樊靖郁 陳春燕 趙 亮 王道增

(上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所，上海市能源工程力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072)

引言

粗糙底床普遍存在于河流、湖泊、水庫(kù)、河口以及近海等環(huán)境水體中.由于底床通常由不同粒徑和孔隙結(jié)構(gòu)的泥沙顆粒組成，對(duì)于平整底床，在一定的水流條件下，當(dāng)?shù)状脖砻娴哪嗌愁w粒較粗時(shí)(相對(duì)于黏性細(xì)顆粒泥沙)，較大的床面粗糙度會(huì)使得水力光滑近似不再滿足，即構(gòu)成水力粗糙床面[1-3].同時(shí)，受水沙相互作用底床表面易形成沙紋、沙波、階梯--深潭等不同尺度和類型的床面形態(tài)[4-6].床面粗糙度、滲透性和床面形態(tài)不僅影響近底區(qū)域邊界層平均流動(dòng)和湍動(dòng)特征，從而影響流動(dòng)阻力和床面切應(yīng)力[7-8]，還會(huì)對(duì)泥--水界面區(qū)域的物質(zhì)交換過(guò)程產(chǎn)生重要影響[9-11].一般而言，環(huán)境水體中泥--水界面區(qū)域的物質(zhì)交換過(guò)程可由多種不同尺度且相互作用的水動(dòng)力機(jī)制驅(qū)動(dòng)，包括分子擴(kuò)散、剪切離散、湍流滲透以及不同形式的潛流交換過(guò)程[12-14].刻畫(huà)這些不同物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制的相對(duì)重要性，不僅有助于分析確定界面物質(zhì)交換通量與其影響因素的依賴關(guān)系[15-16]，同時(shí)也有利于將特定水流和底床條件下獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式合理外推并應(yīng)用于實(shí)際水體.

粗糙床面特征(粗糙度和不同尺度床面形態(tài))對(duì)泥--水界面區(qū)域的物質(zhì)交換過(guò)程起著重要作用，一方面上覆水流與床面形態(tài)的相互作用將會(huì)形成床面壓力變化，驅(qū)動(dòng)上覆水與底床孔隙水之間的泵吸交換等對(duì)流過(guò)程[17-18]；另一方面，由于底床往往具有一定的滲透性，上覆水與底床孔隙水之間的動(dòng)量交換將會(huì)誘導(dǎo)床面附近區(qū)域(包括沙波等床面形態(tài)內(nèi)部)上覆水/孔隙水耦合流動(dòng)[19-21]，湍流滲透對(duì)界面物質(zhì)交換特性的影響也不可忽視[22-25].

以往研究表明，對(duì)于三角形沙波等相對(duì)較大尺度的床面形態(tài)，與平整底床相比，泥--水界面區(qū)域的物質(zhì)交換通量顯著增大，如Grant 等[26]總結(jié)分析了不同尺寸沙紋、沙波等床面形態(tài)的文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相比平整底床，有效擴(kuò)散系數(shù)Deff平均增大了約3.5 倍.Packman 等[27]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三角形沙波床面形態(tài)較平整底床(由礫石組成)有效擴(kuò)散系數(shù)增大了3～6 倍.因此，應(yīng)用泵吸交換模型以及其他概念化理論模型預(yù)測(cè)床面形態(tài)所驅(qū)動(dòng)的潛流交換通量時(shí)，大都忽略湍流滲透等其他物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制的影響.對(duì)于不存在床面形態(tài)的水力粗糙平整底床，以往研究也揭示了湍流滲透等其他物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制的重要性，如Inoue 等[2]分析結(jié)果表明水力粗糙底床(由天然底泥組成)對(duì)界面物質(zhì)交換通量的影響與床面粗糙程度相關(guān)，無(wú)量綱質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)(Stanton 數(shù))并不隨粗糙雷諾數(shù)Rek(基于床面粗糙高度ks)的增大呈單調(diào)變化，最大值出現(xiàn)在過(guò)渡粗糙區(qū)(為光滑底床的2～5 倍)，在完全粗糙區(qū)趨于減小.Reidenbach 等[28]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水力粗糙床面條件下質(zhì)量輸運(yùn)通量較水力光滑床面預(yù)測(cè)值增大了1.3～7.5 倍.然而，以往實(shí)驗(yàn)研究較少考慮床面微地形(如較小尺度的離散粗糙元床面形態(tài))對(duì)砂質(zhì)底床界面物質(zhì)交換特性的影響[10]，床面微地形所驅(qū)動(dòng)的小尺度潛流交換與湍流滲透等其他物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程均不可忽略，這些不同尺度且相互耦合物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制的相對(duì)重要性，以及底床滲透率、床面粗糙度和離散粗糙元床面形態(tài)對(duì)界面物質(zhì)交換特性的綜合影響尚待深入研究[29-31].

本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到不同砂質(zhì)平整底床和存在離散粗糙元床面條件下，泥--水界面物質(zhì)交換通量和有效擴(kuò)散系數(shù)的定量數(shù)據(jù)和變化特征，并采用參數(shù)化方法對(duì)比分析無(wú)量綱控制參數(shù)變化范圍內(nèi)界面物質(zhì)交換特性的主導(dǎo)機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在上海大學(xué)力學(xué)所自行設(shè)計(jì)的環(huán)形水槽中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示[32].環(huán)形水槽主體裝置由有機(jī)玻璃制成，包括底槽、內(nèi)外壁和上部的剪力環(huán)，內(nèi)、外壁直徑分別為0.6 m 和1.0 m，構(gòu)成寬度為0.2 m、高度為0.4 m 的環(huán)形槽道.上部剪力環(huán)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)剪力環(huán)升降和轉(zhuǎn)速(R)帶動(dòng)水體表面勻速流動(dòng)，在環(huán)形槽道內(nèi)可按不同實(shí)驗(yàn)工況要求，控制上覆水平均流速(U)和水深(H).

圖1 環(huán)形水槽示意圖Fig.1 Schematic diagram of an annular flume

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持水深基本不變(H=15.0 cm),上覆水總體積(Vw=As×H，As為環(huán)形槽道底床表面積)也保持相同.剪力環(huán)轉(zhuǎn)速限制在避免床沙發(fā)生再懸浮的低流速范圍(R20 r/min)，以盡量減小對(duì)床沙的擾動(dòng)，同時(shí)可近似忽略環(huán)形槽道內(nèi)形成的二次流.與循環(huán)直水槽相比，環(huán)形水槽把直槽長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為時(shí)間尺度，可模擬無(wú)限長(zhǎng)的明渠水流.此外，環(huán)形水槽無(wú)需回水系統(tǒng)和消能設(shè)施，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作方便.

1.2 測(cè)量方法

環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)底泥樣品采用不同代表粒徑(dg)的模型沙(石英砂)，經(jīng)篩分得到的3 種底泥樣品分別為細(xì)沙(dg=0.425 mm)、中沙(dg=0.95 mm)和粗沙(dg=2.0 mm).樣品孔隙度(θ)采用水蒸發(fā)法測(cè)定，3 種底泥樣品孔隙度分別為0.42，0.44 和0.45.樣品滲透率(K)可根據(jù)Kozeny-Carmen 公式估算，其表達(dá)式為/[180(1 ?θ)2][16].

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將厚度(db)為15.0 cm 的模型沙均勻鋪設(shè)于水槽底部構(gòu)成平整底床，底床表面積(As)和體積(Vs=As×db)均保持不變.床面粗糙高度(ks)可由van Rijn 給出的經(jīng)驗(yàn)公式估算[23]，其表達(dá)式為ks=3d90+1.1?(1 ?e?25?/λ)，式中?和λ 分別為沙波高度和波長(zhǎng).

采用非吸附性氯化鈉(NaCl)作為代表性溶質(zhì)(上覆水中分子擴(kuò)散系數(shù)為Dm).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，待水槽啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，將配制的高濃度NaCl 溶液添加于上覆水中(底床孔隙水初始濃度為0)，經(jīng)循環(huán)混合均勻后的上覆水溶質(zhì)濃度作為初始濃度C0，通過(guò)虹吸采樣并測(cè)量得到上覆水NaCl 溶質(zhì)濃度隨時(shí)間(t)的變化C(t).為比較分析不同實(shí)驗(yàn)工況所得結(jié)果的定量差異，每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況上覆水初始溶質(zhì)濃度(C0=0.05 mol/L)和采樣歷時(shí)(300 min)均保持相同.每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，反復(fù)清洗底床泥沙，保證底床孔隙水中NaCl 溶質(zhì)濃度接近于0 以備下次實(shí)驗(yàn).

為便于比較，利用每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況獲得的上覆水無(wú)量綱溶質(zhì)濃度的時(shí)間序列數(shù)據(jù)C?(=C/C0)，根據(jù)C?～t1/2曲線的初始斜率S(S=dC?/dt1/2)，即可定量確定不同實(shí)驗(yàn)工況的界面物質(zhì)交換通量(J)和有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff)[23,27]，本文采用的有效擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式為Deff=π[VwS/(2Asθ)]2，式中初始斜率S可由C?～t1/2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到[23].同時(shí)，根據(jù)每個(gè)工況的C?時(shí)間序列數(shù)據(jù)可確定上覆水與底床孔隙水達(dá)到溶質(zhì)交換平衡所需時(shí)間，直觀反映出不同工況界面物質(zhì)交換速率的定量差異.

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

床面粗糙程度依賴于流動(dòng)和底床表面泥沙組成，與以往相關(guān)水槽實(shí)驗(yàn)研究相比，本文側(cè)重于考慮床面微地形和底床泥沙組成對(duì)界面物質(zhì)交換特性的綜合影響.通過(guò)改變上覆水平均流速U和底床泥沙粒徑dg，本文設(shè)置了9 組平整底床實(shí)驗(yàn)工況，粗糙雷諾數(shù)(Rek=u?ks/ν) 變化范圍為4.52Rek92.63，滲透率雷諾數(shù)(Rek=u?K1/2/ν) 變化范圍為0.052Rek1.263.同時(shí)，為考慮床面微地形(采用概化的離散粗糙元)對(duì)界面物質(zhì)交換特性的影響，設(shè)置了8 組人工離散粗糙元床面形態(tài)實(shí)驗(yàn)工況，每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況人工粗糙元與底床泥沙均采用相同泥沙樣品.離散粗糙元床面形態(tài)幾何構(gòu)型如圖2 所示，粗糙元高度h約為1.0 cm，間距L約為6.0 cm，h/L=1/6.實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表1.

圖2 離散粗糙元床面形態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of bed form with discrete roughness elements

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental runs

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 典型工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果

泥--水界面的物質(zhì)交換過(guò)程不僅與底床物理特性(孔隙度、滲透率與非均質(zhì)性等)有關(guān)，還與床面形態(tài)的幾何特征(粗糙元高度h、間距L和相對(duì)淹沒(méi)度H/ks等)密切相關(guān).與以往實(shí)驗(yàn)研究相比，本文實(shí)驗(yàn)側(cè)重于定量分析平整底床和較小尺度離散粗糙元床面形態(tài)條件下界面物質(zhì)交換特性的主導(dǎo)機(jī)制，因此為簡(jiǎn)化起見(jiàn)采用了固定的粗糙元幾何特征和相對(duì)淹沒(méi)度.已往研究成果表明，上覆水流與床面形態(tài)的相互作用是潛流交換的重要驅(qū)動(dòng)機(jī)制.在床面附近區(qū)域，粗糙元局部繞流結(jié)構(gòu)形成的床面壓力梯度將會(huì)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)進(jìn)出底床的泵吸交換過(guò)程.圖3 給出了平整底床(工況5)和存在粗糙元底床(工況16)兩種典型工況(中沙底床)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

由圖3 可見(jiàn)，在相同流速條件下，粗糙元底床上覆水溶質(zhì)濃度C的變化規(guī)律與平整底床較為相似，均隨時(shí)間呈明顯的下降趨勢(shì)，且在初始交換階段下降速率較快，隨后交換速率逐漸減緩，并最終形成交換平衡，上覆水平衡濃度均為0.035 4 mol/L.但與平整底床不同的是，粗糙元底床上覆水溶質(zhì)濃度下降速率相對(duì)較大，且達(dá)到最終交換平衡所需時(shí)間相對(duì)較短，工況16 在t=135 min 時(shí)就已達(dá)到交換平衡，而工況5在t=210 min 時(shí)才達(dá)到交換平衡.由此可見(jiàn)，環(huán)形水槽溶質(zhì)由上覆水向底床孔隙水下滲過(guò)程是一個(gè)初始濃度不平衡直至達(dá)到最終平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，最終交換平衡時(shí)高濃度溶質(zhì)稀釋度可方便控制，因此與直水槽相比可以更為精確地反映平整底床與存在粗糙元床面物質(zhì)交換通量的定量差異.從圖3結(jié)果可見(jiàn)，與平整底床相比，粗糙元床面形態(tài)底床條件下，界面物質(zhì)交換通量有明顯增大，粗糙元床面形態(tài)對(duì)上覆水與底床孔隙水之間的物質(zhì)交換起促進(jìn)作用.

圖3 典型工況上覆水濃度隨時(shí)間的變化(中沙底床)Fig.3 The variation of overlying water concentration with time for typical runs(medium-grained sand bed)

2.2 界面物質(zhì)交換特性的影響因素分析

環(huán)境水體中粗糙底床泥--水界面物質(zhì)交換過(guò)程涉及到各種物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制的耦合作用，其影響參數(shù)眾多，包括水動(dòng)力作用(平均流速、水深和湍動(dòng)特性)、底床物理特性(滲透率和孔隙度)以及床面特征(粗糙度和床面形態(tài))等.本文水槽實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變上覆水平均流速和床沙組成，比較分析水動(dòng)力作用(平均流速U)、底床滲透率(K)、床面粗糙度(ks)以及床面微地形(離散粗糙元)對(duì)界面物質(zhì)交換特性的綜合影響.

圖4 為不同流速中沙底床條件下，上覆水無(wú)量綱溶質(zhì)濃度C?隨時(shí)間t的變化，圖4 中各條濃度變化曲線初始斜率的絕對(duì)值直觀反映了泥--水界面的物質(zhì)交換速率.由圖4 可見(jiàn)，在粗糙元床面形態(tài)底床條件下，上覆水溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的總體變化趨勢(shì)與平整底床情形類似，即溶質(zhì)由上覆水向底床孔隙水下滲過(guò)程中，上覆水溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的推移逐漸降低，且達(dá)到最終交換平衡所需的時(shí)間主要取決于界面物質(zhì)交換速率.

圖4 不同流速條件下上覆水濃度隨時(shí)間的變化(中沙底床)Fig.4 The variation of overlying water concentration with time under different flow velocity conditions(medium-grained sand bed)

對(duì)于相同滲透率的粗糙元底床條件，界面物質(zhì)交換速率(或界面物質(zhì)交換通量)隨著上覆水平均流速U(或雷諾數(shù)Re=UH/ν)的增大而顯著增大.水動(dòng)力作用是界面物質(zhì)交換過(guò)程的重要影響因素，對(duì)各種物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制都有直接作用.隨雷諾數(shù)Re的增大，泵吸交換和湍流滲透等其他水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)因子都相應(yīng)增強(qiáng)，本文細(xì)沙和粗沙底床條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與此類似.

圖5 和圖6 分別為不同細(xì)沙和粗沙底床條件下，上覆水無(wú)量綱溶質(zhì)濃度C?隨時(shí)間t的變化，由圖5 可見(jiàn)，對(duì)于細(xì)沙底床，與平整底床相比，粗糙元床面形態(tài)較為明顯地增大了界面物質(zhì)交換速率.由圖6 可見(jiàn)，對(duì)于粗沙底床，與平整底床相比，粗糙元床面形態(tài)僅輕微增大了界面物質(zhì)交換速率.定量比較圖3、圖5 和圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，粗糙元床面形態(tài)不同程度增大了界面物質(zhì)交換通量，但其增強(qiáng)效應(yīng)與上覆水平均流速、底床滲透率和床面粗糙度存在較為明顯的相關(guān)性.圖5 中細(xì)沙底床工況11 有效擴(kuò)散系數(shù)比工況3增大了56.5%，圖6 中粗沙底床工況12 有效擴(kuò)散系數(shù)僅比工況7 增大了22.1%，這說(shuō)明對(duì)于砂質(zhì)底床，離散粗糙元引入的泵吸交換與床沙組成密切相關(guān)，隨底床泥沙顆粒粒徑的增大，泵吸交換對(duì)界面物質(zhì)交換的相對(duì)貢獻(xiàn)逐漸減弱，與之對(duì)應(yīng)的是湍流滲透等其他驅(qū)動(dòng)機(jī)制的相對(duì)貢獻(xiàn)逐漸增強(qiáng).這與Reidenbach 等[28]所得結(jié)果一致，而與Inoue 等[2]分析結(jié)果有所差異，其原因可能在于Inoue 等[2]采用了不可滲透的有機(jī)玻璃片作為床面粗糙元，因而忽略了粗糙元滲透性對(duì)較小尺度對(duì)流過(guò)程的影響.由此可見(jiàn)，存在床面微地形底床條件下，粗糙元滲透性對(duì)于泵吸交換和湍流滲透等界面物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程都是一個(gè)不可忽略的影響因素.對(duì)離散粗糙元采用不可滲透的簡(jiǎn)化處理來(lái)分析預(yù)測(cè)界面物質(zhì)交換過(guò)程，將有可能低估具有一定滲透率粗糙底床條件下(如砂質(zhì)底床)的實(shí)際界面物質(zhì)交換通量，這一問(wèn)題在數(shù)值模擬中尤需關(guān)注，值得將來(lái)深入研究.

圖5 不同底床條件下上覆水濃度隨時(shí)間的變化(細(xì)沙底床)Fig.5 The variation of overlying water concentration with time under different bed conditions(fine-grained sand bed)

圖6 不同底床條件下上覆水濃度隨時(shí)間的變化(粗沙底床)Fig.6 The variation of overlying water concentration with time under different bed conditions(coarse-grained sand bed)

2.3 主導(dǎo)界面物質(zhì)交換機(jī)制分析

粗糙底床泥--水界面物質(zhì)交換過(guò)程受水動(dòng)力作用、底床滲透率和床面形態(tài)的共同影響.對(duì)可滲透粗糙床面，存在床面形態(tài)時(shí)界面區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)交換特性受到上覆水流與床面形態(tài)相互作用的顯著影響，其中界面壓力變化所誘導(dǎo)的上覆水/孔隙水對(duì)流過(guò)程是潛流交換的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制之一.在此方面，以往較多研究主要針對(duì)較大尺度的三角形沙波等床面形態(tài)，與平整底床相比，由界面壓力變化驅(qū)動(dòng)的泵吸交換引入了附加的物質(zhì)交換機(jī)制.本文水槽實(shí)驗(yàn)粗糙底床采用的是較小尺度的離散粗糙元，主要研究床面微地形驅(qū)動(dòng)的泵吸交換與湍流滲透的相對(duì)重要性，以及底床滲透率和床面粗糙度對(duì)界面物質(zhì)交換特性的綜合作用.

作為界面物質(zhì)交換通量的參數(shù)化表征，有效擴(kuò)散系數(shù)Deff綜合描述了多種物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制的共同作用.為分離由床面形態(tài)驅(qū)動(dòng)的泵吸交換和湍流滲透等其它驅(qū)動(dòng)機(jī)制的影響，本文采用上覆水雷諾數(shù)Re作為有效擴(kuò)散系數(shù)Deff的主要影響參數(shù)，以更好區(qū)分相同Re條件下兩種底床所得Deff結(jié)果的定量差異.圖7 給出了平整底床和存在粗糙元床面形態(tài)條件下，本文水槽實(shí)驗(yàn)得到的各工況有效擴(kuò)散系數(shù)=Dm/[1+3(1+θ)]為孔隙水中分子擴(kuò)散系數(shù))與上覆水雷諾數(shù)Re之間的依賴關(guān)系，圖7 中給出了6 條擬合曲線(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，均采用2 次方標(biāo)度關(guān)系).由圖7 可見(jiàn)，平整底床和存在離散粗糙元床面形態(tài)條件下，對(duì)于特定底床情形，在本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化范圍內(nèi)(如本文平整底床滲透率雷諾數(shù)變化范圍為0.052Rek1.263)，有效擴(kuò)散系數(shù)Deff/與上覆水雷諾數(shù)Re之間都存在約2 次方標(biāo)度關(guān)系，這與以往部分文獻(xiàn)結(jié)果較為一致[12,27].

圖7 有效擴(kuò)散系數(shù)和上覆水雷諾數(shù)的依賴關(guān)系Fig.7 Dependence of effective diffusion coefficient on the overlying water Reynolds number

綜合圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于不同的上覆水平均流速和相同幾何構(gòu)型的粗糙元床面形態(tài)，與平整底床相比，粗糙元局部繞流所形成的泵吸交換過(guò)程總體而言增大了有效擴(kuò)散系數(shù)，但其對(duì)界面物質(zhì)交換的增強(qiáng)效應(yīng)與底床滲透率和床面粗糙程度密切相關(guān).對(duì)于細(xì)沙底床，底床滲透率和床面粗糙度較小，湍流滲透相對(duì)較弱，泵吸交換的相對(duì)貢獻(xiàn)較大，粗糙元底床有效擴(kuò)散系數(shù)相比平整底床平均增強(qiáng)效應(yīng)為62.2%.隨底床泥沙顆粒粒徑的增大，底床滲透率和床面粗糙度均隨之增大，湍流滲透相對(duì)較強(qiáng)，泵吸交換的相對(duì)貢獻(xiàn)則趨于減弱，對(duì)于中沙和粗沙粗糙元底床，有效擴(kuò)散系數(shù)相比平整底床平均增強(qiáng)效應(yīng)分別為35.5%和18.4%.

因此，泵吸交換能否成為存在床面形態(tài)底床的主導(dǎo)界面物質(zhì)交換機(jī)制，不僅需要考慮水動(dòng)力作用和床面形態(tài)幾何特征，還需要考慮底床滲透率和床面粗糙度的綜合影響.對(duì)于較大尺度的沙波等床面形態(tài)，泵吸交換效應(yīng)相對(duì)較強(qiáng)，湍流滲透等其他物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程的相對(duì)貢獻(xiàn)較為有限，泵吸交換成為主導(dǎo)界面物質(zhì)交換機(jī)制，可應(yīng)用一些概念化的理論模型(如泵吸交換模型[9])來(lái)分析預(yù)測(cè)潛流交換通量或有效擴(kuò)散系數(shù).而對(duì)于較小尺度的離散粗糙元等床面微地形，由于泵吸交換效應(yīng)相對(duì)較弱(相對(duì)于較大尺度的沙波等床面形態(tài))，湍流滲透等其他物理驅(qū)動(dòng)機(jī)制受底床滲透率和床面粗糙度的影響更為顯著，尤其對(duì)于具有相對(duì)較高滲透率的粗沙底床，湍流滲透將成為主導(dǎo)界面物質(zhì)交換機(jī)制.需要采用更完善的上覆水/孔隙水耦合流動(dòng)和通量模型來(lái)分析預(yù)測(cè)多種界面物質(zhì)交換機(jī)制共存的綜合作用.

3 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到了平整底床和存在床面微地形(較小尺度離散粗糙元)條件下，界面物質(zhì)交換通量和有效擴(kuò)散系數(shù)的定量數(shù)據(jù)和變化特征，并采用參數(shù)化方法分析了無(wú)量綱控制參數(shù)變化范圍內(nèi)界面物質(zhì)交換特性的主導(dǎo)機(jī)制，主要結(jié)論包括：

(1)底床滲透率和床面微地形共同對(duì)界面物質(zhì)交換過(guò)程起重要作用.與平整底床相比，離散粗糙元局部繞流結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的附加泵吸交換不同程度增大了界面物質(zhì)交換通量.

(2)隨底床滲透率和床面粗糙度的增大，粗糙底床有效擴(kuò)散系數(shù)總體上呈增大趨勢(shì)，湍流滲透對(duì)界面物質(zhì)交換的影響趨于增強(qiáng)，而泵吸交換的相對(duì)貢獻(xiàn)趨于減弱.

(3)分析存在床面微地形粗糙底床的主導(dǎo)界面物質(zhì)交換機(jī)制，不僅需要考慮水動(dòng)力作用和床面形態(tài)幾何特征，還需要考慮底床滲透率和床面粗糙度的綜合影響.