2024-01-01 06:30

气侵带的井能否反冲以恢复渗透能力?概念及实验室测试


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摘要。

真空带井(VZW)或干井允许高渗透速率和小面积需求。然而,它们很少用于管理含水层补给,因为浑浊的水会导致逐渐堵塞和渗透能力降低。现有的重建措施需要反冲洗,而这通常被认为是不可能的,使它们成为“不可再生的”。在本研究中,讨论了反冲洗VZW的可能性。底层方法的关键是隔离井的下部(堵塞的)部分,并通过上部(未堵塞的)筛管渗透水使其周围饱和。随后,欠压将周围土壤中的水吸到被隔离的部分。在实验室规模上,对该方法进行了砾石充填和不砾石充填的测试,结果表明,在两种情况下,该方法都成功地逆转了流动方向。通过测量井的排水时间来量化再开发的程度,堵漏后,井的排水时间分别从最初的无砾石充填45秒和砾石充填40秒增加到9500秒和11000秒。充填砾石的井经过反冲洗后,平均排水时间为95 s,在堵塞和反冲洗的10次循环中保持稳定。相比之下,没有砾石充填的井,即使在使用振动器后,排水时间也持续增加到>170 s。综上所述,采用该方法对VZW进行反冲洗是可能的,并且会对井的渗透能力产生影响,尽管对于砾石充填的井似乎更有效。

介绍

随着对清洁水的需求不断增加,使用管理含水层补给(MAR)作为一种廉价和可持续的蓄水措施越来越受欢迎(Dillon 2005;Gao et al. 2014;Stefan et al. 2020)。MAR用于缓冲季节性地表水或径流水的短缺/过剩(Henao Casas et al. 2021;Casanova et al. 2016),用于对废水进行额外处理,以再利用(Icekson-Tal et al. 2003;Sharma和Kennedy 2017)或用于其他目的,以及缓解与盐水入侵有关的问题(Ebeling等人,2019)。

有管理的含水层补给可以通过许多不同的方式进行。最常见的是,水通过渗透盆地或沟渗入含水层,因为它们便宜且易于操作(Bouwer 2002)。另一种选择是使用渗透或注入井。这些被广泛使用,需要更少的空间,但需要更谨慎的操作和维护,因为当水没有得到适当的预处理时,它们容易堵塞(Olsthoorn 1982;Jeong et al. 2018),因为通过井的每个区域的水力负荷比盆地渗透时大得多。

井堵塞的程度和动态在很大程度上取决于水质和井的设置。浑浊的水会导致筛管和砾石充填中颗粒的堆积,而堵塞速度主要取决于总悬浮固体(TSS)的浓度。此外,砾石充填的直径和安装对堵塞动态有显著影响(Jeong et al. 2018;Kalwa et al. 2021)。

通常,井的屏蔽部分位于饱和区,因为该井可以作为渗透和抽水的组合井,通常被称为含水层储采(ASR);Pyne 2005)。入渗井的抽水不仅是为了取水,也是为了清除堵塞层,恢复入渗能力。这种所谓的井的“反冲洗”是应用其他更先进的井清洗措施的基础,例如刷井、酸化或超声波增产(Fernandez-Escalante 2014;Houben and trekatis 2007)。

Bichara(1988)通过实验评估了对物理堵塞井进行再开发的不同涌流方法,并确定反冲洗仅在泵送的最初几秒钟对井的水力导电性产生影响。泵送时间延长至12小时并没有额外的好处。然而,多次反向流动被证明是高效的,并且可以恢复>70%的初始水力导率。

通常情况下,一口井只在气膜层进行筛分,然后被认为是“气膜层井”(VZW)或“干井”(见图1),这是一个非常明显的水深度的选择,这使得钻探到饱和层的成本很高(Edwards et al. 2016)。安装VZW的另一个原因是渗透区的生物降解潜力。由于孔隙中气相与液相的界面面积大大增加,土壤空气与土壤水之间的氧交换也大大增加。这确保了生物病的有氧条件,随后降解了许多有机污染物(Elkayam et al. 2015)。在这两种情况下,VZWs都可以为MAR带来巨大的好处,用于雨水(Henao-Casas等人,2021)和城市水资源管理(Boroomandnia等人,2021)。在一些国家,如果水在注入地下水之前没有经过广泛的预处理,各种MAR措施仅限于渗透区。一个例子是德国,该国普遍应用的雨水渗透准则(DWA 2005)不允许直接注入饱和区。相反,井底与平均地下水位之间的最小距离为1-1.5米是强制性的。

图1
figure 1

典型气含层井(VZW)/干井设计(自Edwards等人2016年之后)

根据Bouwer(2002)的说法,“VZWs的主要问题是不可能通过抽水或重新开发渗透带井来补救[…]堵塞,因为井位于渗透带中,地下水无法流入[…]并“反冲洗”堵塞物质”。El Arabi(2012)和Jeong et al.(2018)也得出了同样的结论。因此,随着时间的推移,堵塞不断降低渗透速率,直到井完全堵塞,必须拆除和重建(Sasidharan等人,2018;EPA 1999),尽管这仅指在多孔含水层系统中建造的vzw。岩溶或裂缝性岩石系统被认为受堵塞的影响可能较小(Edwards等人,2016),但在孔隙介质中,干井在空隙区的截留和通气性方面缺乏显著优势(Pronk等人,2009);因此,这里讨论的解决方案仅指在多孔介质中设置的vzw。

文献涵盖了通过预处理或定位干井/ vzw防止堵塞的不同方面(EPA 1999)或堵塞动力学(Bichara 1986;Jeong et al. 2018;Kalwa et al. 2021)和饱和区井的反冲洗和修复(Bichara 1988;Houben and trekatis 2007)。然而,倒冲和恢复vzw尚未有记录。

在水气带进行反冲洗井的选择,可能与其他再生方法相结合,将允许在MAR和雨水管理范围内更灵活和可持续地使用VZWs。在本技术说明中,提出了vzw倒冲的概念,这在某些人看来可能微不足道,但据作者所知,以前从未在文献中记录或讨论过。此外,还描述了该方法在实验室水箱上的应用,证明了其液压功能以及在实验室规模上的再开发有效性。

有限公司除了倒冲

为了扭转流动方向,将井周围的孔隙从阻碍颗粒中解放出来,需要两个条件:

  1. 1.

    周围的土壤(几乎)浸透了水

  2. 2.

    建立了从土壤到井的负压梯度

第一个条件可以通过隔离井内的一段并在其上渗透水来实现。由于地心引力的作用,渗入的水会垂直流向下部筛件的周围,孔隙的毛细力会保留一部分水,增加这里的含水量。两个因素决定了这里的含水饱和度:

  1. 1.

    通过上筛段的渗透速率。通过上筛段的入渗速率越高,下筛段的饱和度越高(在各种数值研究中得到证明,例如Sasidharan等人(2019))。

  2. 2.

    土壤质地。渗透井通常在由砾石和沙子组成的土壤剖面中渗透性较强的部分进行筛选。此处沉积物越粗,毛细力越弱,含水率越低(Radcliffe and Šimůnek 2010;理查兹1931)。

如果入渗速率足够高,且岩性条件较好(中等砂质土),则堵屏段周围呈现高饱和度,孔隙压力可假定接近大气压(10.1 hPa)甚至更高(van Genuchten 1980)。因此,可以在隔离井段内施加一个压力以实现第二种情况,并使水从周围的土壤中通过堵塞的筛管段流入井中。

上述许多方面已经在土壤水取样的范围内进行了讨论(Grossmann and Udluft 1991;weiherm ller et al. 2007)。然而,那里讨论的解决方案的目的和规模与这里讨论的问题有很大不同;此外,它们通常被设计为在非饱和孔隙中提取具有代表性的部分水,即不会过多地干扰水力条件。相反,这里的解决方案试图明确地增加土壤的饱和度,并创造高流速流向VZW,而不关注提取水的实际来源和性质。

由于井的上部并不总是被水淹没,因此预计井的下部比上部更容易发生堵塞。此外,Glover解决方案(Zangar 1953)和其他VZW流动的建模方法(如Elrick和Reynolds 1992)预测,由于压力梯度较大,筛网较低部分的流速高于较高部分。由于单位面积的较高水力载荷会增加物理堵塞的速度(Kalwa等人,2021;Perez-Paricio 2001),预计较低的部分会更早堵塞,并且显示出比上部小得多的水力导电性。

为了在堵塞的筛管段调动阻流颗粒,反冲洗过程中的流速是一个决定性因素(Hartwig et al. 2013)。为了调动10-20微米的颗粒,需要大约2-3厘米/秒的最小流速(Houben和Treskatis 2007)。在井周围达到如此高的流速需要在饱和孔隙和井之间形成高压梯度,这只能通过使用超强真空泵来实现。或者,高压梯度可以通过使用缓冲器在短时间内施加。一个欠压储罐突然连接到井的隔离部分。在这一时刻,VZW中的空气被排空,欠压立即作用于井-含水层界面。由于Bichara(1988)的研究表明,井的主要再开发效果是在反冲洗的最初几秒钟内实现的,因此可以假设这种短暂的应用将产生重大影响,特别是如果重复几次的话。

如图2所示,建议的反冲洗程序要求完全防止井内或砾石充填层内的垂直流动。因此,VZW要么不安装砾石充填,否则会导致堵塞率显著增加(Kalwa et al. 2021),要么在砾石充填中间隔一定距离安装垂直流障。这里建议的方法需要两个气动封隔器,一个储罐,一个真空泵,两个阀门和连接软管。

图2
figure 2

反冲洗的概念:a型VZW带有垂直气流屏障,安装在过滤砾石中,筛网的下部被阻挡。b改造的第一阶段:用气动封隔器将堵塞筛管的一部分隔离(Bergant et al. 2006),水通过上面的筛管渗透(Bichara 1986),使堵塞筛管周围的土壤饱和。真空泵在储罐内产生负压。c将隔离井体与储罐之间的阀门打开,将水从周围的土壤中吸入井中,将堵塞的筛网反冲洗,将悬浮液中的颗粒冲入储罐

为了重新开发堵塞的井段,需要使用封隔器将其隔离。然后,淡水被渗透到上部封隔器的顶部。当假定井的周围足够饱和时,储罐内就会形成欠压。随后,将储罐与真空泵隔离(以保护其免受损坏),并突然打开隔离井段与储罐之间的阀门。然后,水被吸入井中,将井周围的颗粒冲入井中,再从井中进入储罐。最后,将储罐清空,并重复该过程。该方法允许应用其他再生技术,如脉冲方法和/或化学再生方法,如果它们适应于气包带的条件。

气相带井通常采用大于0.5 m的大直径井(d),有时充填砾石(Edwards et al. 2016;Chen et al. 2008;Sasidharan et al. 2018)。这些井很难适应本文提出的方法,而是用于较小的井(d = 0.06-0.2 m),这些井堵塞更快(Kalwa et al. 2021),但施工成本要低得多,并且可以通过在砾石充填层中嵌入垂直流障来适应。

材料与方法

实验装置

该方法在一个面积为6 m2,高度为1.25 m的沙箱中进行了测试。上部0.9 m为中砂,饱和水导率K = 2 × 10-4 m/s。利用HYPROP方法和Hydrus2D反演模型确定了沙体的van Genuchten参数,α = 0.16 cm−1,n = 2.7,表明沙体的毛细力较弱。箱体下部0.35 m处填入砂砾排水层(K≈1 × 10-2 m/s)。为了减少积水,在砾石层内安装了一根射孔管,将水箱中的水排出(见图3)。

图3
figure 3

实验设置:在两个物理井模型上使用气动封隔器对该方法进行了测试。一个直径为60毫米,不带砾石充填,连接1″管(2.54厘米)来引入振动器(设置a),一个带有砾石充填(直径d = 110毫米),其中PVC箔作为垂直流障安装在井底上方0.2米处(设置B)。

为了对没有砾石充填的井进行测试,使用PVC筛管(内径/外径:50/ 60mm;插槽尺寸:0.2 mm;大约开放筛管面积:5%)安装在砂面以下0.7 m的深度,为砾石层和地下水位留下0.2 m的渗透带。该装置还用于测试额外机械再生措施的应用,通过在筛管旁边附加一个小HDPE管,允许将脉冲发生器插入到所需的任何深度。为此,使用了净重3.5 kg、转速13000 rpm、振幅1.0 mm的混凝土振动器(Makita DVR450)。

为了在一口有砾石充填的井中测试该方法,同一井筛管被厚度为2.5 cm的砾石层包围,得到的井眼总直径为11 cm。在井底上方0.2 m处,砾石充填内安装了一个厚度为1 cm的垂直流障,由PVC制成。对于该装置,没有安装额外的管柱,也没有使用振动器,因为事实证明很难将其与砾石充填本身结合起来。为了在井内将下筛段与上筛段隔离,使用了一个气动封隔器(10厘米长),该封隔器连接到一个5-L储罐和真空泵。


目录

摘要。
的简历
Resumen
摘要
Resumo
介绍
有限公司 除了倒冲
材料与方法
实验的程序
结果与讨论
有限公司 结论与展望
参考文献。
致谢。

作者信息
道德声明






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实验的程序

每次堵塞-反冲洗循环开始时,先用膨润土悬浮液(200mg /L)堵塞筛管下部20cm处,浊度约为。70 FNU)。为了不超过这个水位,在整个堵塞过程中,必须不断降低初始渗透速率(没有砾石充填的井为~40 ml/s,有砾石充填的井为60 ml/s)。当泵送速率比第一次循环前降低100倍,分别为0.4和0.6 ml/s时,停止泵送。由于Glover方程(Zangar 1953)表明入渗速率与水力导电性成反比关系,因此假设井周围的K下降了约两个数量级(即K≈2 × 10-6 m/s)。

测定了注入水量和膨润土质量,并进行了降头渗透试验,确定了井完全排干的时间。之后,通过将封隔器插入井中并隔离堵塞区域进行反冲洗。然后,一个恒定的体积流量的水(大约。70 ml/s)注入井的上部,使井周围饱和。进水60分钟后,认为井周围已饱和,开始反冲洗。为此,在储罐内建立p = -0.8 bar的欠压,并关闭真空泵的阀门。然后,通往通道的阀门被打开,将欠压突然转移到隔离的井空间,将部分饱和的土壤中的水吸入井中,并从那里进入储罐,直到欠压完全消散。随后,倒空水箱并重复该过程,直到回收水的浊度降至20 FNU(≈0.05 g/L悬浮膨润土)以下,通常需要重复5-10次。然后,取出气动封隔器,再次确定引流时间。

对于没有砾石充填的井,在没有额外措施的情况下进行了6次循环。由于在此之后反冲洗效率出现下降,因此在7-10次循环中,除反冲洗外还使用振动器。对于砾石充填的井,在不使用振动器的情况下进行了10次堵塞反冲洗。

结果与讨论

渗透能力/排水时间

无砾石充填

反冲洗前后的排水次数如图4所示。初始引流时间为45 s。堵塞后,排水时间延长至9500 s(10个周期的中位数),反冲洗后,排水时间缩短至109 s(为初始值的240%)。然而,随着时间的推移,在第6次循环后,该井的排水时间增加到170秒以上(>初始值的380%),这被视为再开发不可持续的标志,并且每次循环的反冲洗效率都在下降。

图4
figure 4

每个周期堵塞后和反冲后的排水次数。最初的排水时间(在第一次堵塞之前)用蓝线表示。a堵塞后,排水时间在2700秒到20000秒之间变化。在反冲洗后,没有砾石充填的井在前6个循环中,排水时间从80秒增加到170秒。在周期7期间,与反冲洗并行的振动器应用导致减少到95秒。然而,在接下来的循环中,反复使用振动器并没有产生同样的效果,在第10循环中,排水时间再次增加到180秒。b没有观察到类似的趋势,反冲后的排水时间在75至125秒之间变化(算术平均值:99秒),而堵塞后的排水时间在3,600至18,000秒之间变化

此时,使用振动器,显然有助于将引流时间再次缩短至100秒以下。虽然在接下来的每一个循环中都应用了它,但仍然观察到随后的排水时间增加,在第10个循环后达到180 s;因此,即使将反冲洗和振动器结合使用,井的再开发效率也会下降。

砾石充填

初始引流时间为40 s。堵塞后,井的排水时间为11000秒(中值),在反冲洗后,中值降至95秒(≈初始值的230%)。入渗能力在反冲洗前后均没有明显的时间变化趋势,说明第1次循环和第10次循环后的再开发效率相似。

浊度观测

无砾石充填

插入和提取的悬浮固体的量如图5所示。注入的膨润土质量中位数为0.8 g,经过10次循环后,注入的膨润土总量为10.3 g。随着时间的推移,在第一次使用振动器之前,每个周期插入的质量保持在0.6到2.4 g之间。而在循环7引入振动器后,插入的质量不断下降到0.5 g以下,说明再生井堵塞的速度比之前快了很多。这可能是由于振动器的脉冲或沉积物中积聚更深的细颗粒造成的更高的压实。

图5
figure 5

插入和提取大量悬浮固体。没有砾石充填的井:每个堵塞周期插入的浊度在0.4到2.4 g之间变化,而在前六个循环后,每次反冲洗,提取的浊度从2.4到0.4 g减少,提取的浊度比插入的浊度少。应用振动器后,观察到提取质量突然增加到9和22 g。然而,在第10次循环中,提取的质量再次下降到振动前的水平(1.7 g)。b砾石充填井:总的来说,提取的质量大于插入的质量。在五个循环后,提取质量从12.7 g总体下降到1.4 g,并且在2.1和4.8 g之间出现相当不稳定的变化(没有振动器的应用)。插入的质量没有任何趋势,在6.2和1.5 g之间变化

悬浮固体的萃取质量在2.5 g ~ 0.5 g时呈下降趋势。然而,随着振动器的应用,在接下来的三个循环中,提取了超过22.5 g(比之前堵塞引入的多得多)。这些颗粒很可能来自沉积物本身,在安装之前没有清洗过,可能含有少量的淤泥和粘土颗粒。然而,在最后一个周期中,提取的质量回落到1.7 g。

砾石充填

正如预期的那样,配备砾石的井需要更多的悬浮固体才能达到“堵塞状态”(中位数:2.9 g;10个循环后的累计投入量为30.8 g),只有第一个循环的悬浮物投入量和投入量都特别高,注入质量在开始时略有下降,7个循环后明显趋于稳定。除第一个循环外,提取的固体质量几乎没有偏离插入的质量,这表明大部分插入的细颗粒都是通过反冲洗提取的,并且在所有10个循环中,这种再开发的效率都相似。

有限公司结论与展望

在实验室规模上,反冲洗方法被证明对vzw有效。然而,只有采用砾石充填的井才能实现渗透能力的可持续再开发。尽管经过10次堵塞反冲洗循环后,井的入渗能力不如初始时,但反冲洗后的排水时间持续保持在初始值的230%左右。没有充填砾石的井,随着排液次数增加到初始值的380%以上,其性能不断恶化,使用振动器只能部分补偿,这表明在井周围附近积累了一定数量的抑制流动颗粒,无法通过反冲洗去除。所有这些观察结果都与有关饱和带井再生的文献一致(Bichara 1988;Houben and trekatis 2007)。

本研究只考虑了物理堵塞。由于生物或化学封井过程差异很大,可能需要额外的再开发措施(如酸化),因此该方法在以这种方式堵塞的井中的效率仍有待验证。

由于2019冠状病毒病大流行,检测只能在实验室进行;因此,全尺寸井的许多实际方面都没有受到影响,包括井周围岩性的作用。

该方法仅测试了其在均匀介质砂中的适用性。然而,粗砂或砾石可能无法为反冲洗保留足够的水,而细砂或壤土砂的低水力导电性可能会限制流入井中的流量,从而限制反冲洗效率。这种方法对其他类型的沉积物是否同样有效还有待确定。

此外,非均质沉积物会改变水流的优先路径。可以假设,不透水的水平层会抑制垂直流动,从而使井周围的饱和度更好,这更有利于该方法的应用。考虑到沿过滤段渗透性的变化,假设渗透性最强的部分首先堵塞,并且在再生过程中也首先被激活。然而,为了验证这些假设,需要进行实地规模的研究。一项更详细的实验室研究,包括监测水力能力和实时水固平衡,将允许建立流动和输送模型,以更好地了解再生过程。然而,由于高压梯度,可能会怀疑井中存在非层流,这使得基于常见richards的渗透层模型(如Hydrus2D/3D)的使用变得复杂(Sasidharan et al. 2019)。

对于较深的井,可能需要进行调整。在这里,从隔离井段到储罐的垂直运输可能会造成问题。如果水箱位于地面,且井深大于7m,则会产生空化现象,使水无法流入水箱。此外,垂直输送距离每增加1米,施加在筛网上的有效欠压就会减弱,可能会影响反冲洗效率。为了避免这种情况,有三种可能性:

  1. 1.

    将真空罐引入井中。然而,这将大大限制储罐的体积。

  2. 2.

    将浸入式泵引入隔离井段。如图6所示,当井段被孔隙中的水填满后,即可启动泵。

  3. 3.

    或者,隔离井段也可以从地表注满水(不是通过将土壤基质中的水吸入井中),然后激活浸泡泵。然而,在这种情况下,突然的压力变化,可能会导致相当于所谓的“水锤”的液压冲击(Bergant et al. 2006),并不适用于井筛及其周围。

图6
figure 6

真空罐与浸没泵的组合,对含气带的井进行反冲洗:为了将空井(a)注满水,对隔离井段(b)施加一个压力。一旦泵被淹没,就可以启动它将水输送到地面(c)。

然而,如果这项研究的结果被证明是可推广的,那么通过在周围的砾石充填层中安装垂直流动屏障,vzw可以很容易地重新开发。然后,这些井可以应用于城市水管理,以最小的面积需求渗透低质量的水,尽管有一定的堵塞风险。

城市地区的地表密封造成了日益严重的水文问题(Scalenghe和Marsan, 2009)。如果节省空间的渗透解决方案(如VZWs)在这种情况下成为适用的工具,这些地区的径流可以显著减少,地下水补给可以增加。它们为土地限制下的MAR提供了新的可能性,例如,如果深水太明显而无法在饱和区钻井,或者如果直接注入地下水受到法律限制。