城市雨洪水人工回灌过程中表面堵塞层对水质变化的影响研究

地下水人工回灌是实现城市雨洪资源化的重要手段，然而，雨洪水入渗过程中的堵塞问题严重制约着回灌效率。长期以来，人们总是想方设法对堵塞进行预防、控制和治理，却忽视了堵塞与入渗水质变化之间的相互作用关系研究。本项目拟从城市雨洪水水质特征出发，通过不同入渗介质、不同雨洪水水质条件下的回灌实验，研究回灌场地表面堵塞层的形成机理和演化规律；运用渗流理论及水文地球化学方法，并引入分子生物PCR-DGGE技术，研究表面堵塞层对回灌场地介质渗透性能、饱和状态、氧化还原电位、溶解氧等一系列物理、化学及生物环境条件的影响次序及影响程度；结合大量对照实验，进一步研究上述环境条件变化对雨洪入渗水质变化的作用机理；在此基础上，采用多变量综合评价方法，提出城市雨洪水地下回灌过程中表面堵塞层的调控标准，为有效预防地下水土污染风险、推进城市雨洪水地下回灌的工程应用提供科学依据。

本项目针对城市雨洪水地下回灌过程中的堵塞层与入渗水质变化之间的相互作用关系开展系统研究。首先对城市不同下垫面雨水水质进行了系统的取样、测试和分析，得出了城市雨水在水化学成份、悬浮物的矿物成份、微生物成份等方面的总体特征。通过一系列室内人工回灌实验，系统开展了城市雨洪水地下回灌过程中物理、化学以及生物表面堵塞层的形成机制和演化机理研究；在此基础上，通过大量室内实验，研究了堵塞层形成后，环境条件的变化对雨洪入渗水质变化的作用机理，主要研究成果如下： （一）城市雨洪水地下回灌过程中表面堵塞层形成机理及其演化规律方面，分别开展了物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞研究。研究表明，物理堵塞主要由回灌水源中的悬浮物引起，堵塞类型主要是表面堵塞、内部堵塞和混合堵塞三种，通过不同悬浮物粒径和不同介质粒径的大量标定实验，给出了依据粒径比值确定物理表面堵塞发生的判别标准；化学堵塞主要存在表面堵塞和内部堵塞两种类型，通过不同水质类型的回灌实验，得出含铁、铝等金属离子的水容易较为快速地形成表面化学堵塞，而内部化学堵塞主要归因于水-岩之间的长期相互作用；生物堵塞主要受回灌水源中有机碳、氮、磷等营养物质的影响，在回灌实验中，高生物量区主要分布在实验砂柱上部，低生物量区主要分布在实验砂柱下部，微生物堵塞主要发生在表层20厘米以内。（二）在表面堵塞层形成后的入渗水质效应实验研究方面，分别开展了物理表面堵塞以及化学表面堵塞形成后对入渗水的TDS、悬浮物浓度、常规离子、典型的重金属离子的影响研究。研究表明，表面堵塞层对水中各常规离子普遍具有较为明显的截留作用。而对于作为城市道路雨水中主要污染物组分的重金属组份Pb和Zn，堵塞层对其吸附能力有差异。在同价态情况下，介质和堵塞层对Pb的滞留效果要好于Zn，主要是受离子半径影响。总体来看，堵塞层厚度越厚，对污染质截留作用过程越长，截留效果越好，随着实验延续，截留量达到一定数值后，截留能力显著下降甚至丧失。但同时由于堵塞减弱了渗流速度，入渗水源与介质之间的相互作用也进一步加强，这也导致堵塞层对入渗水质变化的影响机理复杂化。