溶潭和流速对岩溶管道溶质运移的影响模拟研究

发布时间：2020-03-22 05:05

【摘要】：定量示踪试验是表征岩溶管道溶质运移的有效手段,不仅能确定两点之间的水力联系,还能通过穿透曲线获取溶质运移参数,正确解译示踪试验穿透曲线是认识和预测岩溶管道溶质运移的基础。野外监测的穿透曲线常出现明显拖尾,传统对流弥散方程很难模拟这种现象,研究各种因素的影响对正确解译穿透曲线具有重要意义。溶潭可能导致穿透曲线的明显拖尾,流速对溶质暂时性储存过程和穿透曲线的影响也非常复杂。研究溶潭和流速对岩溶管道溶质运移的影响对正确解译野外示踪试验穿透曲线和预测溶质运移过程都具有非常重要的意义。设计三种岩溶管道结构:单管道,管道发育对称溶潭(入口和出口位于一条直线)和管道发育不对称溶潭(入口和出口处于对角线位置),采用Fluent软件数值模拟岩溶管道内部物理过程,初步探讨溶潭对岩溶管道流场和溶质运移过程的影响。流场模拟结果显示,水流进溶潭时,部分水体滞留在对称溶潭两侧内形成闭合漩涡回流,滞留在整个不对称溶潭内形成流线不闭合的水流漩涡,不对称溶潭内流速大于对称溶潭两侧流速。溶质运移模拟结果显示,溶质在溶潭中的暂时性储存导致溶质运移滞后(穿透曲线明显拖尾)。不对称溶潭比对称溶潭暂时性储存更多的溶质,导致穿透曲线峰值浓度较低;但滞留在不对称溶潭内的溶质以较快速率释放回到主管道,导致曲线拖尾较短。在穿透曲线拖尾阶段,对于对称溶潭系统,非流动区(溶潭)浓度明显大于流动区(管道),而在不对称溶潭中,大小相反,这与不对称溶潭下游管道内的流场比较复杂有关。为了进一步研究溶潭对岩溶管道溶质运移的影响,设计单管、对称水箱-管道(简称对称水箱)和不对称水箱-管道(简称不对称水箱)结构,两种水箱形态同Fluent模拟的溶潭一致,开展一系列室内示踪实验。在管道内瞬时注入氯化钠示踪溶液后,在管道出口处监测穿透曲线。同时我们采用三种不同的模型,平衡模型(Equlibrium model,EM),线性图解法(Linear graphical method,LGM)和两区模型(Two-region nonequilibrium model,TRM),来研究管道内溶质运移过程和模型模拟的适用性。实验结果表明,随着水箱增多(从零增加到三个),穿透曲线峰值浓度逐渐降低,拖尾逐渐增长;单管添加对称水箱之后峰现时间基本不变,添加不对称水箱之后峰现时间明显滞后;对称水箱位置发生变化时,穿透曲线形态无明显变化;相比对称水箱,不对称水箱峰值浓度较低,穿透曲线拖尾较短,但当水箱数量增加至三个时,不对称水箱的峰值浓度高于对称水箱。Qtracer参数显示,随着水箱增多(从零增加到三个),Chatwin弥散系数逐渐增大,溶质平均运移时间逐渐变长,运移时间方差逐渐增大,粘性底层逐渐变厚。对称水箱的运移时间方差大于不对称水箱,但两种水箱的溶质平均运移时间和粘性底层厚度几乎一致。模拟结果表明,平衡模型只能模拟单管穿透曲线,线性图解法能较好模拟单管和不对称水箱穿透曲线,但不能良好模拟对称水箱穿透曲线,而两区模型能很好模拟三种管道结构的穿透曲线,这是因为两区模型通过分配系数和传质系数能描述溶质在水箱内的暂时性储存作用。两区模型参数显示,随着水箱数量的增多,弥散系数逐渐增大,分配系数逐渐降低,传质系数逐渐增大。水箱增多时,穿透曲线拖尾的增长主要与分配系数的降低有关。两种水箱的分配系数相差不大,但不对称水箱的传质系数远大于对称水箱,说明传质系数是导致两种水箱穿透曲线形态不同的主要因素。水箱和管道水体之间的质量交换作用较弱是导致对称水箱穿透曲线拖尾较短的主要原因。设计九种不同流速,分别在单管、对称水箱-管道(简称对称水箱)和不对称水箱-管道(简称不对称水箱)中开展多组示踪实验,系统探讨流速对岩溶管道溶质运移的影响。实验结果表明,随着流速增大,穿透曲线的最大浓度逐渐增大,曲线拖尾逐渐缩短,示踪羽持续时间逐渐缩短(曲线宽度变窄)。Chatwin弥散系数随着流速增大的变化规律不明确。拟合穿透曲线特征参数-流量和其他特征参数-峰值时间的关系,利用两种方法对指定流速条件下的穿透曲线特征参数进行预测。直接根据流量预测穿透曲线特征参数比先通过流量预测峰值时间,再预测其他特征参数的方法取得了更好的预测效果。分别采用对流弥散模型、两区模型和暂时储存模型(Transient storage model,TSM)模拟实验穿透曲线,探讨溶质运移参数随流速的变化规律。模拟结果表明对流弥散模型能较好拟合单管的穿透曲线,但对水箱穿透曲线的拟合效果较差,而两区模型和暂时储存模型对水箱所有穿透曲线的拟合效果都很好。两区模型中,分配系数和传质系数与流速呈正相关,无量纲传质系数与流速呈负相关。暂时储存模型中,随着流速增大,主通道截面积(main channel cross-sectional area)和交换系数呈明显上升趋势,存储区截面积(storage zone cross-sectional area)、死端区比例和暂时储存运移时间比例(fraction of median travel time due to transient storage)呈下降趋势。随着流速增大,不对称水箱中参数变化规律比对称水箱复杂,这主要与不对称水箱中的溶质暂时性储存过程更加复杂有关。不对称水箱的交换系数明显大于对称水箱,存储区停留时间和水力吸收长度明显小于对称水箱,这说明更多溶质粒子在研究段进入不对称水箱存储区,不对称水箱暂时性储存的溶质较快释放回到主通道,两种水箱穿透曲线的差异主要与此有关。系统分析模型参数与管道结构和流速的关系对正确认识模型参数的物理机制以及溶质运移预测具有非常重要的意义。
【图文】：

示意图,穿透曲线,示踪,注入点

道溶质运移方程形式上与多孔介质中的传统对流弥散方程一致。即随着运移距离逡逑的增加，水流方向上的示踪羽分布趋近高斯分布，穿透曲线的拖尾现象逐渐消失，逡逑如图１－２Ａ所示。Ｔａｙｌｏｒ（１９５４）在实验室验证了流动距离足够远时小直径（＜ｌｃｍ）玻逡逑璃管道紊流场中Ｆｉｃｋ定律的有效性。但在实际情况下，，由于岩溶管道中发育溶逡逑潭等复杂结构和其他一些原因，导致溶质运移滞后，穿透曲线往往随着运移距离逡逑的增加而逐渐远离高斯分布，曲线拖尾持续存在，如图１－２Ｂ所示。逡逑３逡逑

主通道,存储区,概念模型

主通道定义为对流弥散作用是主要运移机理的河流区域。存储区定义为导致溶质逡逑暂时性储存的河流区域（滞流区和河床多孔区）。相对主通道的水流，我们认为存逡逑储区的水是不流动的。图１－３描绘了影响主通道和存储区中溶质浓度的过程。在逡逑主通道中，溶质通过对流和弥散向下游运移。作为非流动区，存储区中不包含对逡逑流和弥散过程，忽略下游运移。侧向入流表示流入主通道的水，如坡面流、壤中逡逑流和地下水排泄物。侧向流出表示从主通道到周围流域的排水。主通道和存储区逡逑之间通过暂时性储存过程相连接，由暂时性储存引起的主通道和存储区之间的溶逡逑质交换被模拟为一阶质量传递过程。主通道和存储区内都可能发生化学反应逡逑（Ｒｕｎｋｅｌ，１９９８），包括吸附和一阶衰减。不考虑化学反应，只考虑物理过程，则方逡逑程适用于保守型溶质比如示踪剂的运移，主通道和存储区的质量守恒方程如下逡逑（Ｂｅｎｃａｌａ邋ａｎｄ邋Ｗａｌｔｅｒｓ，邋１９８３；邋Ｂｅｎｃａｌａ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１１）：逡逑ｆ＝＇ｆｆ４ｉ（＾ｆ）＋ａ（Ｃｓ＇Ｑ＋＾（Ｃｉ＿ｃ）逦（１－８）逡逑ｄＣｓ逦Ａ逦，逡逑—＝邋ａ邋丁（Ｃ－Ｑ）逦（１－９）逦ｉ逡逑ａｔ逦Ａｓ逡逑其中：〖为时间［Ｔ］；邋ｘ为注入点下游距离［Ｌ］；邋Ｃ和
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P642.25

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