含水层回灌过程中的气相堵塞实验研究

摘要

地下水过度开采，造成了很多地质环境问题，如海水入侵、地面沉降、地表植被破坏等，严重影响了人们的生产生活。为了缓解这些问题，许多国家都采用人工回灌的方法对地下水进行补充，但是随着回灌时间的延长，回灌过程中往往会产生各种堵塞情况，使得地下水人工回灌效率大大降低，严重时还会导致整个回灌工程报废。堵塞现象的发生在井灌过程中十分普遍。
　　堵塞一般分为悬浮颗粒物堵塞、压实堵塞、气相堵塞、生物堵塞和化学堵塞等类型。现阶段悬浮物堵塞机制的研究已经比较成熟，但是对于气体产生的堵塞现象的研究依然较少。本文致力于在室内利用砂箱实验开展含水层回灌过程中的气相堵塞机制的探究。
　　为了减少其他因素对实验研究的影响，本次实验使用的含水介质是高纯度的石英砂，回灌水是水质较好的自来水。首先对回灌水进行脱气处理，然后使用脱气水对含水层回灌16 h，含水层出水流量不断增加且最后趋于稳定，此时换成微气泡水回灌160 h，含水层的出水流量随回灌时间的增加不断减少。微气泡水回灌结束后，对含水层进行回扬处理，然后重新使用脱气水回灌16 h，当含水层出水流量达到最大值时改用曝气水回灌130 h。实验砂箱分为七个渗流段，通过对比每个渗流段的K，（相对渗透系数）随时间的变化情况来研究气体在含水层中的运动情况。气相堵塞的机制则是通过对比砂箱整体的渗透系数变化情况来进行探究。
　　实验结果表明渗流区的K，值基本上随回灌水流的方向依次减小。但是也有个别渗流区的K，值会明显高于前一段相邻渗流区的K值。究其原因可能是气泡随着回灌水进入含水层并在渗透通道中不断堆积，使得渗流区的K，值降低。当小气泡聚集到一定程度时会发生融合形成体积较大的气泡，这些大气泡不容易发生上浮运动，同时受到回灌水流的不断冲击，破裂形成小气泡，部分小气泡会顺利通过含水层的渗透通道，使得部分渗流区的K，值高于相邻渗流区K，值。使用微气泡水回灌结束时，含水层的整体渗透系数最终降低了19.60％，使用曝气水回灌后含水层的渗透系数降低了28.63%，表明回灌水中含有的气体越多，含水层的渗透系数下降的越低，气相堵塞现象越严重。
　　室内实验耗时较长且需要多人合作对含水层出水流量、水位等多项指标进行持续测量，为了减小工作量，设计了一种全自动含水层回灌堵塞实验装置。最后通过对实验结果的分析，并结合实际情况，提出合理的气相堵塞的防治措施。

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第一章 绪 论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 国内外研究进展

1.3 研究内容与技术路线

第二章 实验设备和步骤

2.1 实验材料和装置

2.2 实验步骤

2.3 测量及计算

第三章 气体在含水层的运动转移

3.1 气体转移的机理

3.2 不同渗流段的回灌情况

3.3 本章小结

第四章 气相堵塞分析

4.1 回灌水的堵塞情况

4.2 含水层气相堵塞情况对比

4.3 其他因素对实验结果的影响

4.4 本章小结

第五章 堵塞装置的设计及堵塞的防治

5.1 全自动含水层回灌堵塞实验装置

5.2 回灌井气相堵塞的防治

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录