近年来,城市内涝问题频发与淡水资源紧缺是两个迫在眉睫的问题,而将城市雨洪水资源回灌入地下含水层储存正是解决这两个问题的优良措施,对解决城市水安全问题,缓解城市用水危机有着重要意义。但是堵塞现象一直是制约地下水人工回灌的一个重要问题,其中又以物理堵塞中的悬浮物堵塞问题最为突出。现有的国内外的地下水回灌过程中的悬浮物堵塞问题多依托于室内实验,研究在稳定饱和流的条件下,单一条件对堵塞过程的影响。而雨洪水回灌入渗特征复杂,常表现出非连续性及干湿交替的变饱和过程,因此,为更准确地刻画天然城市雨洪水利用过程中的回灌能力,亟待开展相关方面的研究工作。本文对雨洪水地下回灌中可能发生的悬浮物堵塞和变饱和渗流问题,采取了野外调查、室内实验与计算机模拟等方法开展研究。主要包括分析城市雨洪水水质特征及不同堵塞类型的发生潜力,研究城市雨洪水地下回灌过程中悬浮物的堵塞规律及发展过程的计算机模拟。通过对上述内容的研究,得到结论如下:(1)此次采集的长春市区五种下垫面类型雨洪水样品的水质除部分样品的铵根离子超标外,其余指标满足地下回灌水质标准,可用于地下水回灌,但从水质所引发的堵塞风险角度看,其城市雨洪水地下水人工回灌过程中化学堵塞和生物堵塞的风险非常低,物理堵塞(主要为悬浮物堵塞)的风险较高。(2)引起雨洪水回灌堵塞的悬浮物主要以5μm以上非膨胀性无机矿物颗粒为主,含量可达到90%左右,如长石、石英等,对比不同类型雨洪水,路面雨洪水的无机成分含量最高,堵塞风险最高,草地雨洪水样品的有机成分含量相对较高,综合比较天然雨水的堵塞风险最低。(3)室内雨洪水入渗回灌实验表明:内部-表面混合堵塞是呈阶段式发展的,首先发生内部堵塞,内部堵塞的发生区间在0-6.4cm深度范围,堵塞过程对剖面饱和度影响非常小,在回灌初期介质饱和度由非饱和迅速转变为饱和状态后,内部堵塞仅改变了入渗剖面如孔隙度(下降0-69%)等水力参数,剖面饱和度维持在近饱和状态(80%-100%);当表面入渗介质的孔隙直径下降至小于悬浮物直径时,表面堵塞开始发展,在此阶段,剖面饱和度由近饱和状态转至非饱和状态(60%左右)实验结束时表面堵塞的淤积层最大累积厚度为1.7cm。(4)对比不同表面堵塞淤积层厚度下的渗流状态可以发现:当垂向下渗补给过程中,淤积层厚度越大,淤积颗粒粒径越小,渗透能力越差。但当淤积层颗粒越小,其进入下部砂层内部的可能性越大,实验表明其运移深度不仅受控于淤积层介质粒径与渗透介质有效孔隙直径之比,还与入渗过程中的实际流速和淤积层颗粒起动流速之间的大小关系密切相关,即当入渗介质内部有悬浮物颗粒沉积时,仅当渗流速度大于起动速度时可使沉积悬浮物再次随水流运移。(5)运用非饱和渗流、悬浮物运移及相关理论,构建了悬浮物堵塞-变饱和渗流耦合数值模型,并使用COMSOL Multiphysics软件对该模型进行求解,将模型模拟结构与室内实验数据对比,可以看出此模型能较好的反应回灌工程中堵塞过程与渗流过程的协变关系。(6)采用所构建模型模拟了不同的回灌水悬浮物浓度的入渗过程,模拟结果显示:在内部堵塞过程中,悬浮物浓度促进堵塞的过程,但对渗透介质内的饱和度分布影响不大;在表面堵塞过程中,悬浮物浓度越高,淤积层的增长速率越快,渗透介质越快释水转变为非饱和带,流量、饱和度分布等渗流特征受其影响较大。(7)进一步就用构建模型模拟了不同的间歇回灌周期下的雨洪水入渗过程,模拟结果显示:间歇回灌及间歇回灌周期对堵塞发展过程的影响较小,但会对不同周期的渗流特征产生相对较大影响;淤积层和渗透层的渗透系数是影响渗流速度随淤积层厚度的衰减特征的因素,但是,通常情况下,当淤积层厚度大于5cm时,渗流速率衰减接近于0,此时几乎完全堵塞。