陳 斌，呂 輝

(江西省水利科學(xué)研究院， 江西 南昌 330029)

潛流交換是影響河流生態(tài)健康的重要物理過程，直接關(guān)聯(lián)著河床區(qū)地表水-地下水的應(yīng)用物質(zhì)輸移、氧補(bǔ)充或碳釋放等生物化學(xué)反應(yīng)，對河流的生態(tài)健康起著關(guān)鍵的調(diào)控作用[1-4]。目前許多相關(guān)研究的重點(diǎn)都集中在溪流、河流和發(fā)生鄰近河床下方重要的生物地球化學(xué)過程中的潛流交換[5]，交換的范圍、空間和時間的定量化對了解潛流過程顯得極為重要[6]，一些潛流研究則利用數(shù)值模擬分析來確定水量、溶質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的通量[7-8]，此外，采用水槽試驗來研究潛流交換影響因素、交換強(qiáng)度等也成為了最直觀有效的手段[9-11]。盡管有很大的需求，但是目前卻很少有辦法直接測量出溪流或河流中的水沙界面上水和溶質(zhì)的交換量，大多數(shù)研究都采用追蹤的方法[12]、化學(xué)混合模型垂向溫度梯度測量方法[13-14]或者通過局部水力梯度和河床滲透系數(shù)的測量來確定水流如何經(jīng)過水沙界面[15]。

滲流儀裝置為測量河床界面上的水交換量提供了直接測量方法，所測潛流量可用來分析研究區(qū)域潛流交換強(qiáng)度的變化情況，已逐漸成為研究潛流交換的重要手段。然而在潛流帶現(xiàn)場研究使用滲流儀裝置為人為干擾因素，當(dāng)滲流儀安置在河床中進(jìn)行試驗時，裝置的結(jié)構(gòu)會對裝置周邊的地表水流流態(tài)及地下水流場產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響測量結(jié)果。本文采用室內(nèi)水槽實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，分析研究了滲流儀裝置的結(jié)構(gòu)所帶來的影響規(guī)律。

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)計

結(jié)合先前的研究者所制作的滲流儀裝置特點(diǎn)，本研究的滲流儀裝置設(shè)置為三角形形狀，其整體構(gòu)造如圖1所示。該滲流儀總共包括兩部分：一是硬質(zhì)的有機(jī)玻璃測量桶，另一部分是柔軟可變動的集水袋，兩者之間通過連接管相接，連接管上設(shè)有不同的開關(guān)夾子，用于控制試驗進(jìn)程。其中測量桶由有機(jī)玻璃組裝而成，其插入河床部分的尺寸為25 cm×25 cm，插入深度為8 cm，上部分為三角形房屋狀結(jié)構(gòu)，高為6 cm。實驗時，水沙界面上被滲流儀裝置覆蓋區(qū)域的水流經(jīng)過測量桶進(jìn)入連接管最后流進(jìn)集水袋，即可獲取該區(qū)域的潛流量。

圖1滲流儀裝置

實驗在尺寸為5 m×0.4 m×1.2 m循環(huán)水流水槽內(nèi)進(jìn)行，實驗砂為中值粒徑為1.04 mm的石英砂，為了能使試驗在單向水流形態(tài)的河床區(qū)域進(jìn)行并增強(qiáng)試驗效果，實驗河床設(shè)置成沙坡地形。本次實驗的滲流儀安置在離波峰1 m處，即圖2中Lb=1 m，實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)實驗條件，設(shè)定B、C和D三種不同水位工況(對應(yīng)水位分別為hB=20 cm、hC=25 cm和hD=30 cm)在不同流量情況下的實驗，研究在不同地表水流流速及水位條件下滲流儀所測潛流量的變化情況。

圖2實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)值模型

本文采用半耦合求解模式，用求解水槽中二維、非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流河床地表水的水動力過程和河床潛流帶水流運(yùn)動過程，即先用FLUENT流體力學(xué)軟件求解由雷諾平均N-S方程與k-ω兩方程構(gòu)成的地表水運(yùn)動湍流模型[16]。其中，對于二維、非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流，其Reynolds平均化的Navier-Stokes方程[17]可描述為：

(1)

(2)

(3)

在地表水模型中，待地表水流動達(dá)到穩(wěn)定后，將水沙界面作為不透水邊界，水體上邊界作為壓力入口邊界，左邊界為流速入口邊界，右邊界為壓力出口邊界。

對于地下水運(yùn)動模型，筆者采用COMSOL Multiphysics求解。此處，沙床內(nèi)的水流傳輸問題采用二維、穩(wěn)態(tài)的地下水模型描述：

(4)

假定保守性溶質(zhì)在沙床內(nèi)的傳輸過程遵循對流-擴(kuò)散方程，即有，

(5)

在計算地下水運(yùn)動模型中，將通過求解地表水模型獲得的水沙界面的壓強(qiáng)作為模型上邊界，而模型的左、右及下邊界設(shè)為不透水邊界進(jìn)行求解。

此外，由于河床上滲流儀的存在，它一方面影響了滲流儀外部附近區(qū)域的壓力分布，另一方面，對于其內(nèi)部區(qū)域的壓力值無法獲取，因而本文在地下水的模擬過程中，上邊界壓力值的選取包括兩部分：滲流儀區(qū)域以外部分取該工況下的計算總壓力值；滲流儀內(nèi)部區(qū)域用相同流速情況下，無裝置存在時該區(qū)域的計算壓力值替代，其上邊界壓力取值示意圖如圖3所示。

其中：①部分為該工況下的總壓力值，②部分為相同流速下無裝置存在時，該區(qū)域的計算壓力值。

圖3上邊界取值示意圖

1.3 模型驗證

1.3.1 水位與水面線對比

本文針對無滲流儀裝置時的試驗進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬，通過對比試驗實測水位與模擬的水面線，來驗證FLUENT對沙坡河床地形下的地表水模擬的準(zhǔn)確性。實驗中選取水流方向十個位置測量試驗水位，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

圖4和圖5分別對應(yīng)于工況1和工況2的實測水位與模擬的水面線之間的對比情況，可以看出，實測水位與模擬的水面線之間存在一定的偏差，在沙坡上游區(qū)域模擬值相比于實測值均有一定的偏大，這是由于在進(jìn)行數(shù)值模型時，為減少模型上游給定的進(jìn)口流速可能帶來的計算結(jié)果的影響，將模型尺寸向上游延長而不同于實際水槽尺寸的緣故；在沙坡下游區(qū)域?qū)崪y值與模擬值也存在一定的差異，主要體現(xiàn)在沙坡下游水跌落點(diǎn)后的水位略有不同，模擬水面線相比于實測值沒有表現(xiàn)出明顯的回壅現(xiàn)象，且隨著流速減小表現(xiàn)越明顯。而從整體上看，對于實驗中所對應(yīng)的大小兩種流速，實測值與模擬結(jié)果均表現(xiàn)出較高的一致性，說明模擬結(jié)果可以較好地反應(yīng)水槽中的實際水流。

圖4 工況1對應(yīng)的實測值與計算值的對比

圖5工況2對應(yīng)的實測值與計算值的對比

1.3.2 潛流量對比

根據(jù)之前所介紹的計算裝置區(qū)域內(nèi)的潛流通量的方法，本文對工況C試驗進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬計算，獲得在各流速情況下Ⅰ區(qū)域的潛流通量，并與實驗結(jié)果相對比，其結(jié)果如圖6所示。

圖6工況C對應(yīng)的Ⅰ區(qū)域?qū)崪y與計算潛流量的對比

從圖6中可以看出，實測值與模擬值均為正值，表明在當(dāng)前試驗條件下，滲流儀覆蓋區(qū)域有地下水向地表水排泄；區(qū)域內(nèi)潛流通量的實測值與模擬值在數(shù)值上相差較大，實測值遠(yuǎn)小于模擬值，但兩者均可以反映出潛流量隨流速呈線性增大的規(guī)律，即當(dāng)?shù)乇硭魉僭龃髸r，在河床界面壓力梯度的驅(qū)動下，有更多的地下水進(jìn)入到地表水。由于是二維模擬，忽略了滲流儀整體結(jié)構(gòu)對水流形態(tài)的影響，造成實測值與模擬值之間有較大差異，但從圖6中曲線可以看出兩者間仍存在一定的線性關(guān)系，即在試驗條件不足時，可以用數(shù)值模擬的結(jié)果來表征潛流通量的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 水流條件對測量結(jié)果的影響

圖7為不同水流條件下，滲流儀測得的潛流量的變化情況，由圖7可以看出，潛流量隨地表流速的變化都表現(xiàn)出一致的規(guī)律，均隨著地表流速的增大而變大，符合一般規(guī)律，表明滲流儀裝置收集到的潛流量隨水流條件的變化規(guī)律不因裝置的影響而改變；從水位的影響來看，同一流速條件下，不同的水位所收集到的潛流量也不同，說明水位也是影響潛流交換強(qiáng)度的重要因素，但由于水位之間的相差幅度不大，潛流量并沒有表現(xiàn)出較明顯的差異。

2.2 滲流儀裝置凸起高度的影響

(1) 河床界面壓力分布。圖8(a)為地表流速為5 cm/s時，滲流儀凸起高度Δh分別為0 cm、2 cm、4 cm、6 cm和8 cm所對應(yīng)的河床界面上的總壓力分布，其中圖8(b)為-1 m～1 m區(qū)域內(nèi)的壓力分布。從圖8中可以看出，Δh的存在會影響河床界面上的壓力分布，且在滲流儀裝置附近局部區(qū)域內(nèi)影響較為顯著，且隨著滲流儀裝置的凸起高度Δh的增大，裝置上下游區(qū)域的總壓力都隨著變大，并且上游區(qū)域壓力的增大幅度較下游區(qū)域更大。

圖7 潛流量隨流速變化

圖8不同的Δh對應(yīng)的總壓力水頭分布

同理，通過對靜水壓力和流速水頭隨Δh改變的研究，結(jié)果表明：裝置的存在同樣只對其附近區(qū)域的靜水壓力和流速水頭產(chǎn)生較顯著地影響，隨著Δh的增大，裝置上游區(qū)域內(nèi)的靜水壓力也變大，說明裝置的存在很明顯的抬高了其上游局部區(qū)域的水位，并且Δh越大，效果越明顯，而其下游區(qū)域的水位隨著Δh的增大而出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；在裝置上游區(qū)域內(nèi)，流速水頭隨著Δh的增大而降低，表明更高的裝置Δh值更容易降低裝置上游區(qū)域的地表流速，而在其下游區(qū)域，裝置的凸起高度越大，對應(yīng)的流速水頭亦越大，這是因為當(dāng)流速流經(jīng)裝置開始降落時，水流勢能轉(zhuǎn)化為動能的緣故。

(2) 各區(qū)域潛流量。選取沙坡下游Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)域進(jìn)行潛流量的計算，對比在不同凸起高度對不同區(qū)域潛流量的影響情況，各區(qū)域分別對應(yīng)于Lb=1.0 m、Lb=1.5 m和Lb=2.0 m，結(jié)果表明，隨著裝置凸起高度的增大，各區(qū)域的潛流量也都隨著變大，而Ⅰ區(qū)域的潛流量的變化率明顯大于Ⅱ區(qū)域和Ⅲ區(qū)域的潛流量的變化率，表明裝置對其區(qū)域的潛流量的顯著影響，而隨著距離的增大影響逐漸減小。

2.3 裝置插入深度的影響

為研究裝置插入河床深度對潛流交換的影響，擬定16種工況進(jìn)行研究，具體工況描述為：左側(cè)插入深度dl和右側(cè)插入深度dr取值均取0 cm、1 cm、3 cm和5 cm四種插入深度，并且每一個dl對應(yīng)每一個dr作為一組工況，總共4×4=16組工況進(jìn)行分析討論。

研究表明，對于每一個右側(cè)插入深度，當(dāng)左側(cè)插入深度越大時，Ⅰ區(qū)域所對應(yīng)的的潛流量越小，一方面這是由于左側(cè)插入在河床中的裝置阻礙了水流流向Ⅰ區(qū)域，另外，隨著左側(cè)插入深度的增加，進(jìn)入Ⅰ區(qū)域的流線長度也隨著變大，而由于河床界面上的壓力水頭不變，因此坡降降低，根據(jù)達(dá)西定律，Ⅰ區(qū)域的流量將減??；而對于每一個左側(cè)插入深度，當(dāng)右側(cè)插入深度變大時，Ⅰ區(qū)域內(nèi)的潛流量也是減小的。

3 結(jié) 論

本文利用自行設(shè)計滲流儀裝置進(jìn)行水槽實驗，并通過數(shù)值模擬的研究手段分析研究不同裝置結(jié)構(gòu)對河床界面壓力分布及區(qū)域潛流量的影響規(guī)律，主要結(jié)論有：

(1) 自行設(shè)計的三角形形狀的滲流儀裝置收集到的潛流量的隨水流條件的變化規(guī)律不因裝置的影響而改變。

(2) 滲流儀裝置的凸起高度Δh的存在會對其附近河床界面上的壓力水頭產(chǎn)生顯著影響，Δh會增大裝置上下游區(qū)域內(nèi)的總水頭，并且隨著Δh的變大效果越明顯。

(3) 滲流儀凸起高度Δh的變化會對河床界面上的潛流量產(chǎn)生明顯影響，且隨著Δh的增大，潛流量也越大，表明滲流儀凸起高度的增大會加劇其附近區(qū)域的潛流交換強(qiáng)度。

(4) 滲流儀裝置的插入深度不同會影響該區(qū)域的潛流量的收集，潛流量均隨著上下游兩側(cè)的插入深度的增大而減少。

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