潜流交换之河床过滤教案资料.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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。
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