地下水人工回灌過程中微生物堵塞的預測

摘 要：基于微生物生長模型與多孔介質滲透理論，耦合微生物生長量與介質滲透性變化的定量關系，建立了地下水回灌過程中沿入滲途徑上微生物堵塞程度的預測模型.進而利用該模型，計算了平谷地區采用不同雨洪水源進行地下回灌可能引起的微生物堵塞程度，結果顯示微生物堵塞主要發生在近地表的0.5 m范圍內，滲透系數降低幅度最大僅為2.3%.

關鍵詞：地下水回灌；微生物；堵塞；預測；模型

中圖分類號：P641.25 文獻標識碼：A

Prediction of Microbial Clogging in Groundwater Artificial Recharge

LU Ying1， DU Xin-qiang1， FAN Wei2， CHI Bao-ming3， YANG Yue-suo1

(1. College of Environment Resources，Jilin Univ， Changchun， Jilin 130026， China;

2. Northeast Institute of Geography and Agroecology， Chinese Academy of Sciences， Changchun， Jilin 130012; China;

3. Institute of Disaster Prevention Science and Technology， Beijing 101601， China)

Abstract:A predictive method of microbial clogging assessment was presented on the basis of the microorganism growth theory and the quality relationship between the amount of biofilm and hydraulic conductivity of porous media. Furthermore， we applied this method to evaluate potential microbial clogging degree of the recharge water in Pinggu. The results have shown that clogging occurs within the upper 0.5 m near the land surface with a permeability reduction of only 2.3%.

Key words:groundwater recharge; microorganisms; clogging; prediction; model

地下水人工回灌技術通過人工措施將地表余水注入到地下含水層中，可以增加地下含水層中地下水的儲量，實現季節性水資源調蓄，目前備受關注.然而，實際的地下水回灌工程中，常因堵塞問題而導致系統回灌效率顯著降低甚至造成工程報廢[1]，嚴重制約了人工回灌工程的進一步發展.例如2002年比利時西部沿海地區開展的潛水含水層回灌工程運行4年后就曾因堵塞而導致回灌量明顯降低，回灌速率下降了約30%[2]，另外近年在我國西納川河谷地區開展的回灌試驗，僅10 d回灌率因堵塞減少了32%[3].調查研究表明，引起地下水回灌系統堵塞的原因包括物理、化學和生物作用在內的多重因素[4]，其中微生物生長代謝作用是僅次于懸浮物沉積的第二大堵塞原因，其所占比例達15%[5].而且這種堵塞現象主要發生在入滲介質內部，可能形成永久的堵塞現象[6].對地下水人工回灌過程中，微生物的生長情況以及介質滲透性變化的定量預測具有重要的現實意義.

1 微生物堵塞機理

地下環境是地球上原核生物的最大棲息場所，無論是土壤或砂層中都存在著多種多樣的微生物群落[7].目前普遍認為細菌在生物堵塞過程中發揮著極為重要的作用，通過對堵塞層的微生物研究發現了大量細菌，包括硝化細菌、產甲烷菌、鐵細菌、硫酸鹽還原菌等[8]，這些細菌活躍程度與介質滲透性的變化有密切的關系[9].Baveye[8]等歸納總結了細菌導致的生物堵塞有如下4種作用機理：1)細胞體在多孔介質中的累積效應；2)細菌胞外聚合物，主要是多糖類物質的累積；3)生物活動產生的氣體產物的滯留效應，如CO2(呼吸作用)， N2(反硝化作用)及CH4(產甲烷作用)等；4)有微生物參與的生化反應過程中生成的難溶物的累積效應，典型的如硫化物.

天然狀態下，微生物活動相對穩定，當回灌水注入后，入滲介質中的微生物可能在回灌水刺激下迅速繁殖，其生物體或代謝產物附著或堆積在介質顆粒上形成生物膜從而導致微生物堵塞，造成滲透介質導水能力降低[9].因此回灌水源中有機碳、氮、磷等營養物質濃度是形成微生物堵塞的關鍵因素.當回灌水中有機物含量較高時，微生物繁殖很快，但隨著入滲深度增加，水中有機物因被上層微生物利用而減少，微生物主要集中在淺表層30~50 cm的深度范圍內，一般與深度呈負指數關系.因此，由于微生物生長造成的堵塞也主要發生在淺表層，隨深度增加，堵塞狀況會大大減輕.另外地下環境的溫度、pH及氧化還原條件也是影響微生物活動的因素.但是當環境穩定后，微生物量會達到一種動態平衡，即微生物的增長量與微生物的衰減量相等，而總量不會增加，所以由微生物增長造成的堵塞不會像懸浮物截留、吸附造成堵塞那樣持續進行.

2 微生物堵塞的預測模型

2.1 入滲途徑上的微生物量計算方法

微生物生長受到營養水平和外界環境因素的影響，因而表述微生物生長規律的模型也與其密切相關.微生物的群體生長常以細菌為對象來闡述.以細菌數目的對數作縱坐標，生長時間作橫坐標，所繪制的生長曲線分為遲滯期、對數期、穩定期以及衰亡期.對于連續運行的地下水回灌系統，同時進行著有機物質的氧化分解(降解)、新細胞合成、老細胞的氧化衰亡過程.將3個過程綜合起來[10]，即可得出系統內新生長細胞物質的量，可用下式表示：

ΔS=aLr－bSa.(1)

式中: ΔS為新生長的微生物質量；Lr為微生物生長所利用的營養物質量；Sa為介質內原有的微生物質量；a為合成系數，即消耗單位質量營養物質所轉化成的微生物質量；b為微生物自身氧化率或衰減系數.

在回灌過程中，假設回灌水組分恒定，所提供的營養物質量為定值，因此，當達到某一時刻，微生物的增長量與其衰減量相等，即ΔS =0，微生物總量保持不變，由式(1)推導出此時微生物總量為：

Sa=abLr.(2)

在微生物的降解作用下，水中營養物質含量將隨入滲深度的增加而減少，一般污染物在滲濾方向上的變化規律遵循一級反應動力學方程，即：

C=C0e－Kmx.(3)

式中: x為入滲深度；C為x深度處營養物質濃度；C0為進水中營養物濃度；Km為營養物質一級反應速率常數.

式(3)兩側對x求導數，可得回灌水中營養物質濃度在dx范圍內的變化量：

dC=－C0Kme－Kmxdx.(4)

這一變化量的絕對值與入滲速率的乘積即代表在某一深度x處dx范圍內被微生物所利用的營養物質的質量，即：

Lr(x)=－dC#8226;v#8226;A=v#8226;A#8226;KmC0e－Kmxdx.(5)

式中: v為回灌速率；A為回灌面積.

將式(5)代入式(2)，可得某一深度(x)微生物質量：

Va(x)=Sa(x)ρa=ab#8226;1ρa#8226;v#8226;A#8226;KmC0e－Kmxdx.(6)

從而回灌系統內不同深度處微生物所占據的孔隙體積為：

Va(x)=Sa(x)ρa=ab#8226;1ρa#8226;v#8226;A#8226;KmC0e－Kmxdx.(7)

式中: Va(x)為x深度處微生物所占體積；ρa為微生物密度.

則介質孔隙中微生物所占的孔隙比為：

α(x)=Va(x)A#8226;dx#8226;1n=ab#8226;1ρa#8226;1n#8226;v#8226;

KmC0e－Kmx.(8)

式中: α(x)為x深度處單位體積介質孔隙中微生物堵塞物所占比例；n為滲透介質孔隙度.

2.2 介質滲透性變化模型

由于回灌水源不斷向滲濾介質中提供微生物所需的營養物質，促進了滲透介質孔隙中微生物量增加，從而使孔隙不斷被生物膜占據，導致介質滲透性的下降.Seki等通過對多孔介質微觀孔隙結構的理論分析而建立了土壤的生物堵塞數學模型[11]：

KK0=

1－α#8226;n1－n+113－1τ1－n13－1－13.(9)

式中: K， K0分別為介質某時刻和初始時刻的滲透系數；τ為介質顆粒的形狀因子(對球形顆粒取τ＝6，對棱角顆粒取τ＝7.7[12])；其他同前.

3 實例計算

3.1 研究區概況

平谷位于北京市東北部，是北京市4個應急水源地之一，面對北京市連續多年干旱，地下水位持續下降，水資源嚴重緊缺，供需水缺口不斷擴大的現狀[13]，合理開發該地區雨洪資源潛力，通過人工回灌方式利用騰空的天然地下儲水空間對雨洪資源進行水量的豐枯調節，可在一定程度上緩解北京市水資源緊張狀況，對保障其經濟持續高速發展具有極為重要的現實意義.因此“十一五”科技支撐項目擬在該地區建立雨洪水人工回灌試點，為保障回灌工程的效益，在進行回灌之前需對該地區實施人工回灌過程中可能出現的堵塞程度進行定量評價，以利于提出有效的防治措施.圖1為研究區水系圖.

圖1 平谷地區水系圖

Fig.1 Hydrographical gram of Pinggu

3.2 回灌水源水質及預測模型相關參數

根據該地區雨洪水水質特征[14]，分析了可能用于地下回灌的水源約有8處，各水源的主要水質狀況見表1.

通常BOD值表示水中有機物在微生物作用下氧化分解所消耗的溶解氧量，即反映水中可被微生物利用的有機物(營養物質)的含量.因此，本次研究主要根據水中BOD5值對上述幾種回灌水源可能引起的微生物堵塞程度進行預測，模型中相關參數值見表2.

3.3 微生物堵塞程度預測結果與討論

各回灌水源在入滲途徑上可能引起的微生物堵塞程度采用K/K0來表示，結果如圖2所示.計算結果顯示生物堵塞發生的部位主要位于近表層位置，約在0.5 m范圍內，其堵塞程度隨入滲深度的增加而減小.這主要是由于補給的營養物質含量隨深度降低，有研究證實[16]，在入滲池砂層的10~20 cm深度層內形成多營養帶，在40~60 cm深度轉化為營養不良帶.對比不同回灌水源，其中對介質滲透性影響最大的水源是西峪水庫水，主要取決于其中營養物質含量的多少，西峪水庫水中BOD5值是各水源中最高的，因此所導致的生物堵塞程度也最大.但總體來講，各水源將引起的生物堵塞程度不大，即便對于影響最大的西峪水庫水而言，也僅使表層介質的滲透系數減小到初始值的0.977.由此可見，采用這幾種水進行地下水回灌，其現有生物堵塞的風險并不大.但是由于入滲池內的水，一般水動力條件都比較差，所以對于該地區雨洪水生物堵塞問題應以預防為主，關注的重點應是防止現有的水源被污染而導致富營養化現象.

4 結 論

1) 地下水人工回灌過程中微生物堵塞條件主要取決于回灌水源中營養物質的含量.本文根據微生物生長理論與介質中微生物生長量對其滲透性影響的定量關系，建立了微生物堵塞程度預測模型，利用該模型可以計算出在不同入滲深度上介質滲透系數因微生物作用而降低的程度，并確定微生物堵塞發生的范圍.

2) 根據此模型評價平谷地區利用當地雨洪水進行地下回灌可能發生的微生物堵塞程度，結果顯示，擬采用的回灌水源可能引起的微生物堵塞風險較小，由此結果提出該地區進行回灌過程中應以預防回灌水源富營養化為主.

由于該模型所需參數少，且計算比較簡便，適用于地下回灌系統設計初期的水源選擇及風險評估，若要進一步研究微生物堵塞隨時間的變化規律還需要在更多實驗的基礎上，建立使用范圍廣、預測準確性高的微生物堵塞模型.

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