雨洪水地下回灌过程中悬浮物堵塞与非稳定变饱和渗流特征的协同演变机理

Clogging by suspended solids is a major drawback limiting the wider use and promotion of groundwater recharge (GR) by rain-flood water. Further understanding of the interaction between clogging and infiltration process for unsteady flow in saturated zone becomes a new frontier of researches in GR using rain-flood water. Focused on this, this project studies the dynamic changes of infiltration flow, spatial variation of clogging in vertical profile, and their synergy evolution processes via multidisciplinary effort of hydrogeology and hydromechanics. Employing theoretical analysis and experimental simulations, it is proposed to study the effects of clogging layer to seepage flow and the feedback of variably saturated flow to clogging formation. Compared experiments of fluctuated groundwater level are conducted to reveal the behavior of suspended solids influenced by groundwater table fluctuations. Based on the results of experiments, mathematical model of unsteady flow-clogging simulation in variable saturated zone is developed to the changes in permeability and recharge rate caused by the suspended solid accumulation in the porous media. Therefore, the infiltration and clogging process for rain-flood water recharge can be known well to support GR engineering in terms of theoretical understanding.

悬浮物堵塞是制约雨洪水地下回灌实践与推广的关键，理解堵塞过程与渗流特征之间的动态互馈关系、揭示变饱和非稳定渗流条件下的悬浮物堵塞机制是雨洪水地下回灌研究的新问题。基于此，本项目结合水文地质学与流体力学理论方法，采用模拟实验测试分析手段，研究雨洪水地下回灌过程中水动力条件与渗流特征的时空变化规律，悬浮物堵塞的形态特征与发展规律以及二者之间的协同演变机理。通过不同堵塞类型下的渗流实验，揭示不同模式堵塞层的形成对入渗路径上渗流特征演变的作用机制，并分析变饱和演替过程对堵塞发展及回灌效率的进一步影响；通过不同情境的水位变动模拟实验，揭示非稳定渗流条件对悬浮物堵塞进程演化的影响；基于模拟实验，分析变饱和渗流与悬浮物迁移沉积机理，构建变饱和非稳定条件渗流-堵塞耦合模型，模拟堵塞与渗流的协同演变过程、预测其发展趋势及对回灌效率的影响。项目成果可为雨洪水地下回灌理论研究、工程设计与堵塞防治提供科学依据。

雨洪水作为一种便捷易得的地下水人工回灌水源，通常其悬浮物含量较高，同时入渗水动力条件复杂，再伴随着悬浮物进入含水层介质引起堵塞现象，给渗流过程计算带来一定的难度。本研究在实验室尺度范围内，构建地下水人工回灌模型，探究悬浮物堵塞与变饱和渗流特征的相互作用与协同演变机制和变饱和渗流条件下的悬浮物堵塞发展过程，最后建立了变饱和带非稳定流条件下的渗流-堵塞耦合模型，量化堵塞过程。主要的研究结果如下：（1）雨水回灌过程中发展的是表面－内部混合堵塞，在堵塞前期，砂柱的物理参数和渗流特征并未发生太大变化，直至内部堵塞基本成型后，物理参数和渗流特征开始发生变化，且在此之后主要发生的是表面堵塞，淤积层的厚度会对砂柱内部的堵塞情况和渗流特征的影响非常有限，介质类型和介质粒径对堵塞的状态和程度影响很大；（2）水位抬升对堵塞发展的位置影响不大，前期地下水位抬升引起的入渗量比地下水位固定的入渗量小，后期两者相反，水位抬升使介质表层堵塞发展速度减慢，非堵塞层渗漏流状态出现非饱和时刻滞后，水位抬升会使堵塞速率变小，从而延缓堵塞的发展；（3）建立了变饱和非稳定流条件下的渗流-堵塞耦合模型，动态描述了物理堵塞形成与发展的过程及剖面上渗流过程的转变，通过对实测值和计算值的对比分析，发现二者吻合较好，模型合理。本项目研究成果可为科学开展雨洪水地下回灌工程的优化设计与运行管理研究，预测并合理控制悬浮物堵塞的发展提供科学理论与实践支持。