Page 122 - 水利学报2021年第52卷第4期

水 利 学 报

2021 年 4 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 4 期

文章编号：0559-9350（2021）04-0498-09

孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞影响的试验研究

王诏楷 ，束龙仓 ，刘 波 ，杨寅星 ，张运铎 1
1，2
1
1，2
1，2
（1. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098；
2. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098）
摘要：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。
关键词：颗粒堵塞；孔隙结构；地下水回灌；物理试验
中图分类号：TV139.16 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200636

1 研究背景

地下水回灌是人工增加地下水补给资源量的积极手段，也是改变水资源时空分布不均的重要方
法。地下水回灌过程中的堵塞是影响回灌效率的关键因素，其中颗粒堵塞是最典型、最常见的堵塞
类型，据统计 90%以上的回灌堵塞都是颗粒堵塞 ［1-2］ ，导致地下水回灌工程运行失败最常见的原因也
［3］
是以颗粒堵塞为主的物理堵塞 。颗粒堵塞是颗粒在介质孔隙中沉积的宏观表现，影响回灌水中颗粒
在介质孔隙中沉积的因素有孔隙空间结构、孔隙壁粗糙程度、颗粒级配、颗粒形状、水流流速、离
子强度、pH 乃至重力、温度等 ［4-7］ 。其中孔隙的空间结构是影响颗粒沉积的最直接因素，因其直接影
响孔隙中的微观流场，进而影响颗粒所受水流拖曳力及与孔隙壁的碰撞概率。
已有关于介质孔隙结构地下水方面的研究，多集中在孔隙结构对渗流和溶质运移的影响及其在
污染物扩散研究中的应用 ［8-9］ ，以及精确探测和描述孔隙空间结构的新技术新方法上 ［10］ 。较少的介质
孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞影响方面的研究也多偏向颗粒沉积机理机制，试验设计与工程实际
中的定水头、相对恒定颗粒浓度、垂直下渗、堵塞深度较大、回灌时间长达数日等情况有一定区
别。如 Benamar 等 ［11］ 通过脉冲注入颗粒并统计颗粒回收率的方式，分析了介质孔隙结构对回灌颗粒沉
积的影响；张鹏远等 ［12］ 通过控制流速和绘制颗粒穿透曲线，研究了孔隙结构对孔隙水动力条件和颗
粒沉积的影响；赵军等 ［13］ 通过不同颗粒浓度的定流速回灌试验，研究了不同孔隙结构中水压力和流
速的相关关系，并分析了颗粒沉积机制；Zamani 等 ［14］ 通过试验研究了回灌颗粒沉积过程中介质孔隙
结构的变化；黄修东等 ［15］ 通过定流量回灌试验，研究了介质颗粒粒径大小对堵塞发展的影响。为此
本文基于工程实践条件，设计了一维砂柱定水头回灌物理试验，通过两种介质（玻璃珠和石英砂）的

收稿日期：2020-08-14；网络首发时间：2021-03-03
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210302.1358.001.html
/
基金项目：国家自然科学基金面上项目（41572210）
作者简介：王诏楷（1994-），博士生，主要从事地下水系统理论与调控研究。E-mail：wzkhhu@163.com
通讯作者：束龙仓（1964-），博士，教授，主要从事地下水资源评价与管理研究。E-mail：lcshu@hhu.edu.cn
— 498 —