潜流交换之河床过滤教案资料.ppt

潜流交换之河床过滤综述l研究意义：研究意义：细颗粒对流域的生物、化学循环和河流的代谢过程很重 要，但如果存在过多或者携带有害污染物，就会对水质造成危害。这里的细颗粒是指：无机物（粘土及其它矿物）、有机物（植物残留物及微生物）。虽然它们有较低的沉降速率，但通过河床过滤、絮凝、生物膜截留，这些颗粒还是会被保留下来。所以对潜流区细颗粒的研究有重要意义。l本研究的目的：本研究的目的：估算由于河床过滤造成的粘土颗粒的保留量。潜流交换在某种程度上是由沿着河床表面的总水头梯度引起的。潜流交换模型是把沿河床表面的水头分布作为一个边界条件，来模拟河床表面及河床沉积物中水的流动。对于较复杂的渠道，我们可利用紊流流体动力学模型，如雷诺Navier-Stokes方程来计算河床表面的水头分布。颗粒发生过滤的机理：当悬浮颗粒接触到河床沉积物时，这些细颗粒会在重力的作用下留在孔隙水里，或者挤压孔隙使其压缩变小不让细颗粒通过，河床过滤就可能发生。l研究模型：研究模型：用河床基质填充的柱吸附实验模型。模型试验中影响过滤的因素：悬浮颗粒及河床沉淀物的大小、孔隙水流速、孔隙水PH值、悬浮颗粒和沉积物表面的化学组成等。这里主要研究前两种因素。l研究结果：研究结果：河床颗粒的过滤取决于河床上层水流条件，在较小程度上，也受潜流带基质的影响。该研究解释了河流流量、河床沉积物的性质的变化如何影响河床孔隙水流动条件，反过来，这些变化又如何影响地表及地下水的粒子交换过程。这个模型也说明了水流流动、运输、质量转移过程间的相互作用是如何影响潜流带中颗粒的空间分布。模型的介绍l概述概述 该模型采用的是一个模拟潜流交换和河床溶质运输的方法，该方法有三个步骤，三套方程。第一步，利用二维形式的紊流方程，可以得到沿着由等间距、非对称沙波组成的河床表面的水头分布；第二步，利用该水头分布作为上边界条件，可以求解水槽下二维形式的地下水流动方程；第三步，将孔隙水速度场（可由步骤2得到）输入到颗粒对流、扩散、限制性过滤这些耦合方程中来模拟悬浮颗粒的运输过程。l地表水紊流模型 我们用RANS k-w方程的数值解来模拟河水紊流，它的解在空间上是精确的。二维形式RANS方程被用来模拟稳定的地表水流动（测量范围为0.15米深和10米长）。这个范围在0到5米之间有一个平坦的底层，5到10 m间由间隔均匀的沙波组成（图1）。图中三角沙波的波长和峰值高度分别为0.5米和0.05米。每个非对称波的波峰的位置（相对于它的波长）在x=0.7处，例如，波从x=0到x=0.5延伸时，波峰就在x=0.35处。假定地表水的流速（ux）在模型区上游边界（x=0）沿深度不变，在x=5米处水流进入到沙波之前，这个平坦的进口区允许对数形式的垂线流速分布得到充分发展。规定粘性应力在沿x=10米处垂直于出口边界的地方消失。另外，河床表面被视为一个无流动边界。除了这些边界条件，RANS方程用物理场耦合分析软件consol 32a进行有限元逼近求解（包含约3000个三角形元素）。l孔隙水的流动 在地下0.5米处水头的空间分布是通过求解二维的、稳定状态下各向同性的、多孔介质的地下水流方程计算得到的：其中h是总水头，K是水力传导系数，x和z分别表示水平和垂直方向上的坐标。求解该方程的两个条件是：河床表面无流动 沿着左、右侧边界在同一条等 势线上 l粒子的运输与过滤 粒子输运方程二维的形式为：其中，C是孔隙水中悬浮颗粒的浓度，S是沉积（保留）颗粒的浓度，b是沉积物的堆积密度，n是孔隙率，t为时间，v为孔隙水平均垂线流速，D是水力扩散系数，下标x和z分别表示坐标系的方向。一阶动力学方程：一阶动力学方程：其中其中KfKf是一个量化粒子附着率的系数。是一个量化粒子附着率的系数。KfKf可以表示悬浮颗粒、可以表示悬浮颗粒、沙床沉积物和孔隙水的物理、化学性质的函数：沙床沉积物和孔隙水的物理、化学性质的函数：其中，其中，dcdc为多孔介质基板的平均孔径，为多孔介质基板的平均孔径，VgwVgw是孔隙水平是孔隙水平均线性速度矢量均线性速度矢量 对于研究的亚微米级颗粒，可以在河床孔隙率（n）和沛克莱数（Npe）的基础上计算：其中，是在无限介质中的扩散系数，由球形颗粒扩散的斯托克斯-爱因斯坦方程计算得到的。控制粒子运输与过滤的方程（式（2-8）的解可以在地下域从x=5到x=7.5之间长2.5m（图1）的部分获得。附着率的确定 在模型模拟中使用的附着率（）的最优值，可以从柱吸附试验中分析得到。先将收集到的河床沉积物进行分类：大粗砂（850-2000mm），粗砂（500-710mm），和中级砂（350-500mm），然后用蒸馏水对它们反复清洗，直到上层液体没有明显混浊，然后放到烘箱中烘干（60摄氏度），再将它们分别装入到直径为2.5厘米和长为15厘米的玻璃色谱柱中，其后用过滤水冲洗，直到用波长为350nm的光谱仪测出的透射读数是恒定的为止。这个实验模型可以求解一维形式的方程（2）和（3），也能估算出方程（3）中Kf的特定值，再利用Kf 和由方程（5）算出的 理论值来计算方程（4）中的附着率（）。实验结果实验结果l地下水地下水在这些模拟中，潜流带的侵入深度达在这些模拟中，潜流带的侵入深度达0.250.25米，它的大小和形状与河床米，它的大小和形状与河床沉积物的平均流速、水力传导系数沉积物的平均流速、水力传导系数K K是彼此独立的。孔隙水平均线性是彼此独立的。孔隙水平均线性流速（流速（VgwVgw）的缩放与）的缩放与K K成比例，对于第二个波峰下方的垂直断面上的成比例，对于第二个波峰下方的垂直断面上的任意点的流速（任意点的流速（VgwVgw），粗砂的是中砂的），粗砂的是中砂的5 5倍。当水流平均流速倍。当水流平均流速UstrUstr减减小时孔隙水流速也减小，特别是小时孔隙水流速也减小，特别是UstrUstr减小减小1717倍会导致倍会导致VgwVgw的大小不止的大小不止减小两个数量级。减小两个数量级。l累积分布的观测表明，当F(t)=95时，在高流量的条件下大粗砂里孔隙水的停留时间小于3小时，基流条件下小于3天，干旱流条件下小于37天（图4a）。而在高流量条件下，当F(t)=95时，大粗砂中孔隙水的停留时间小于3小时，粗砂是小于8小时，中砂是小于16小时（图4b）。而在基流中，大粗砂、粗砂、中砂的时间分别增加到3天、5天和7天。l粒子运输与过滤 在基流和高流量条件下，悬浮颗粒能侵入到从河床表面开始的最深流径为0.25m的位置，而在干旱流条件下，由于相对较低的孔隙水流速，悬浮颗粒絮状物5天之后只能渗透到地下0.095米。过滤粒子的浓度随着河床沉积物颗粒的平均直径的减少而增加。在高流量的条件下，约45的悬浮颗粒保留在大粗砂里，80保留在粗砂，近88保留在中砂。在基流条件下，93的颗粒被保留在大粗沙里，而超过99的颗粒被保留在粗砂和中砂里。干旱流条件下，至少99的颗粒全部保留在三种沙床基质里。讨论与分析 河床中的粒子过滤是一种一阶动力学过程，且悬浮颗粒浓度与速率的变化呈线性关系。该处理导致河床表面附近大量滞留的颗粒随着流线距离的增加而急剧衰减。河床表面附近截留下的颗粒可能会因生物扰动作用而被再活化、冲刷或者以河床形式迁移。潜流带颗粒对再活化的敏感性对污染物的去向有着重要的影响，而这些污染物表现了对矿物表面的强吸引力。比如，在世界上的河流生态系统中，汞就是一种能发生粒子反应的具有潜在危险的污染物。在低流量期间，我们发现细颗粒沉积物具有较低的初始水力传导系数，当潜流孔尺寸因为这些滞留的细颗粒而变得更小时，过滤能力可以得到进一步的提高。我们的建模方法没有考虑到这个因素；然而，随着时间的推移，过滤将导致孔隙度、沙和砂砾河床的水力传导系数的减小。物理堵塞会对底栖生态系统产生影响，例如降低孔隙水中的溶解氧，改变河床微生物的活动。谢谢观赏！谢谢观赏！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢