含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析

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1、 I 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值含水介质生物堵塞的回灌试验和数值含水介质生物堵塞的回灌试验和数值含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析分析分析分析 摘摘摘摘 要要要要 地下水人工回灌是解决诸如地下水水位下降、咸水入侵、地面沉降等问题的有效措施。但是由于回灌水水质往往不够理想，为微生物提供了生长繁殖的适宜条件，造成含水层的生物堵塞问题，严重制约了回灌效率。 本文利用一维渗流柱模拟了人工回灌过程中典型含水介质生物堵塞的过程，监测并分析了砂柱各处渗透系数、微生物量、水质随时间的变化。根据微生物生长、营养物质降解、孔隙度-渗透系数关系等理论，针对渗流柱试验的水动力条件和定解条件，建立了一维定流量回

2、灌过程中含水介质生物堵塞的数学模型，利用试验结果对模型进行了检验。 利用数值模拟方法， 综合分析了回灌过程中水质、生物量、渗透系数的时空变化，以及回灌水质、水动力条件对堵塞效应的影响，初步探究了堵塞发展的一般规律。此外，本文基于潜水井的 Dupuit 理论，建立了单井回灌条件下的生物堵塞数学模型， 模拟研究了井灌过程中堵塞的时空发展规律和特征。得到以下结论： （1）微生物富集生长是导致介质渗透系数降低的关键原因。生物堵塞的发展可分为三个阶段：未堵塞期、堵塞期、缓慢堵塞/平稳期，堵塞在距离进水口6cm 范围以内最为剧烈，相对渗透系数最低可降至 0.0017 以下；由于营养在上游几乎耗尽，堵塞的深

3、部发展受限。 （2）数值模拟曲线与实测值吻合程度很高，说明本文建立的模型是可靠的，可以用来预测回灌过程中含水介质堵塞的发生和发展。 采用参数局部分析法评价参数敏感性，敏感参数包括 max和 Y，较敏感参数包括 ka和 kd，在实际应用时应当对这些参数的选取加以关注。 （3）数值模拟分析结果表明，渗透系数仅在距进水口 0-6cm 段发生明显下降，与试验结果基本一致。COD 被微生物生长繁殖消耗，浓度沿柱长逐渐降低，降低速度随时间增快；距离进水口越远，营养越早耗尽。砂柱各处悬浮态和附着微生物量都经历了先增大、后缓慢降低的过程，且距离入水口越远，减小趋势越显著。微生物集中分布在进水口 5cm 范围内

4、，随时间的迁移，上下游之间的差距越来越悬殊，附着态微生物量的差异最高甚至达到了 5 个数量级。出水流量的 II 随着堵塞的发展而降低，27-35 天最为剧烈，降幅达到 64%。渗透系数降低速度前期呈加快趋势，后期由于附着微生物脱落作用处于优势地位，甚至出现了解堵的现象。 （4）水质越差，生物堵塞发展的越快，重度堵塞期开始的越早，堵塞达到同等程度时的累计回灌量也越小；水质较好时，生物堵塞的发展范围较小，但空间差异较大，即浅层堵塞更突出。水动力条件对堵塞的发展进度影响不大，但堵塞程度和发展范围随着水动力条件的加强而增大。 （5）井灌过程中，生物堵塞效应造成井周围介质的渗透系数降低，表现为井中水位逐

5、渐升高。生物堵塞的发展仅限于井周围很小的范围内，说明通过反冲洗的方式，将堆积在介质颗粒间的微生物冲刷下来，可以达到一定的治堵效果。比较水质对回灌过程生物堵塞的影响：当 COD 浓度为 5mg/L 时，生物堵塞效应几乎可以忽略不计；随着 COD 浓度的增大，堵塞效应程度和堵塞范围也依次增大。 关键词：含水介质；生物堵塞；回灌试验；数值模拟 III Experiment and Numerical Simulation Experiment and Numerical Simulation Experiment and Numerical Simulation Experiment and Num

6、erical Simulation forforforfor Bioclogging Bioclogging Bioclogging Bioclogging inininin AquifAquifAquifAquifer Medier Medier Medier Media a a a during Artificial Recharge during Artificial Recharge during Artificial Recharge during Artificial Recharge AbstractAbstractAbstractAbstract Artificial grou

7、ndwater recharge can effectively solve problems such as groundwater recession, saltwater intrusion, and ground subsidence. However, recharge water quality is often not so ideal, providing a suitable condition for microorganism growth, and leading to bioclogging of aquifer, that can serousily restric

8、t the injection efficiency. In this article, suitable conditions was satisfied in a one-dimension seepage sand column, aiming at simulate the bioclogging process of typical aquifer medium during artificial recharge. The change of permeability coefficient, biomass, and water quality within the sand c

9、olumn were monitored and then analyzed during the experiment. Based on the microorganism growth kinetics, nutrient degradation, and porosity- permeability coefficient theories, and specified to the hydrodynamic, boundary, and initial conditions of column experiment, the mathematical model of biologi

10、cal clogging during recharge process under one-dimensional constant flow condition was established, and then examined by experiment data. By the method of numerical simulation, the temporal and spatial variation of water quality, biomass, and permeability coefficient were analysized comprehensively,

11、 and the influences of recharge water quality and hydrodynamic condition to bioclogging effect were discussed, in order to explore the general rule of bioclogging development primarily. In addition, the mathematical model of bioclogging during single well recharge was established based on the Dupuit

12、 theory, and the bioclogging development rule and characteristics of space and time were discussed. Conclusions were reached as follows: (1) Microorganism growth and aggregation were the key reason of the permeability coefficient decreasing. Development of bioclogging can be divided to three phases

13、as unclogged stage, clogging stage, and gently clogging /stable stage. IV Distance from the inlet within 6 cm is the most seriously clogged area, where the relative permeability coefficient reduced to lower than 0.0017, yet the clogging development toward deeper area was confined, because the nutrit

14、ion was nearly exhausted in the upstream. (2) The numerical simulation curve fitted well with measurement curve, indicating that this mathematical model is reliable and be could be applied to forecast the occurrence and development of biological clogging in aquifer medium during recharge progress. L

15、ocal analysis method was applied to access the parameter sensitivity, and result showed that the sensitive parameters include max and Y, the medium sensitive parameters include ka and kd, which should be selected cautiously in the practical applications. (3) Numerical analysis results indicated that

16、, the permeability coefficient decline occurs only in the area of distance from the inlet within 6 cm, which agreed with the experiment data. Consumed for organism growth and propagation, the COD concentration decreased along the column length faster and faster, and the nutrition depleted sooner in

17、the area near the inlet. Both the suspended and attached biomass along the column increased first and then slightly decrease, and the further away from the inlet, the more significant the decreasing trend was. The biomass concentrated in the area within 5 cm away from the inlet, and the gap between

18、upstream and downstream grew with time, the attached biomass difference even reached five orders of magnitude. The discharge flow decreased with clog developing, and the particularly acute decline happened in the 27th to 35th day, with the decreasing amplitude up to 64%. The permeability decline rat

19、e accelerated in the early stage, but in the later stage there the detachment of microbial occupied the dominant position, leading to a clog relieving phenomenon. (4) The worse recharge water quality resulted in faster bio-clogging process, and the sever clog stage occurred earlier, and the cumulati

20、ve injection amount when reached the same clog degree was smaller. The better water quality led to smaller clogged scope, but stronger spatial heterogeneity, i.e. bioclogging in the superficial part stood out. Hydrodynamic condition had little impact on the process of V bioclogging development, but

21、the clog degree and extent increased with enhanced hydrodynamic condition. (5) During the well recharge, the permeability coefficient of media around the well decreased due to bioclogging effect, present that the water level in the well rise up gradually. Bioclogging occurred only in a very small sc

22、ope around the well, indicating that the microorganism deposited among the media particles could be washed out through back flush approach, and reach certain clog removal effect. Analysizing the influence of water quality to the bioclogging during well recharge, the bioclogging effect could be ignor

23、ed with COD concentration of 5 mg/L, and the clog degree and extent increased with COD concentration increasing. Key word: Aquifer media, Biology clogging, Recharge experiment, Numerical simulation 目目目目 录录录录 摘 要.I Abstract.III 1 绪论.1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.1 生物堵塞的机理.2 1.2.2 生物堵塞的规律研究.3 1.2.

24、3 生物堵塞的数学模型.6 1.3 研究内容.8 1.3.1 主要研究内容.8 1.3.2 技术路线.9 2 含水介质生物堵塞产生规律研究.10 2.1 供试材料.10 2.1.1 多孔介质.10 2.1.2 接种物.11 2.1.3 渗流液.11 2.2 试验装置.11 2.3 试验步骤.12 2.4 监测指标与方法.13 2.3.1 渗透系数.13 2.3.2 悬浮生物量.13 2.3.3 附着微生物量.14 2.3.4 水质测定.15 2.5 结果与分析.15 2.5.1 介质渗透性的时间和空间变化.15 2.5.2 渗流液水质变化.16 2.5.3 微生物量变化.18 2.6 小结.1

25、9 3 含水介质生物堵塞数学模型的建立与检验.21 3.1 含水介质生物堵塞模型的模块.21 3.1.1 模型的理论假设.21 3.1.2 多孔介质水动力方程.21 3.1.3 微生物和营养运移模块.21 3.1.4 微生物的生长与衰亡模型.22 3.1.5 微生物的吸附与脱落.23 3.1.6 介质渗透性变化方程.23 3.2 模型的检验.24 3.2.1 渗流试验条件下生物堵塞数学模型的构建.24 3.2.2 模拟参数的确定.25 3.2.3 模型计算.32 3.3 参数的敏感性分析.35 3.4 小结.37 4 含水介质生物堵塞参量和影响因素的数值分析.38 4.1 问题提出.38 4.

26、1.1 研究背景条件.38 4.1.2 一维定水头渗流-生物堵塞数学模型的建立.38 4.2 含水介质生物堵塞参量数值分析.39 4.2.1 COD 降解.39 4.2.2 悬浮微生物量.40 4.2.3 附着微生物量.42 4.2.4 渗透系数.44 4.2.5 出水流量.45 4.3 含水介质生物堵塞影响因素分析.45 4.3.1 进水 COD.45 4.3.2 边界水头差.48 4.4 小结.50 5 单井回灌过程中含水层生物堵塞的模拟分析.52 5.1 问题提出.52 5.1.1 研究背景条件.52 5.1.2 单井回灌生物堵塞数学模型的建立.52 5.2 模拟结果.54 5.2.1

27、生物堵塞特征.54 5.2.2 回灌水质对堵塞效应的影响.55 5.3 小结.57 6 结论与展望.59 6.1 结论.59 6.2 展望.60 参考文献.62 致 谢.67 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 11 绪论绪论绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义研究背景及意义研究背景及意义 水资源是水循环周期内可再生的、能为一般生态和人类直接利用的淡水资源，是人类生存和发展不可缺少、无法替代的自然资源。20 世纪 50 年代以来，全球人口急剧增长，工业发展迅速。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食着大量可供消费的水资源。水资源的缺乏以及分布不均

28、衡，已经成为全世界范围的难题。 水资源开发与管理不善是导致水资源危机的重要原因。在我国，80 年代以来，地下水开采量平均以每年 25 亿立方米的速度增加，每年约有 240 亿立方米的地下水超量开采（李砚阁，2007） ，引发了一系列区域性环境和地质问题，如地下水位下降、地面沉降、海水入侵、水质恶化、土地盐渍化等。全国有 30 多座城市已不同程度地出现了地面沉降、塌陷、地裂缝、咸水入侵等环境问题。 对含水层进行人工回灌是解决上述问题的一个有效措施， 通过各种人工入渗方式，把地表水源补充到含水层内，补充地下水水量。人工回灌的方式主要包括地面入渗法和管井注入法（李恒太，2008） ：地面入渗法主要是

29、利用天然洼地、河床、沟道、较平整的草场或耕地，以及水库、坑塘、渠道或开挖水池等地面集水工程设施，引、蓄地表水，借助地表水和地下水之间的天然水头差，使之自然渗漏补给含水层，以增加含水层的储量；管井注入法通过钻孔、大口径井、或坑道直接将回灌水注入含水层中。目前在世界范围内，美国、以色列、荷兰等国在人工回灌领域的研究居于世界领先地位。在我国，大规模展开地下水人工回灌研究与实践应追溯到 20 世纪 6070 年代。上海市自 19 世纪 60 年代以来，开展了利用深井回灌调整地下水开采层次和压缩用水以控制地面沉降的试验研究工作，地下水位得到回升，地面沉降量由每年 22 毫米减少到 5 毫米（上海市水文地

30、质大队，1997） 。我国北方黄淮海平原的一些地区，如石家庄、新乡、聊城等地区也都先后进行过人工引渗补给浅层地下水的试验，收到了较好的效果，补充调节了地下水源（李恒太，2008） 。自 1965 年以来，北京市以雨洪水及工业处理水为水源， 选择永定河冲洪积扇作为人工回灌方法的试验区， 利用平原水库、 旧河道、废弃砂石坑以及深井进行了回灌试验研究（北京水文地质工程地质大队，1980） ；含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 220 世纪 70 年代末，山东省济宁市开始了地下水回灌技术的研究；自 1980 年兖州开始利用泅河洪水进行地下水的回灌，取得一定的成效。 大量实践证明，在人工回灌工程实施中

31、，由于注入水质往往不够理想，导致回灌系统的严重堵塞（Barrett，2004） ，表现为孔隙度降低，含水层渗透系数下降。堵塞是限制人工回灌效率的重要因素，甚至会导致整个工程彻底失败，且针对堵塞的治理工作耗费巨大。根据 Lindesy（1992）等调查资料，在 1984 年美国马里兰州建成的 207 个地表雨洪回灌系统中，到 1986 年有 33%因堵塞而报废，到 1990 年因堵塞而停止使用的系统增加到了 50%。 含水层生物堵塞不仅在人工回灌工程中是个棘手问题， 利用微生物降解污染物能力的污水的土地处理、地下水原位生物修复技术、生物反应墙、微生物强化石油修复，生物堵塞的发生对工程造成不利影响

32、；另外，石油采收工程中常常利用生物堵塞来控制流场，提高石油采收率，研究如何避免或控制生物堵塞使之更好的发挥作用具有很重要的价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 人工回灌中的含水层堵塞是一个复杂的过程，与回灌水水质、介质成分、颗粒粒径等因素有关，堵塞机制通常归结为物理堵塞、生物堵塞、化学堵塞。物理堵塞又称机械堵塞， 由于回灌水中携带的悬浮物由于过滤作用或物理沉淀作用滞留于孔隙空间而发生堵塞， 导致介质渗透性能降低。 含水层本身即构成一个物理、化学和生物环境，对地下水的化学成分起着制衡作用，回灌水迅速而集中地进入地下含水层后，急剧地改变了原来水岩作用的平衡状态，

33、新的溶解、沉淀等反应过程不但可能导致水质变化，也极有可能改变含水介质的渗透性能，即发生化学堵塞。生物堵塞本文的研究对象，即由于回灌水水质较差，其中含有的溶解类有机物（有机碳、氮、磷等）及无机盐类在回灌的同时输入到地下水含水层中，改变了地下水原来的环境，为含水层中微生物发育创造了有利条件，微生物大量繁殖，形成的生物体和代谢产物附着或堆积在含水介质表层，使含水介质的渗透能力降低，从而发生生物堵塞（Mauclairel，2006）。 1.2.1 生物堵塞的机理 人工回灌改变了地下水的补、径、排条件，在注水过程中带入了溶解类有机含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 3质（有机碳、氮、磷等）及无机盐类（

34、硫、铁等） ，改变了原有介质的条件，无疑为土壤中微生物的发育创造了有利条件，使它们开始大量繁殖。 当条件适宜时，微生物在多孔介质中生长繁殖并附着于介质颗粒上，填充了孔隙空间，造成多孔介质孔隙度下降，渗透系数降低，这种现象即生物堵塞。很多学者通过实验验证了生物堵塞现象。Shaw 等（1985）用玻璃珠作为骨架构建多孔介质，接种假单胞菌，发现假单胞菌生长产生由菌落集合体和胞外聚合物构成的生物膜，附着于玻璃珠上，导致介质渗透性能的降低。MacLeod（1988）设计对比实验发现，在营养环境中，佛里德兰德氏杆菌可以产生大量蛋白质-多糖复合物，使玻璃球多孔介质的渗透系数大幅降低，而饥饿环境下，佛里德兰德

35、氏杆菌几乎不产生蛋白质-多糖复合物，渗透系数也没有明显变化。Cunningham（1991）在玻璃珠和砂介质的实验中，发现渗透系数都会随微生物富集量的增加而降低。 Allison（1947）观察到由于微生物的作用，饱和多孔介质在长期渗流过程中渗透系数减小，并将这一现象解释为土壤孔隙被微生物细胞及其产物、分泌的粘液或多聚糖类物质堵塞造成的。Baveye 等（1998）系统指出了细菌导致的生物堵塞的四种作用机理：多孔介质中细胞体的累积效应；细菌分泌的胞外聚合物，尤其是多糖聚合物的累积效应；生物活动产生的气体产物的滞留效应，如呼吸作用产生 CO2、反硝化作用产生 N2等；以微生物为媒介的沉淀物累积效

36、应。 回灌水中主要的生物种类由藻类、细菌等微生物群落所组成。学者们普遍认为在生物堵塞过程中发挥主要作用的是细菌（Chapelle，1992） ，关于藻类繁殖造成生物堵塞的研究则相对较少。含水层中的细菌需要外部碳源供其生长合成，以及电子受体供其分解代谢， 物质的运移和消耗与含水层条件和细菌种类有很大关系，在堵塞的实地研究中每年都会发现新的菌种。 生物堵塞的影响因素主要包括回灌水水质（总有机碳、溶解性有机碳、氮、磷等营养物质浓度） 以及地下环境的酸碱度、 温度和氧化还原电位等条件 （路莹，2009；Martin，2010） 。 1.2.2 生物堵塞的规律研究 一般采用室内模拟或野外现场试验的方式研

37、究生物堵塞的特征和规律。 野外含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 4试验可以真实反映实际环境条件， 有利于对堵塞的发生与发展进行更准确的预测与评价。 然而由于野外条件的复杂性及试验条件的不确定性等因素给堵塞分析带来了一定的困难，因此室内模拟实验方法在许多研究中被广泛采用，其中土柱及砂槽实验是研究堵塞现象的最简单、最常用也是最有效的方法。根据渗流维度，室内模拟试验又可分为一维和多维（主要是二维）试验模拟。 一维模拟多采用砂柱渗流的方式，即将渗流液（通常是营养液）通过装填介质的砂柱，水流沿柱长形成一维流动，测定或设置流量、土柱不同位置处的水头以观测渗透系数的变化，达到研究生物堵塞过程的目的。Va

38、ndevivere（1992）用清洁石英砂装柱，杀菌后接种不同菌株，在持续供给新鲜营养液的条件下，令其在沙土中增殖，发现产粘液菌株对渗透性影响较大，外聚合物的产生对细胞在砂柱中的增殖和运动皆无影响。Parveli（2011）等在恒温或温室条件下，为期八周运行时间，评价土壤类型、水源处理程度、积水深度、温度、光照因素对土壤含水层处理系统（SAT）堵塞的影响，结果表明渗透性较高的砂土堵塞更为严重，但其渗透系数的绝对值量级仍高于壤土；水质越好最终渗透系数越高；较高的积水深度由于压缩作用堵塞发展更快。Kim（2010）利用装填玻璃珠的流通池，比较了两种流速和两种营养水平的生物堵塞效应， 发现流速对堵塞

39、开始时间有明显的影响，而流量大小决定了生物膜的密度和堵塞发展速度，生物膜的密度又是影响其抗剪切能力的重要因素。Cunningham（2003）等用光学方法测定形成堵塞的生物膜厚度， 研究了生物膜厚度与介质孔隙度、 渗透率、 摩擦因子之间的关系：最大生物膜厚度变化与初始渗透率有直接关系， 生物膜数量随时间变化成反曲线形状；生物膜增长到一定程度后会堵塞孔隙空间，渗透率、孔隙度随之降低，摩擦因子增大；最终渗透系数与介质粒径关系不大。Angela（2002）利用砂柱研究了粒径、流量、营养液碳氮比对介质渗透系数和弥散度的影响，结合微生物量和水流剪切力的计算，结论是流量、生物生长条件、生物膜结构以及渗透系

40、数之间的关系非常复杂，并未呈现明显的规律。Stewart（1990）等使用用甲醇作为微生物生长基质， 模拟一维渗流条件下的微生物堵塞过程， 研究了砂柱不同位置水头、基质浓度、微生物量随时间的变化。最终砂柱整体渗透系数降低了三个数量级，并用开放孔隙模型解释了渗透系数降低下限的问题。 Vandevivere 等（1992）在石英砂柱渗流试验中发现，产粘液菌株的生长显含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 5著的降低了介质渗透系数。Dennis 等（1998）用粉土作介质，观察到林克氏菌对介质渗透能力的削减现象。Kilsgaad 等（2001）利用砂槽实验，通过二维模型和示踪剂的运移研究生物堵塞的过程

41、，在堵塞过程中，注入酞青染料，用数字成像手段记录示踪剂的运移过程。 肠膜状明串珠菌利用不同的碳源， 可以选择性的产生葡萄聚糖一种非溶性胞外聚合物，Stewart 等（2001）利用该菌的这一特性，结合填充床式试验和网格模型试验，研究微生物堵塞现象及主要机制。依据胞外聚合物的状态，将堵塞划分为三个阶段： 胞外聚合物诱导期、 堵塞期、 堵塞发展期。 Thullner 等 （2002）研究了二维流场中细菌的生长以及细菌、水流之间的相互作用。Cunningham（2003）还研究了田间尺度下的生物堵塞现象，在间歇注入营养液三个月后，平均渗透系数降低了 99%。Engesgaard（2006）通过示踪研

42、究发现生物堵塞会使水流流态由最初的均匀流变为非均匀流，并导致优先流的产生，微生物菌落的选择性分布会导致介质弥散度随时间直线降低。Kim（2004）在砂土和残积土中接种细菌、真菌，观察生物膜形成对渗透系数的影响，对比若干组实验的渗透系数发现，无营养提供和冻融循环条件下渗透系数比最小值高 30-50%。Fuchs（2001）进行一维柱试验和全尺度试验研究污水渗漏非饱和带的生物降解和生物堵塞问题，认为颗粒物的沉降和微生物生长共同导致了孔隙空间的堵塞和渗透系数降低。Arnon（2005）在实验室尺度下研究了微生物活动对裂隙岩透水性的影响，将导水系数的降低归因于细菌体及其分泌的胞外聚合物的堵塞。 相较于

43、物理堵塞，生物堵塞的发生比较缓慢，往往在回灌开始后的几天或几个星期后出现 （2000） ； 入渗介质的渗透系数在最开始的 10 天左右降低最为迅速，其后则是缓慢下降。黄修东等（2009）在试验室内用砂柱模拟井灌过程中注水井周围砂层的堵塞过程，结果表明机械堵塞和微生物堵塞是砂柱堵塞的主要原因，砂柱中对悬浮物和微生物的过滤、吸附作用较强的上部堵塞更严重。Okubo（1979） 采用定水头向砂柱供水的方式， 研究了初始流量对生物堵塞效应的影响，通过对比实验发现只有最高的初始流量会使得砂柱底层发生堵塞。 对于地表入渗系统中生物堵塞的发展空间，不同学者得出的数据尽管不尽相同，但可以确定的是堵塞现象仅出现

44、在入渗表层（Ripley，1973；Goddrich，1990；Okubo，1983） 。渗透系数的降低可达 34 个数量级（Stewart，1990） 。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 61.2.3 生物堵塞的数学模型 控制和预测回灌过程中含水层的堵塞是研究生物堵塞的最终目的， 建立符合实际规律的数学模型是一个重要的途径。 对于生物堵塞数学模型的研究目前多集中于微生物生长和渗透系数降低模型方面。一般思路为：由微生物活体、死体及其产生的胞外聚合物构成的生物膜覆盖于介质颗粒表面，占据孔隙空间，导致介质渗透能力下降。 生物膜的厚度由微生物基质利用生长与内源消耗死亡的平衡关系决定，由生物膜的

45、厚度可以进一步计算出介质孔隙度的变化。渗透系数降低模型致力于建立孔隙度与渗透系数的关系，也是生物堵塞模型中的关键内容，许多学者在这方面进行了大量研究，提出了各种模型。 Taylor 模型 （1990a） 假定颗粒表面附着等厚的微生物的， 通过 random cut and rejoin 孔隙模型与 Mualem 渗透率模型推导出的生物膜和渗透率关系式： 20332225 . 0, 1)(8=fbfflfbbLrILRIRLLnk （1-1） 其中1001=Rrn，()()dxxxuIu+=03331, 式中：kb为多孔介质堵塞后的渗透率，为无量纲常数，n0、nb分别为生物堵塞前后多孔介质的孔隙

46、度，Lf为生物膜厚度，r0、R 分别是最小和最大孔隙半径，r0b为堵塞后孔隙的最小半径， 是用于衡量孔隙大小均匀程度的孔隙大小分布指数。 Seki 模型（2001）假定微生物以菌落形式覆盖于土壤颗粒表面，颗粒表面上有一层与菌落形状无关、厚度为 Lb的等厚菌落包络空间。实际菌落在菌落包络空间中所占百分比表示为 ，其值介于 0 和 1 之间，当 远小于 1 是，颗粒表面微生物以离散的菌落形式存在；当 值接近 1 时，颗粒表面则接近于形成了一层等厚的生物膜。 313/103/10001)1(11)1 (1+=nnnkkb （1-2） 式中：k0、kb分别为堵塞前后多孔介质的渗透率，n0为多孔介质的初

47、始孔隙度，为微生物体积占初始孔隙体积的比例，为实际菌落在菌落包络空间中所占的百分比，为多孔介质的形状因子。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 7Clement模型（1996）是不考虑微生物具体形态的宏观模型，该模型没有对微生物的生长模式进行假设，不需要具体颗粒表面生物膜生长的厚度，仅使用颗粒表面生物量数据，数据的获得比较容易。另外，已有文献通过试验比较的方法证明了该模型的预测结果的可靠性（杨靖等，2011） ，因此该模型的应用范围比较广。Clement模型的具体形式为： 61900)(nnkk= （1-3） 式中：k、k0分别代表渗透系数和初始渗透系数；n、n0分别代表孔隙度和初始孔隙度。

48、 生物堵塞定量模拟模型可以分为两种类型：经验模型和理论模型，经验模型是对堵塞程度（水头或渗流流量）和时间建立一个与水质、水动力条件以及一些环境参数等要素有关的经验关系，如指数模型（Blanchi等，1978） ，引入一个反映堵塞速度的堵塞常数H，入渗速率随时间呈指数下降，不过，Ives（1963）指出在堵塞初期，入渗速率随时间线性降低，其后才适用指数模型。Taylor 等（1990b）建立了相对渗透系数与生物碳的关系模型，结合对含水层生物碳量的定量进行模拟预测。经验模型的缺点是只能应用于特定研究对象，优点是能够简便地对堵塞潜力做出基本评价。 理论模型比较复杂，且需要大量基础数据，但能够更全面准

49、确的代表堵塞机制， 有利于认识整个堵塞问题。 含水介质的生物堵塞模型构建应当考虑三个方面：一是营养的变化，即营养物质随着水流在介质孔隙中运移，同时不断地被微生物利用和消耗；二是微生物量的变化，即微生物利用营养物质生长繁殖的过程；三是孔隙度和渗透性的关系，微生物在孔隙中积聚，堵塞了原来的水流通道，造成含水介质的渗透系数降低。因此，理论模型应当包括三个耦合的过程：水流及基质运移水动力过程、微生物生长及其导致的基质转化过程、微生物富集降低介质渗透系数过程。 对含水介质生物堵塞的综合模拟研究目前还比较少见。路莹（2012）建立了地下水回灌过程中沿入渗途径上微生物堵塞程度的预测模型， 对模型中最关键的要

50、素（微生物生长规律）的描述较为简单，没有考虑营养物质消耗对微生物生长速率的影响，且模型未经实际数据检验。Brovelli等（2009）建立的模型能够充含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 8分考虑到各个过程的规律，但采用文献试验数据检验模型，只能采用拟合和经验估值的方式对参数赋值，其结果不够严谨。 1.3 研究内容研究内容研究内容研究内容 1.3.1 主要研究内容 （1）含水介质生物堵塞的发展规律 借助实验室一维渗流柱，人工赋予微生物生长的适宜条件，模拟在一维稳定渗流条件下典型含水介质中微生物堵塞的过程：分层测定介质中微生物生长情况，包括渗流过程中悬浮态微生物量和最终附着态微生物量；测定渗流期

51、间水质随时间、深度的变化；测定渗透系数随深度和时间的变化，结合微生物量、水质变化，综合分析微生物堵塞效应，初步探索含水层生物堵塞的发展规律。 （2）含水介质生物堵塞数学模型的建立 基于质量平衡思想，以微生物生长的Monod动力学方程、一阶吸附-脱落模行、对流-弥散模型等为理论假设基础，整合成为回灌过程中含水介质的生物堵塞模型。建立室内试验条件下的的生物堵塞数学模型，采用相似条件下的独立试验确定关键参数的值，应用Comsol软件求解模型，对模拟结果与试验结果进行比较以检验该模型。进行参数敏感度分析，评价各参数的敏感程度。 （3）含水介质生物堵塞的数值模拟法分析 基于生物堵塞的数值模拟法，分析回灌

52、过程中生物堵塞的发展过程和规律；研究不同水动力、水质条件下生物堵塞的发展过程，对不同条件下堵塞在时间、空间上的发展特征和影响规律进行探讨。 （4）单井回灌过程中生物堵塞的数值模拟 基于潜水井的Dupuit理论，建立简单情况下单井回灌的水动力方程，并结合第三章建立的生物堵塞各模块方程， 形成单井回灌过程含水层生物堵塞的数学模型，对井灌过程中的生物堵塞效应进行模拟研究，并比较水质对堵塞效应的影响。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 91.3.2 技术路线 图 1-1 技术路线 生物堵塞规律分析 一维渗流柱模拟试验 试验结果分析 收集查阅文献资料 设计研究方案 设计模拟试验方案 取样、 分析试验

53、材料 基本性质 推导生物堵塞数学模型 一维、定流量渗流条件下的生物堵塞模求解模型 人工回灌过程中含水层生物堵塞的总结 生物堵塞机理的理论假设 检验 定解条件 参数的敏感度分析 定水头条件生物堵塞的发展规律 水动力、水质条件对堵塞效应的影响 单井回灌过程生物堵塞数学模型的建立 堵塞发展规律和特征分析 水质影响比较 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 10 2 2 2 2 含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞产生规律研究产生规律研究产生规律研究产生规律研究 2.1 供试材料供试材料供试材料供试材料 2.1.1 多孔介质 试验所用砂取自大沽河下游地区咸水含水层，风干后过

54、2mm筛备用。砂样基本性质的测定包括：粒度分布、颗粒密度、有机质，测定方法见表2-1。 表 2-1 砂样基本性质测定方法 测定项目 方法 粒度分布 筛析法 颗粒密度 比重瓶法 有机质 烧失量法 表2-2和图2-1分别为介质砂样颗粒级配（曲线） 。砂样的平均粒径（D50）为0.65mm， 细 度 模 数 为3.39。 根 据 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 GB/J14684_2001 建筑用砂标准，可以判定所选用的砂样为粗砂。理化性质分析结果见表2-3。 表 2-2 介质的颗粒级配 粒径范围21 10.5 0.50.25 0.250.1 0.10.075 0.0750.005 百分

55、含量/% 31.8 30.1 30.2 6.5 0.8 0.6 图 2-1 试验用砂的颗粒级配曲线 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 11 表 2-3 介质的理化参数 参数 有机质/(g/kg) 颗粒密度/(g/cm3) 孔隙度/(%) 干容重/(g/cm3) 初始渗透系数/(cm/min) 值 1.90 2.66 42.48 1.53 3.54 2.1.2 接种物 砂样采集后放置时间较久，脱离了原来地下水环境，微生物的存活量很低，因此在装柱前按照一定的比例在砂中混入经过富集培养的池塘水复合菌群菌液，以模拟水质较差时的地下水生态环境。 原始水样于2012年6月取自中国海洋大学人工湖，其水源

56、为中水。每天向水样中分别按照500mg/L、 30.6mg/L、35.1mg/L浓度的量投加葡萄糖、氯化铵、磷酸氢二钾，即碳氮磷比25:1:1。曝气培养4-6天后静置，取上层清液，难以沉降的大颗粒杂质和絮体用60目滤布过滤去除，继续曝气培养15天，水中的复合菌群适应环境而达到稳定，可用作渗流试验接种菌液。 2.1.3 渗流液 人工配制营养液作为模拟试验的渗流液。 按照25:1:1的碳氮磷比， 向自来水中添加葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾作为微生物生长必需的碳、氮、磷源，葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾的浓度分别为60mg/L、3.67mg/L、4.21mg/L。根据葡萄糖完全氧化所需的氧量，计算出该渗流

57、液的COD值为64mg/L。 2.2 试验装置试验装置试验装置试验装置 渗流系统主要由渗流柱、蠕动泵、输水管、供水瓶组成，见图2-2 。渗流柱渗流柱由有机玻璃制成，高23cm，内径5cm。柱体一侧面布设测压孔，为了保证截面上均匀渗流，试验采取的渗流方向为自下而上，因此按照由密变疏的监测断面布设原则，测压孔布设间隔由下而上依次为2cm、2cm、2cm、6 cm、6 cm，另一侧面布设取样口，布设间隔由下而上依次为2cm、4cm、6 cm、6 cm。输水管为46硅胶管，蠕动泵型号LEAD-2。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 12 1-测压管；2-取水口；3-蠕动泵；4-供水瓶；5-出水口

58、图 2-2 试验装置示意图 图 2-3 渗流试验实样图 2.3 试验步骤试验步骤试验步骤试验步骤 （1）装样和接种 装样前，在有机玻璃柱内测压孔与取样孔处贴上合适的纱网，以防止砂样随水流出。然后将风干、松散、混合均匀的砂样按照1：10的质量比混入菌液，按等容重法分层装入柱中。每次装填2 cm厚砂样，用捣捧将其压实，层间刨毛，尽量保持砂柱的均匀性。装样完毕后连接测压管。装好的砂柱静置2 h，以保证介质颗粒一定的微生物初始附着量，然后进行后续操作。 （2）饱水 从底部向土柱内缓慢通水，尽量避免产生气泡，完全饱水后继含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 13 续以缓慢的速度向砂体内持续通水，以驱赶砂

59、柱内的气泡并使渗透系数达到稳定。 （3）测压管水位的校正 饱水后使砂柱水位保持一定值，关闭各个出流口，若此时测压管的水位不在同一水平面上，则说明测压管内有气泡存在，需通过排气来进行校正（此过程需要反复进行） ，最终使各测压管水位差小于1 mm为准。 （4）装置各项条件调节并稳定后，测定初始渗透系数K0。 （5）渗流模拟 按照一定流量持续通入回灌水，模拟生物堵塞的过程。定期记录测压管水头计算渗透系数，从不同深度的取样口取水样分析生物量和水质。 （6）待渗透系数变化基本稳定时，停止试验。按照不同深度取砂样，分析不同深度处的介质附着微生物量。 2.4 监测指标与方法监测指标与方法监测指标与方法监测指

60、标与方法 2.3.1 渗透系数 含水介质堵塞最直接的表现是透水能力的降低，即渗透系数减小，因此采用渗透系数来表征含水介质的堵塞程度。试验期间，每隔一段时间，读取各点测压管水头值，测定出水口流量，按照达西定律计算各层的平均渗透系数。 hdxQk24 = （2-1） 式中：k为渗透系数（cm/min） ，Q为渗流流量（mL/min） ，d为砂柱内径（cm） ，x为相邻两测压管间距（cm） ，h为对应测压管水头差（cm） 。 渗流期间各段瞬时渗透系数与初始渗透系数的比值即为“相对渗透系数”， 它可以直观的反映介质的堵塞程度。由于生物堵塞主要发生在入渗的前段，造成含水介质的非均质性。为了分段研究含水介

61、质渗透性的变化规律，将砂柱划分为5个区段，分别为02cm、24cm、46cm、612cm、1218cm（以进水端为坐标原点） ，各段的相对渗透系数分别记作1K、2K、3K、4K、5K。 2.3.2 悬浮生物量 2.3.2.1 原理 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 14 采用比浊法测定水中悬浮细菌浓度。 比浊法是采用浊度计或比色计测定培养液中微生物的数量。其原理（杨广，2005）是某一波长的光线，透过浑浊的液体后，其光强度将被减弱。投射光的强度（OD）与样品液的浊度和液体的厚度相关。如果样品的厚度一定，OD值与样品的浊度有关，根据此原理，可通过测定样品的OD值来代表培养液中的浊度。由于菌悬

62、液的浓度与浑浊度成正比，因此可利用光电比色计测定菌悬液的光密度来推知其浓度。一般来说，菌悬液的最大吸收波长是600nm，因此本研究采用OD600值测定渗流液中悬浮微生物浓度。 具体方法是利用血球计数板测定标准系列的细菌浓度， 然后作出细菌浓度与对应OD600值的标准曲线， 根据此标准曲线即可较为简便的将水样OD600值换算为悬浮细菌浓度。 2.3.2.2 标准曲线的绘制 取5mL接种菌液在100mL含葡萄糖、氯化铵、磷酸氢二钾浓度分别为100mg/L、6.12 mg/L、7.02 mg/L的培养液中、室温27条件下培养，取生长时间4h、6h、7h、8h、9h的培养液作为标准系列。采用血球计数板

63、直接计数法测定标准系列的菌浓度，以菌浓度为横坐标、OD600值为纵坐标作图，得到比浊法表征菌悬液浓度的标准曲线，如图2-4所示。 图 2-4 比浊法测定悬浮细菌浓度的标准曲线 2.3.3 附着微生物量 拆柱分层取砂样，用氯仿熏蒸法测定不同深度处介质微生物量碳，具体方法含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 15 是将每层砂样混匀后各取3份，一份测定含水率，一份经过氯仿熏蒸24h后，测定0.5 M K2SO4溶液浸提液的总有机碳含量，一份测定未作熏蒸处理的K2SO4浸提液的总有机碳含量，从而计算出各砂样中的微生物量碳，式（2-2）为其计算公式。 )1 (/00WkMVCMVCBECc= （2-2）

64、 式中：cB 微生物量碳（mg/g干砂） ；C，0C熏蒸样和未熏蒸样浸提液的总有机碳浓度（mg/L） ；V浸提液体积（L） ；M，0M熏蒸样和未熏蒸样的质量（g） ；W砂样的含水率（%） ；ECk转换系数，取值0.45（陈国潮，2002） 。 2.3.4 水质测定 在渗流过程中，含水介质中的微生物从渗流液中吸收营养物质，合成新的细胞物质，并从中获取生命活动所需要的能量，完成机体的生长和繁殖。同时，溶解氧作为微生物好氧呼吸的最终电子受体被利用消耗。因此，营养物质和溶解氧量的降低可以反映微生物的生长情况，本研究中选取它们作为水质监测指标。 采用COD表示渗流液中营养物质（主要是葡萄糖）含量的变化。

65、采用快速消解分光光度法（HJ/T 399-2007）测定水样的COD值。 溶解氧浓度的测定采用电极法。 2.5 结果与分析结果与分析结果与分析结果与分析 试验从2012年8月11日开始，共持续24天。介质中的微生物在营养物质持续稳定的供应下，不断生长富集并随水流迁移，导致介质和渗流液的物理、化学、生物特征在时间、空间上发生变化。其中最为直接的表现是介质渗透系数的变化，即“生物堵塞”效应。 2.5.1介质渗透性的时间和空间变化 渗流期间，砂柱各区段相对渗透系数记录结果见图2-5。渗透系数随时间逐渐降低，越靠近进水端，渗透系数降低发生的越早，且降低幅度越大。各层的堵塞发展呈现相似的规律，根据渗透系

66、数减小的速度基本可划分为未堵塞期、堵塞含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 16 期、缓慢堵塞/平稳期。距进水端由近及远前三层的堵塞期分别大致出现在72-120h、135-280h、144-385h。距离进水口越近，未堵塞期和堵塞期时间越短，从极端的角度看，0-2cm段几乎不存在未堵塞期，而6cm段堵塞期和缓慢堵塞/平稳期之间无明显分界。 经过为期24天的渗流后，最终0-2cm、2-4cm、4-6cm、6-12cm、12-16cm段渗透系数分别降低至初始值的6cm部分的堵塞比较微弱。说明随着时间延续，浅层堵塞持续加剧，而深部堵塞受限。从水质变化情况（图2-6）来看，微生物可利用的营养物质几乎已

67、在浅层耗尽，而6cm区域在整个渗流期的COD一直维持在25mg/L以下。另外，由于颗粒重排也是造成渗透系数降低的一个不可忽视的因素，甚至有可能在6cm段成为造成渗透系数下降的主要原因，因此，生物堵塞没有向深层发展的原因是缺乏有效营养的供给。 图 2-5 介质渗透系数的时间与空间变化曲线 2.5.2渗流液水质变化 渗流液从底部进水口源源不断的输入到砂柱内， 在渗流过程由于微生物的利用而浓度降低，COD值可以反映渗流液的“营养剩余”。 图2-6为渗流期间砂柱不同位置水样的COD测定结果。在松开取样口阀门取水样时，尽管控制取水流速含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 17 很小，柱内流场还是不可避免

68、的受到了一定干扰，观察到取样位置处测压管水位比相邻两个测压管都低，说明取出的水样为取水口两侧附近混合水样。 图 2-6 砂柱各处渗流液 COD 变化曲线 从图2-6中可以看出，0.5cm、2cm、6cm附近渗流液中的营养在最初的约120h内被迅速消耗，COD浓度分别由55、40、34、25、20mg/L降至30、28、20、16、17mg/L，说明前120h内营养在距进水口0-6cm的范围内迅速被微生物降解利用。随着微生物量的增长，营养物质的消耗越来越大，168h后各取水口水样COD均降至15-20mg/L，随后在此范围内波动，基本不再变化，据此还可推测：COD低于15mg/L时的剩余营养是无

69、法被微生物利用的， 或者是水力停留时间过短致使剩余营养来不及被利用。 （2）溶解氧 图2-7表示试验期间砂柱进出水的溶解氧浓度变化。进水溶解氧浓度在7.22mg/L和8.22mg/L之间波动，基本保持稳定；出水溶解氧浓度在最初24h内急剧下降至约0.2mg/L以下，此后基本保持不变。试验结束后分析介质生物量发现， 生物集中在存在于进水端附近， 另外联系前文提到的在距进水口0-6cm的范围内营养被微生物耗尽的规律，可以推断，溶解氧也是在距进水口较近的区域内被消耗尽，因此，砂柱中除了进水口附近外，大部分空间在整个试验期间是处于厌氧条件的，这也进一步制约了微生物的生长速度。 含水介质生物堵塞的回灌试

70、验和数值分析 18 图 2-7 进水和出水中溶解氧浓度的时间变化曲线 2.5.3微生物量变化 微生物利用渗流液中的营养物质而大量生长繁殖，一部分附着于介质表面（附着态） ， 一部分游离于孔隙水中 （悬浮态） 。 两种存在形态互相转化， 一方面，悬浮态微生物受范德华作用力向介质颗粒表面附着，另一方面，由于水流剪切作用或微生物自身衰老等原因粘性降低，附着态微生物会发生脱落，进入水相中成为悬浮态，其中一部分会还可能在下游重新附着图2-8和2-9分别记录了渗流过程中砂柱各处悬浮态细菌浓度和渗流结束后砂柱各处介质中微生物量碳的变化。 图 2-8 不同取样口流出液中悬浮细菌量随时间的变化曲线 含水介质生物

71、堵塞的回灌试验和数值分析 19 图 2-9 渗流试验结束时不同位置介质附着微生物量碳和渗透系数 渗流前3天，砂柱各处悬浮细菌浓度很小且基本无变化，这也契合了此阶段渗透系数未开始下降的事实。距进水口0.5cm、2cm、6cm、12cm、18cm附近渗流液中悬浮态细菌量出现明显增长分别出现在72h、120h、120h、312h、312h，对照图3发现，这些时间点与各层渗透系数开始下降的时间基本一致。砂柱中同一位置的悬浮态微生物量与附着态微生物量之间可以认为具有一定的相关性， 那么上述结果可以作为微生物富集导致回灌系统堵塞的有力证据。 最终介质附着微生物量碳和渗透系数的空间变化呈现了负相关的关系（图

72、6） ，进一步证明了随着微生物的生长富集，介质孔隙空间被堵塞，导致渗透系数降低。比较最终悬浮态和附着态微生物沿砂柱长度的分布量发现，相比于附着态微生物量沿柱长分布的悬殊的差异，悬浮态微生物量的差异并不是很大。笔者认为其原因是，上游介质中富集的过多的微生物受水流剪切力作用而脱落，进入水相中并随水流向下游迁移，削弱了上下游间悬浮微生物量的差异性。 2.6 小结小结小结小结 本章通过人工赋予一维渗流柱微生物生长的适宜条件， 模拟人工回灌过程中典型含水介质生物堵塞的过程，连续监测砂柱各处渗透系数、微生物量、水质随时间的变化。 通过对试验结果的分析，基本可以证明本试验中，砂柱渗流过程中微生物富集生长是导

73、致含水层渗透系数降低的关键原因。 综合试验结果， 可得出如下结论： 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 20 （1） 经过为期24天的渗流， 与砂柱进水口距离0-2cm、2-4cm、4-6cm、6-12cm、12-16cm段的相对渗透系数分别降低至t 3.2.2 模拟参数的确定 3.2.2.1 弥散系数 （1）测算原理 弥散系数是悬浮态微生物和营养物质的运移中的未知参数， 可用砂柱弥散试验测算其值。 试验条件为一维对流和一维弥散， 在饱水砂柱中连续、 定流量的注入示踪剂，从开始注入示踪剂计时，测定出水中示踪剂的相对浓度。相应的水质模型为（郑西来等，1998）： 0,022L=txxCVxCD

74、tC （3-13） =xxC00)0,( 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 26 =tCtC0), 0(0 t 4.2 含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞参量数值参量数值参量数值参量数值分析分析分析分析 4.2.1 COD降解 图4-1为COD沿柱长降解情况。COD沿柱长逐渐降低，降低速度随时间增快，出水口处COD的降解率随时间增大，在第5、10、15、20天分别达到6.3%、24.3%、69.5%、97.6%，其后基本耗尽。这是因为营养物质从进水口输入后，在运移路径上不断被微生物生长利用，故COD沿柱长逐渐降低；随着微生物量的增长，营养物质的消耗量越来越大，

75、故COD的降解率随时间增大。 由于距离进水口越近的地方微生物量越多，随着时间迁移，COD在前段降解越来越快，从第20天开始，COD基本在前段就降解完，且降解完的位置越来越靠近进水口。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 40 图 4-1 渗流液 COD 浓度沿柱长变化 图 4-2 砂柱不同位置处渗流液 COD 浓度的时间变化 从图4-2可看出，由于微生物的消耗，各处COD随回灌时间而降低，基本在第20-30天耗。距离进水口越远的位置，COD耗尽时间出现的越早，原因是距离进水口越远， COD在上游路径消耗的越多。 4.2.2 悬浮微生物量 从时间、空间上分别探求含水介质中悬浮态微生物浓度的变化

76、规律。悬浮微生物的贡献项包括自身生长、水动力运移、附着微生物脱落，削减项包括衰亡和吸附。 图 4-3 砂柱不同位置处悬浮微生物量的时间变化 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 41 各个位置的悬浮微生物变化呈现先增大， 然后经过一个转折点逐渐降低的趋势。距离入水口越近的地方，转折点出现时间越晚；距离入水口越远，悬浮微生物量降低速度越快。 结合COD降解来看，可以发现各处转折点的出现时间基本与COD耗尽的时间点重合，这也就解释了悬浮微生物量先增加后减小的原因。在转折点之前，悬浮微生物利用水中的营养物质生长繁殖，微生物量增长。同时营养消耗量越来越大，营养物质逐渐耗尽，出现转折点。之后，缺少可利用

77、的营养导致微生物生长量降为零，使该处悬浮微生物总量减小。转折点之后悬浮微生物的来源只剩下上游水流携带量（对流量） 、附着微生物脱落量和悬浮微生物吸附量，由于脱落量和吸附量是次级变量，悬浮微生物量越小，它们的贡献（耗减）作用越弱，因此这时的悬浮微生物来源主要是对流量，微生物在上游已被大量截附，下游所接受的对流量减小，最终造成转折点后悬浮微生物量逐渐减小。 距离进水口越远，营养耗尽的时间越早，所以悬浮微生物量转折点出现的时间越早。同时，距离进水口越远，上游路径越长，微生物被介质吸附量越多，所以悬浮微生物量减小的越快。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 42 图 4-4 不同时间下悬浮微生物量沿

78、渗流路径的变化 在图所显示的各时间点，悬浮微生物量在渗流方向上降低。降低趋势起初基本呈线性均匀下降，但随时间的迁移，呈现越靠近进水口降低幅度越大的趋势。营养耗尽致使微生物生长量为零，对流量成为悬浮微生物的主要贡献，而随着堵塞的加剧，对流量减小，另外上游的悬浮微生物被吸附截留，能够向下游传输的量越来越少，最终导致前后段悬浮微生物量差距越来越悬殊。 4.2.3 附着微生物量 介质上附着的微生物量的累积包括自身生长、衰亡、吸附和脱落，其中生长和吸附是贡献量，衰亡和脱落是削减量。第10天，附着微生物量沿柱长均匀下降，这是由于营养在渗流路径上不断被降解，即沿柱长方向各处附着微生物所得到的营养不断减小导致

79、的。经过一段时间的累积，靠近进水口处的附着微生物量大量增加，而下游在第20天后获得的营养基本为零，不再生长，故附着微生物量从进水口开始，沿柱长方向迅速减小，前后差异悬殊，最高相差达到5个数量级。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 43 图 4-5 不同时间附着微生物量沿渗流路径的变化 分析砂柱后段附着微生物量随时间的变化， 发现其规律与悬浮态微生物量相似，都经历了一个先增大后减小的过程，其转折点出现的时间，二者基本吻合，也与营养耗尽时间基本重合。可见，造成这一现象的主要原因同样是在于营养物质的供给。略有不同的是，距砂柱1cm处附着微生物量一直处于增加状态，只是在“转折点”之后增加速度变缓。

80、这是因为附着微生物量有“累积”效应，前期产生的附着生物量不断累积，再加上该处距离进水口较近，在模拟期间营养浓度尚未降至零，因此可以通过悬浮微生物吸附量和自身生长量实现总量的缓慢增加。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 44 图 4-6 砂柱不同位置处附着微生物量的时间变化 4.2.4 渗透系数 从两图都可以看出，模拟期间，渗透系数的降低沿柱长逐渐减小，仅在距进水口0-6cm段发生明显下降。距进水口1cm处出现明显堵塞的时间开始于第20天，渗透系数降低速度呈先增加后减小趋势。 渗透系数的变化与附着微生物量变化息息相关，最初随着附着生物量的累积，其增长速度也越来越快，堵塞发展越来越快，因此在前

81、30天渗透系数降低速度呈加快趋势。30天之后，由于微生物对营养的消耗以及流速的降低，生物量增加量逐渐减小， 故堵塞发展速度放缓。 而在距进水口较远的地方 （大于5cm） ，后期由于附着微生物脱落作用处于优势地位，甚至出现了解堵的现象。 图 4-7 不同时间渗透系数沿柱长变化 图 4-8 砂柱不同位置处渗透系数 的时间变化 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 45 4.2.5 出水流量 出水流量是衡量回灌效率的最直接的指标， 维持一定水平的出水流量是控制堵塞的根本目的。 模拟条件为上下边界定水头， 因此出水流量的大小与砂柱整体渗透系数成正比。初始出水流量为10.205mL/min，随着堵塞的发

82、展而降低，开始降低速度逐渐增大，27-35天最为剧烈，从9.65mL/min降至3.13mL/min，第36天降低速度开始减小，第150天降至0.008mL/min。这说明对于砂柱整体来说，渗透系数的降低速度也是呈先增大后减小趋势的。 从累计流量变化图来看，回灌初期，总回灌量稳步增加，在第35天达到约472 L，之后堵塞越来越严重，115天回灌量仅增加了260 L，回灌效率低下。 图 4-9 出水流量和累计回灌量随时间的变化 4.3 含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞含水介质生物堵塞影响因素影响因素影响因素影响因素分析分析分析分析 4.3.1 进水COD 模拟五种水质条件下回灌过

83、程中的生物堵塞，即设定进水COD浓度分别为10mg/L、20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80 mg/L，其他条件保持不变，分别编号为A组、B组、C组、D组、E组、F组。对各组的生物堵塞过程进行数值模拟计算。 4.3.1.1 出水流量 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 46 所有进水COD水平下，出水流量的降低都经历了先增快后减慢的过程，说明堵塞的发展速度同样经历了先增后减的过程。经过150天的回灌，A、B、C、D、E组对应的流量最终分别降低了66%、81%、91%、98%。另外，进水COD浓度越高，堵塞发展的越快，相应的堵塞缓慢发展期开始的时间也越早。 图 4-10 不同进

84、水 COD 水平下出水流量随时间的变化 4.3.1.2 累计回灌量 回灌前23天，各模拟组均尚未发生堵塞，累计流量线性增加，且各组的值相同。此后，COD浓度最高的F组累计流量率先开始小于前4组，然后按照浓度由高到低的顺序发生变化。COD浓度80mg/L的条件下，在23天后累计回灌量基本不再增加，说明砂柱基本已“堵死”。 A、B、C、D、E组最终累计回灌量分别达到1595 L、1109 L、731 L、509 L、386 L。可见在COD浓度小于40mg/L时，回灌量随COD浓度升高而大幅降低，当COD浓度大于40mg/L时，回灌量随COD浓度的变化开始减小。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分

85、析 47 图 4-11 不同进水 COD 水平下累计回灌量随时间的变化 4.3.1.3 堵塞程度与回灌量评价 按照出水流量降低比评价堵塞程度的大小，具体标准见下表。 表 4-3 堵塞程度评判标准 堵塞程度 轻度 中度 重度 出水流量降低比 0-20% 20%-50% 50% 根据此标准，划分各组不同堵塞程度的时期，并统计不同堵塞程度对应的最大回灌量。 表 4-4 不同 COD 浓度条件的堵塞时期划分与回灌量 轻度堵塞 中度堵塞 COD 浓度（mg/L） 出现时间（d） 累计回灌量（L） 出现时间（d） 累计回灌量（L） 10 1-70 1018 71-101 1300 20 1-41 600

86、42-53 712 40 1-26 385 27-33 462 60 1-20 301 21-27 383 80 1-17 258 18-24 343 进水COD浓度越大，堵塞发展的越快，一方面，轻度和中度堵塞期存续时间越短，相应的，重度堵塞期时间越长；另一方面，堵塞达到同等程度时，累计回灌量也越小。 4.3.1.4 堵塞的空间异质性 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 48 图 4-12 出水流量降低 66%时各砂柱相对渗透系数沿柱长的变化 上图表现的时刻，各组的出水流量均降低了66%，也就是说，砂柱的整体堵塞程度是同等的，但是堵塞程度的空间异质性却有所不同。从图中可以发现，距进水口小于6

87、cm的回灌前段，进水COD浓度越低，堵塞程度越高，其中，进水COD浓度最低的A组堵塞程度明显高于其它组；而在砂柱后段（6cm）各处， 进水COD浓度越高，堵塞程度越高。这说明，在水质较好时，生物堵塞的发展范围较小，堵塞在前段的严重程度大幅高于后段；水质较差时，生物堵塞的发展范围较大。 4.3.2 边界水头差 模拟三种水动力条件下回灌过程中的生物堵塞， 即设定上下边界水头差分别为0.2m、0.3m、0.4m，其他条件保持不变，分别编号为A组、B组、C组。对各组的生物堵塞过程进行数值模拟计算。 4.3.2.1 出水流量 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 49 图 4-13 不同边界水头差下出水

88、流量随时间的变化 所有边界水头差条件下，出水流量的降低都经历了先增快后减慢的过程，且在流量变化基本上同步发生改变。经尽管初始流量相差很大，但经过过150天的回灌，A、B、C三组最终流量基本相同，分别降低了97%、92%、94%。 4.3.2.2 累计回灌量 发生明显堵塞之前，累计回灌量稳步增加；堵塞开始之后（30-32天） ，边界水头差越大的模拟组，累计回灌量增速越慢，说明强水动力条件的堵塞程度高于弱水动力条件。 图 4-14 不同边界水头差下累计回灌量随时间的变化 4.3.2.3 堵塞的空间发展 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 50 选取出水流量降低66%的时刻，分析渗透系数沿柱长的变

89、化。A、B、C三组中度堵塞的开始位置分别为0.6-1.8 cm、0.8-2.4 cm、1-3 cm，重度堵塞范围分别为0-0.6 cm、0-0.8 cm、0-1 cm。说明堵塞发展的范围随着水动力条件的加强而扩大。 图 4-15 出水流量降低 66%时各砂柱相对渗透系数沿柱长的变化 4.4 小结小结小结小结 本章利用数值模拟方法， 对一维流场下回灌过程中含水介质生物堵塞效应进行了综合分析，对回灌过程中水质和生物量的变化规律、生物堵塞的发展进程与空间变化规律以及影响因素进行了阐述和探讨。得到如下结论。 （1）COD被微生物生长繁殖消耗，浓度沿柱长逐渐降低，降低速度随时间增快；距离进水口越远，营养

90、越早耗尽。 （2）砂柱各处悬浮态和附着微生物量都经历了先增大、后缓慢降低的过程，且距离入水口越远，减小趋势越显著。微生物都集中分布在进水口5cm范围内，并沿柱长降低，且随时间的迁移，上下游之间的差距越来越悬殊，附着态微生物量的差异最高甚至达到了5个数量级。 （3） 出水流量的随着堵塞的发展而降低，27-35天最为剧烈， 降幅达到64%。渗透系数仅在距进水口0-6cm段发生明显下降。 渗透系数降低速度前期呈加快趋势，后期由于附着微生物脱落作用处于优势地位，甚至出现了解堵的现象。 （4）水质越差，堵塞发展的越快，重度堵塞期开始的越早，堵塞达到同等含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 51 程度时的

91、累计回灌量也越小。水质较好时，生物堵塞的发展范围较小，但空间差异较大，即浅层堵塞较严重。 （5）水动力条件对堵塞的发展进度影响不大，但堵塞程度和发展范围随着水动力条件的加强而增大。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 52 5 单井回灌过程中含水层生物堵塞的模拟单井回灌过程中含水层生物堵塞的模拟单井回灌过程中含水层生物堵塞的模拟单井回灌过程中含水层生物堵塞的模拟分析分析分析分析 基于潜水井的Dupuit理论，建立简单情况下单井回灌的水动力方程，并结合第三章建立的生物堵塞各模块方程， 形成单井回灌过程含水层生物堵塞的数学模型，对井灌过程中的生物堵塞效应进行模拟研究。 5.1 问题提出问题提出问

92、题提出问题提出 5.1.1 研究背景条件 模拟区含水层初始渗透系数为30m/d，地下水埋深为3m，潜水含水层的底板距地表11m，将其作为基准面，即初始地下水水位为h0=7m。以恒定流量Q对一口完整井回灌，井的半径wr为0.5 m。 图 5-1 井灌径向流示意图 5.1.2 单井回灌生物堵塞数学模型的建立 距根据Dupuit理论假设（薛禹群，1997） ，对井回灌一定时间的后，井附近形成一个相对稳定的水位上升反漏斗，其水平半径为R，反漏斗边界周围的排泄量等于注水量，因此边界的水位h0将保持不变。 为了简化方程，应用Dupuit假设，将水流近似看作水平，等水位面是以井为圆心的共轴圆柱面，水动力方程

93、可以用极坐标的形式表示。根据达西定律，通过任意断面的流量为Q，则有： 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 53 dxdhxhKQ2= （5-1） 式中：x为半径坐标，物理意义是距离井中心的距离（L） ；h 为水位（L） ，K 为渗透系数（LT-1） 。此式即该堵塞问题的水动力方程。 对上式进行数学变换后可写为 KQdxhdx=)(2 （5-2） 分离变量， 并根据边界条件对上式积分可得到水流达到稳定时井周围的水位分布方程： xLKQhhln202+= （5-3） 假设生物堵塞的从水流达到稳定时开始。综合第三章建立的各模块方程，可以建立单井回灌过程中含水层生物堵塞的数学模型如下： 2Qdxdh

94、hxK= nBSkBSKSnMknBkvnBxxBDnxtnBSda1max)()()()(+= nBkMkMSKSMktMaSd+=1max)( )()()()(maxMnBSKSYvnSxxSDnxtnSS+= rhQv2= mMnn/0= 61900)(nnkk = xLKQhhln202+= 0=t 0)hh(R,t= 0t 0)0 (=，xB Rxrw 0)0 (=，xS Rxrw 0)0(MxM=， Rxrw 0)0(StS=， Rxrw 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 54 回灌条件与模型中各参数的取值情况分别见表5-1、5-2。 表 5-1 单井回灌条件 反漏斗半径(cm

95、) 初始渗透系数(cm/min) 反漏斗边界水(cm) 原始微生物量(mg/L) 50 2.43 7 2 表 5-2 单井回灌模型中各参数的取值 参数 D (cm2/s) 弥散系数 Y 产率系数 KS (mg/l) 半饱和常数 m (mg/l) 微生物密度 取值 0.0012 0.5 30 0.5106 参数 ka(1/s) 吸附速率系数 kd(1/s) 脱落速率系数 max(1/s) 最大比增长速率 k1(1/s) 衰亡速率系数 取值 0.0032 3.210-8 1.510-5 1.15710-7 5.2 模拟结果模拟结果模拟结果模拟结果 5.2.1 生物堵塞特征 回灌水中的营养成分促使在

96、回灌路径上微生物生长繁殖， 堆积于介质颗粒间造成堵塞，使介质的渗透系数降低。随着堵塞的发展，井中水位逐渐升高。以回灌流量50m3/h、回灌水COD浓度20mg/L为例，模拟运行30天，井中水位从第5天开始有明显抬升趋势，经过30天的回灌，井中水位从最初的11.10 m逐渐抬升到11.16m（图5-2） 。 图 5-2 回灌过程中井中水位的变化 回灌过程中距离井2m范围内，以井为圆心、沿径向相对渗透系数及附着微生物量的变化如下图所示。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 55 图 5-3 相对渗透系数、附着微生物量的空间变化 从图中可以看出，附着微生物主要堆积在距井1m以内，渗透系数也仅在此区

97、域内发生明显降低，说明在井灌过程中，生物堵塞的发展仅限于井周围很小的范围内。因此，回灌一定时间发生堵塞后，对井进行反冲洗，将堆积在介质颗粒间的微生物冲刷下来，通过过滤器抽出来，应当可以达到较好的治堵效果。 5.2.2 回灌水质对堵塞效应的影响 模拟4种水质条件下生物堵塞过程，COD浓度分别为5mg/L、10 mg/L、15 mg/L、40 mg/L，回灌水流量均为50m3/h。下图显示了回灌开始后，各组井中水位随时间的变化。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 56 图 5-4 不同 COD 浓度条件下井水位随时间的变化 回灌之前水位为7m，水流达到稳定时水位是11.098m，随着生物堵塞的

98、发展，井中的水位发生抬升，COD浓度越高，堵塞越严重，水位抬升的越快。各种水质条件下回灌时间与井中水位变化见下表。 表 5-3 不同回灌水 COD 浓度下回灌时间与井中水位的变化 回灌水 COD 浓度(mg/L) 回灌时间(d) 水位升高(cm) 5 51 1.1 10 48 4.9 15 37 5.7 40 26 9.7 回灌结束时，井周围相对渗透系数的分布如下图。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 57 图 5-5 不同 COD 浓度条件下回灌结束时渗透系数的空间变化 可以看出，当COD浓度为5mg/L时，生物堵塞是非常轻微的，经过51天的回灌后， 靠近井壁处介质渗透系数也仅降低了4.

99、5%， 井中水位只升高了1.1cm，其堵塞效应几乎可以忽略不计。 当COD浓度为10mg/L时，回灌48天后，靠近井壁处介质渗透系数降低了60%，井中水位升高了4.9m，堵塞效应较为明显。 根据城市污水再生利用地下水回灌水质标准 （GB/T 19772-2005） ，井灌回灌水COD浓度控制限制为15mg/L。在此浓度水平下，经过37天的回灌，靠近井壁处介质渗透系数降低了63%，井中水位升高了5.7cm，堵塞效应稍严重于COD浓度为10m/L。 当COD浓度为40mg/L时，仅回灌26天后，靠近井壁处介质渗透系数就降低了69%，井中水位则升高了9.7cm，意味着该条件下，若地下水埋深较浅，继续

100、回灌的话水位有可能溢出井口，回灌效率受到严重制约。 随着COD浓度水平的增高，堵塞的发展范围扩大。以渗透系数降低10%为治堵临界，则COD浓度10 mg/L、15 mg/L、40 mg/L模拟条件对应的需要治堵范围分别是距井1 cm、1.5 cm、2 cm以内，COD浓度为5mg/L时则无须治理。 5.3 小结小结小结小结 本章结合潜水井的Dupuit水动力方程，建立了单井回灌过程中含水层生物堵塞的数学模拟，模拟分析了生物堵塞的发展过程和特征。得到以下结论： （1）在以一定流量进行井灌的过程中，由于生物堵塞效应造成井周围介质的渗透系数降低，表现为井中水位逐渐升高。 含水介质生物堵塞的回灌试验和

101、数值分析 58 （2）生物堵塞的发展仅限于井周围很小的范围内。因此，可以定期对井反冲洗，将堆积在介质颗粒间的微生物冲刷下来，通过过滤器抽出井外，以达到一定的治堵效果，保证回灌效率。 （3）比较水质对回灌过程生物堵塞的影响：当COD浓度为5mg/L时，生物堵塞效应几乎可以忽略不计；随着COD浓度的增大，堵塞效应加剧，COD浓度10 mg/L、15 mg/L、40 mg/L时的堵塞范围分别是距井1 cm、1.5 cm、2 cm以内。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 59 6 结论与展望结论与展望结论与展望结论与展望 6.1 结论结论结论结论 地下水人工回灌是解决诸如地下水水位下降、咸水入侵、

102、地面沉降等问题的有效措施。但是由于回灌水水质往往不够理想，为微生物提供了生长繁殖的适宜条件，造成含水层的生物堵塞问题，严重制约了回灌效率。 本文利用室内试验和数值模拟的方式探讨了回灌过程中含水层生物堵塞的发展过程及特征。首先，采用室内渗流柱试验模拟了人工回灌过程中含水介质生物堵塞的过程，连续监测分析了砂柱各处渗透系数、微生物量、水质随时间的变化。在综合微生物生长的Monod方程、一阶衰亡模型、对流-弥散方程、微生物的一阶吸附-脱落模型和Clement孔隙度-渗透系数模型理论的基础上，建立了含水介质渗流过程中的生物堵塞数学模型， 并提出了模型中主要参数的试验确定方法；结合试验的特定水动力条件，模

103、拟了一维、定流量渗流时的生物堵塞过程，同时比较试验和数值模拟的结果，检验了模型的适用性和可靠性。然后，利用数值模拟方法，对一维流场下回灌过程中含水介质生物堵塞效应进行了综合分析，对回灌过程中水质和生物量的变化规律、 生物堵塞的发展进程与空间变化规律以及影响因素进行了阐述和探讨。最后，基于潜水井的Dupuit理论假设，建立了单井回灌过程中含水层生物堵塞的数学模拟， 模拟分析了生物堵塞的发展过程和特征。得到以下结论： （1）对试验结果的分析，基本可以证明砂柱渗流过程中微生物富集生长是导致含水层渗透系数降低的关键原因。经过为期24天的渗流，与砂柱进水口距离0-2cm、2-4cm、4-6cm、6-12

104、cm、12-16cm段的相对渗透系数分别降低至0.0017、0.0031、0.0071、0.51、0.51。堵塞在时间上的发展可分为未堵塞期、堵塞期、缓慢堵塞/平稳期，距离进水口越远，未堵塞期和堵塞期时间越长。堵塞在浅层（距进水口0-6cm）十分剧烈，堵塞的深部发展受到限制，营养物质沿柱长的急剧降低是其制约因素。砂柱介质中悬浮微生物量和附着微生物量都随渗流距离而减小，水流剪切力的作用削弱了悬浮微生物量空间分布的差异性 （2）一维渗流的数值模拟结果同样表明，生物堵塞的程度随时间逐渐加重，距离进水口越近，生物堵塞越严重。实测结果和数值模拟结果吻合程度很高，说含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 6

105、0 明本文建立的生物堵塞模型合理可靠，可为回灌系统堵塞提供预测。模型中的敏感参数包括max和Y，较敏感参数包括ka和kd，在实际应用时，应当对这些参数的选取加以关注。 （3）数值模拟分析结果表明， COD被微生物生长繁殖消耗，浓度沿柱长逐渐降低，降低速度随时间增快；距离进水口越远，营养越早耗尽。砂柱各处悬浮态和附着微生物量都经历了先增大、后缓慢降低的过程，且距离入水口越远，减小趋势越显著。微生物都集中分布在进水口5cm范围内，并沿柱长降低，且随时间的迁移，上下游之间的差距越来越悬殊，附着态微生物量的差异最高甚至达到了5个数量级。出水流量的随着堵塞的发展而降低，27-35天最为剧烈，降幅达到64

106、%。渗透系数仅在距进水口0-6cm段发生明显下降。渗透系数降低速度前期呈加快趋势，后期由于附着微生物脱落作用处于优势地位，甚至出现了解堵的现象。水质越差，堵塞发展的越快，重度堵塞期开始的越早，堵塞达到同等程度时的累计回灌量也越小。水质较好时，生物堵塞的发展范围较小，但空间差异较大，即浅层堵塞较严重。水动力条件对堵塞的发展进度影响不大，但堵塞程度和发展范围随着水动力条件的加强而增大。 （4）在以一定流量进行井灌的过程中，由于生物堵塞效应造成井周围介质的渗透系数降低，表现为井中水位逐渐升高。生物堵塞的发展仅限于井周围很小的范围内。 因此， 可以定期对井反冲洗， 将堆积在介质颗粒间的微生物冲刷下来，

107、通过过滤器抽出井外，以达到一定的治堵效果，保证回灌效率。比较水质对回灌过程生物堵塞的影响：当COD浓度为5mg/L时，生物堵塞效应几乎可以忽略不计； 随着COD浓度的增大， 堵塞效应加剧，COD浓度10 mg/L、15 mg/L、40 mg/L时的堵塞范围分别是距井1 cm、1.5 cm、2 cm以内。 6.2 展望展望展望展望 由于试验周期限制， 生物堵塞试验中采用了人工赋予的适宜微生物生长的条件， 这必然与实际情况有所差别； 另外， 一维流场、 定流量水动力条件比较简单，实际情况往往非常复杂。因此，为了研究更符合实际情况的生物堵塞发展规律，应当进一步对试验进行改进，例如，采用供实际回灌用的

108、雨洪水作为渗流液，将试验流场扩展为二维、甚至三维。有条件的话，可进一步在野外开展现场试验，以得到更加准确的规律。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 61 本文中建立的数学模型比较简单， 只能粗略的对生物堵塞过程中各量的变化进行计算，而实际生物堵塞的过程是非常复杂的，因此对生物堵塞的数学模型需要进一步完善，有条件的话应当开发专门的数值模拟软件。生物堵塞只是造成人工回灌过程中含水层的堵塞原因之一，将物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞三者的数值模拟结合起来，可从整体上对堵塞进行评价，在实际回灌工程的堵塞预测和控制中具有更好的应用价值。另外，应用数值模拟方法对生物堵塞发展过程进行预测时，参数的选择十分关

109、键，需要大量实际数据的支持，在今后的研究工作中应当以此为重点。 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 62 参考文献参考文献参考文献参考文献 北京水文地质工程地质大队. 地下水人工回灌试验研究J. 水文地质与工程地质, 1980 (1): 12-16. 陈国潮. 土壤微生物生物量熏蒸提取法中转换系数KEc的测定研究J. 土壤通报, 2002, 33(5):392-395. 代志凯, 印遇龙, 阮征. 微生物发酵动力学模型及其参数拟合的软件实现J. 计算机与应用化学, 2011, 28(4): 437-441. 高廷耀, 顾国维, 周琪. 水污染控制工程M. 北京: 高等教育出版社. 2006.

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134、a two-dimensional flow field in saturated porous media.J. Contam Hydrol. 2002, 58: 169-189. 含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 67 致致致致 谢谢谢谢 三年的硕士学习生活转瞬即逝，回顾这三年的时光，首先要感谢我的导师郑西来教授！三年的学习生活期间，每次与郑老师的交谈都使我受益非浅，郑老师科学严谨的思维理念、扎实深厚的专业知识、丰富的实践经验，以及宽容、豁达的处事方式都给我留下了深刻的印象，时刻影响着我，并将成为我一生的财富。 本文从从选题、试验到撰写、定稿都是在郑老师的悉心指导下完成的，郑老师严谨的

135、治学态度，认真的工作精神是我学习的榜样，也是鞭策我不断努力进取的动力，非常荣幸能有这样一位令人敬佩的导师。 感谢师门的各位师兄、师姐、同学的帮助和鼓励，感谢王丽艳、李菲菲同学在实验过程中给予我的帮助，使我能够顺利完成！ 最后，再次向在论文完成过程中所有帮助过我的老师、同学、朋友表示诚挚的谢意！含水介质生物堵塞的回灌试验和数值分析 68 个人简历 1987年12月10日出生于山东省招远市。 2006年9月考入中国海洋大学环境科学与工程学院环境工程专业，2010年7月本科毕业并获得工学学士学位。 2010年9月考入中国海洋大学环境科学与工程学院环境工程专业，2013年7月硕士毕业并获得工学硕士学位。 发表的学术论文 1王宏宇，郑西来.含水介质中生物堵塞模型建立和检验J. (已被水资源保护录用，中文核心期刊)