基于离子示踪法的大坝下游河床潜流交换规律研究

发布时间：2020-07-10 17:23

【摘要】：水库大坝是重要的基础设施和水资源利用及调控的有效手段,它在发挥着巨大效益的同时,也会在不同尺度和层面上对下游河道潜流带造成物理、化学等方面的变化。拦河大坝影响的主要方面反映在地下水与地表水的相互作用,影响着地表水与地下水水分、温度和溶质的交换。因此,进一步了解潜流交换过程对于保护大坝下游河流生态、流域的地表水与地下水系统健康具有重要价值和意义。主要研究内容及成果如下:(1)通过构建的数值模型对水流流速v、水深H、沙丘波高h及河床底质渗透率k等单一影响因素影响下的潜流交换规律进行研究,结果表明水流流速v、沙丘波高hh及河床底质渗透率k与潜流交换程度呈正相关关系,水深H与潜流交换程度呈负相关关系;(2)通过模拟注射器向沙丘中注入染料的过程,以监测域点浓度变化至平衡所消耗的时间t作为评价指标,基于正交试验法对地表水-地下水耦合模型参数进行了敏感性分析,研究了潜流交换过程影响因素的敏感性大小,结果表明潜流交换过程主要影响因素为水流流速v和河床底质渗透率k,水流流速v影响程度尤为明显,处于绝对优势,河床底质渗透率k影响程度次之;而河床沙丘波氋h对河床潜流交换过程的影响也很显著;依据极差分析原理得出结论:对于本文模型的潜流交换过程,影响因素流速v的敏感性最高,河床底质渗透率k敏感性次之,河床沙丘高度h的敏感性要大于水深H。(3)对河床进行三维数值模拟分析,结果表明由于紊流的脉动随机性,和二维模型相比,三维模型y=0.15m切面压力及溶质浓度分布会出现差异;根据水砂交界面的X、Y、Z方向水分通量及水分总通量、溶质总通量计算结果,表明潜流交换过程以垂向为主,迎水面水分和溶质总通量都大于背水面,引起水分和溶质在河床中的运移和滞留。对三维模型和二维模型下监测域点溶质随时间变化曲线进行了对比分析,表明三维模型下的变化速率要略大于二维模型,三维模型迎水面B处域点相比较二维模型会出现变化速率先快后慢的现象。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV133
【图文】：

示意图,潜流,示意图,溶质

地下水有着密切的联系，地表水是地下水的重要补给源，地下水也会反补给地互作用的深度和广度的主要影响因素是水文条件和地形地质条件。在地下水作用的过程中，存在着一个交界区域被称为潜流带，它影响着河流地表水和水分、温度和溶质的交换[4]，二者的相互作用既能使溶质在河床中发生滞留溶质在河流地表水中迁移造成影响[5]，它们受到潜流交换的控制[6]。潜流带水、侧向河岸带和地下水之间非常重要的位置[7]。示意图如图 1-1 所示[8]。

示意图,示意图,方程,单元体

湍流模式理论假定湍流中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此方程可以得出雷诺时均 N-S 方程（简称 RNS 方程）。再引入 Boussinesq湍流雷诺应力与应变成正比之后，湍流计算就归结为对雷诺应力与应变之间计算。虑图 2-1 所示的单元体，由质量守恒定律[48,49]可知，时间内流进与流出单元等于时间内单元体中水量的增加，因此，建立如下方程[50]：

示意图,示意图,渗流区,对流—扩散方程

浓度梯度引起的相对于平均流速运移的分子扩散[54]。下面在 α 组上，建立 α 组分的对流—扩散方程。、qy、qz分别为达西流速在 x、y、z 方向上的分量，θ 为河床底质的有的渗流区域为均质各向同性，取渗流区域中心点坐标为（x，y，z△z 的六面微单元体（图 2-2）。在 dt 时间段内，引起单元体中的对流、弥散作用。它们引起单元溶质质量的变化分别计算如下。

【参考文献】