不断增加。图3分别为第5组试验从砂柱侧面拍摄的回灌48 h(左图)和96 h(右图)淤泥层的照片，从图3可以看出，96 h淤泥层的厚度明显大于48 h。

左.回灌48h；右.回灌96h。图3 砂柱顶部形成的淤泥层Fig.3 Silt layer on the top of the sand column

试验组次介质回灌水深度/cm悬浮物质量浓度/(mg/L)持续时间/h1砂样1401064824020408340503484401002285402001926404001687201002528601001569砂样240502641040100228

2.2 砂样饱和-非饱和状态的变化

以表2中第9组试验为例，砂样各个位置含水率变化特征不同，表现为砂样第10、20、40、50、60 cm处含水率随时间的变化经历了迅速增加→相对稳定→快速减小→保持稳定4个阶段的变化过程，而砂样下部70 cm、80 cm处含水率随时间的变化表现为快速增加→保持稳定的变化过程。

2.2.1 砂样中上部含水率的变化

由砂柱中上部(50 cm)含水率变化(图4a)可知：第一阶段表现为砂样各个位置含水率迅速增加直至达到或接近饱和状态。这一变化过程类似于干土积水入渗问题，回灌水供水能力始终超过砂样表层的入渗能力，在水势梯度的作用下砂样含水率迅速增大，由上到下形成不断扩大的湿润区。第二阶段表现为一直保持这种饱和状态，持续时间相对较长。这是由于砂样达到饱和状态之后，砂柱表层虽然附着了一些悬浮物颗粒，但还未形成完整致密的淤泥层。这段时间一方面表现为砂柱上部由于很少一部分悬浮物颗粒进入砂样上部的空隙中，导致上部渗透系数降低，另一方面表现为砂样顶部已经有部分被悬浮物颗粒覆盖。第三阶段表现为砂样上部的含水率在较短的时间里快速降低，砂柱上部从饱和状态变到非饱和状态，而随着回灌时间的延长，淤泥层厚度变大，透水能力减小，砂样上部的含水率也逐渐变小，并且这种减小趋势依次向砂样的下部延伸。这是由于随着回灌时间的延长，越来越多的悬浮物滞留在细砂的表层上，直至形成完整致密的淤泥层，淤泥层渗透系数非常小，透过淤泥层进入砂样的回灌水很少;而砂样下部的水分仍然在水势差的作用下向下流动。最后一个阶段，表现为各个位置砂样一直保持这种非饱和状态，含水率变化幅度不大。

图4 砂样含水率随时间变化曲线Fig.4 Curves of the water content changed with time

2.2.2 下部含水率的变化

由图4b可知，砂柱下部(80 cm)含水率表现出与中上部不同的变化特征：回灌初始阶段，含水率变化与中上部一样，迅速增加到接近饱和状态；但是，继续回灌，含水率不像中上部那样减小，而是基本保持不变，维持饱和状态，一直持续到该组回灌试验结束。

砂柱含水率随回灌时间的这种变化反映了砂柱饱和与非饱和状态之间的变化：回灌之前，砂柱内含水率为0.145，为非饱和状态；而一旦回灌开始，砂柱含水率迅速增加，整个砂样砂样接近饱和状态，并持续较长的时间；当完整的淤泥层形成之后，砂柱中上部的含水率逐渐变小并变为非饱和状态。所以在回灌的过程中，砂样经过了非饱和—饱和—非饱和的转化过程。

2.3 出流速率

在试验过程中，堵塞程度用出流口出流速率随时间的变化来定量描述，第5组试验出流速率随时间的变化如图5所示。从图5可以看出，砂柱出流速率经过了迅速增大到一峰值后快速减小，然后又缓慢变小的过程。回灌开始后，出流速率迅速变大是因为回灌后砂样含水率迅速增大，相应的导水率随含水率的增大而增加；随着悬浮物逐渐沉积在砂样的表层造成砂样上部渗透系数降低，出流速率也随之减小，仅经过72 h的回灌，砂柱的出流速率减小为2.18 m/d；而随着砂样中上部含水率逐渐减小并趋于稳定，砂样的导水率和水势梯度减小的速率都随之减缓，致使72 h后砂样出流速率的减小明显放缓；192 h时，砂样出流速率为0.81 m/d，约为出流速率最大值的1/10。

图5 第5组试验出流速率随时间变化曲线Fig.5 Curves of the outflow changed with time of the fifth group experiment

3 出流速率经验模型

在雨洪水地表渗滤过程中，对堵塞条件下的入渗速率进行预测，是含有悬浮物颗粒的水的渗透理论的重要课题之一[9-14]。本次研究以上述室内试验的分析结果为依据，基于SPSS13.0统计分析软件，采用非线性最小二乘法，以决定性系数为拟合优度性能指标，建立了试验条件下计算出流速率的经验公式。通过多组对比试验发现，影响雨洪水出流速率的主要因素包括砂样渗透性、回灌时间、回灌水悬浮物质量浓度和回灌水水深。由实验结果可知：回灌水悬浮物质量浓度对出流速率的影响显著，表现为出流速率随悬浮物质量浓度的增加而呈非线性减小，悬浮物质量浓度越高，堵塞越严重，渗滤速率减小得越快，经过分析，出流速率与回灌水悬浮物浓度的算术平方根用负指数形式拟合最为准确；出流速率随回灌时间的延长而呈非线性减小，出流速率与时间的关系用负指数形式表示；回灌水水深对出流速率的影响较小，因此砂样渗透性和回灌水水深对出流速率的影响均用回灌水出流速率的峰值v0来概化， 经过分析和反复尝试，拟采用下面的负指数形式模型来计算回灌水的出流速率：

式中：vt为时间为t时的入渗速率,m/d；v0为饱和入渗速率, m/d；ρ为悬浮物质量浓度，mg/L；k为待定系数。拟合结果决定性系数为0.932,残差均值和方差分别为0.135和0.656，待定系数k为1.14。公式拟合效果很好，且形式简单，只有一个待定系数。图6为采用公式(1)对表2中第5组和第10组试验的计算值与观测值拟合曲线，两组实验回灌水水深均为40 cm，填充介质分别是砂样1和砂样2，悬浮物质量浓度分别为200 mg/L和100 mg/L。需要说明的是，经验公式是在试验条件下推导出来的，试验条件和实践中雨洪地表渗滤工程有很大的差别，因此不能直接应用在实践中，但是公式反映了雨洪水地表渗滤过程中入渗速率与回灌时间、回灌水悬浮物质量浓度、包气带土壤粒径特征和回灌水水深的关系，可以在实践中根据具体的观测资料对公式的形式进行补充和改进。

图6 出流速率观测值与计算值拟合曲线Fig.6 Outflow fitting curves between observed and computed value of the tenth group

4 结论与讨论

1)回灌水悬浮物颗粒进入砂样表层的空隙中引起砂样渗透性减弱,和逐渐沉积在砂柱顶部的悬浮物颗粒形成淤泥层是造成堵塞的直接原因。在回灌过程中，砂样经过了由非饱和—饱和—非饱和的渗流状态的变化。淤泥层的形成是造成出流速率迅速下降的关键因素，淤泥层形成之后，淤泥层的弱透水性导致了砂样中上部的含水率由上至下逐渐减小，导水率迅速降低，而下部的含水率基本不变，这使得砂样的导水率和水力梯度都降低，这共同促使回灌出流速率迅速减小，回灌时间越长，淤泥层厚度越大，出流速率也越小。

2)针对10组比较试验的结果，综合考虑时间、土壤渗透性、回灌水水深和悬浮物浓度对出流速率的影响，建立了无滤料雨洪水地表渗滤计算出流速率的经验公式，公式拟合效果较好，决定性系数为0.932，残差均值和方差分别为0.135和0.656，且公式中只有1个待定系数值。

3)由于室内试验耗时较长，本次研究仅做了10组试验，经验公式的适用性将通过后续更多室内试验和野外试验进行完善和验证。

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Test on the Characteristic of Physical Clogging During Groundwater Artificial Recharge and Derivation of Percolation Empirical Formula

Huang Xiudong1, Shu Longcang2, Cui Junling1,Tong Kun3,Zhou Qingpeng1

1.Qingdao Bureau of Hydrology,Qingdao 266071, Shandong,China 2.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China 3.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China

Artificial recharge is an important engineering measure to improve the level of water resource utilization. However, the clogging in the process of injection will affect the efficiency and service life of the infiltration. In order to study the theory of the clogging and to control it, experimental sand columns were used to simulate the clogging process during groundwater artifical recharge, and the saturated-unsaturated change induced by clogging was analyzed. In the test, the outflow rate increased quickly to a peak value followed by a rapid decrease, and then decreased slowly, i.e., only after 72 h of injection, the flow rate of sand column reduced to 2.18 m/d; the outflow rate of the sample decreased slowly after 72 h; the sample outflow rate was 0.81 m/d after 192 h, about 1/10 of the maximum outflow rate. The results showed that the basic reason of clogging was the permeability reduction caused by suspended matter filling the void volume of the sand and the silt layer formatted by suspended matter deposition. The formation of the silt layer was the key reason leading to the sharp decrease of the outflow rate. After the silt layer formatted, the weak permeability of it caused the water content change of the sand from upper to lower, which lead to the decrease of both hydraulic conductivity and hydraulic gradient, as a result, the outflow rate decreased rapidly. The 10 groups contrast showed that, considering the rain flood infiltration system blocking of various factors, the experience model to calculate the infiltration rate in non-gravel filter material rain flooding injection process was constructed and the fitting results decisive coefficient is 0.932.

artificial recharge；stormwater infiltration；clogging；saturated-unsaturated seepage；outflow rate；non-linear generalized least squares

10.13278/j.cnki.jjuese.201406205.

2014-05-01

水利部公益性行业科研专项项目(201201024)

黄修东(1979--)，男，工程师，博士，主要从事水资源评价和地下水资源管理方面的研究，E-mail:xdhuang_zh03@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201406205

TV211.1;P641.25

A

黄修东，束龙仓，崔峻岭,等.人工回灌物理堵塞特征试验及渗滤经验公式推导.吉林大学学报:地球科学版,2014,44(6):1966-1972.

Huang Xiudong, Shu Longcang, Cui Junling,et al.Test on the Characteristic of Physical Clogging During Groundwater Artificial Recharge and Derivation of Percolation Empirical Formula.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(6):1966-1972.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201406205.