弯曲河岸侧向潜流交换试验

为揭示河岸形态引起的侧向潜流交换规律,利用地表水与地下水双循环水槽系统,通过10组正弦型微弯河岸与4组直线型河岸的潜流交换对比试验,研究不同河岸振幅a、地表水流速u、河流水深h条件下的潜流交换特性。试验结果表明,与垂向潜流交换机理类似,侧向潜流交换也存在对流(泵吸交换)、扩散和微循环3种交换形式。河流雷诺数Re的增大,将加强紊动扩散与微循环作用。河岸弯曲形态的出现,将引起泵吸效应,大大加剧了河岸的潜流交换,且随着河岸振幅与河流流速的增大,河岸形态引起的泵吸交换将逐渐成为潜流交换前期的主要形式。     

河流中潜流交换研究进展

河水和地下水交换——潜流交换对溶质和污染物的归宿起着重要作用。潜流交换机理主要包括泵吸交换和冲淤交换。泵吸交换是由于河床形态引起的水头梯度,这些水头梯度诱导了对流传输;冲淤交换发生是由于移动河床截留和释放孔隙水。潜流交换的主要影响因素包括:河道流量、河床水力传导性、河床形态、河道弯曲、河床不均匀和背景条件。还探讨了反应性溶质、胶体颗粒共存情况下潜流交换的规律。对潜流交换研究现存的主要问题及未来研究展望提出了看法。     

河床地形影响潜流交换作用的数值分析

选取对潜流交换具有重要影响的河床地形作为主要研究内容,采用数值模拟(MODFLOW程序)的方法研究在河床横剖面地形不均匀的条件下,潜流交换量的空间分布以及地下水流场的演变机制。结果表明:在河床地形起伏不均的情况下,潜流交换量更易发生在河道的深水区域;地下水流向受河床地形影响较小;近河床界面处的地下水流速受地形起伏影响剧烈,深水区域的地下水流速远大于浅水区地下水流速;通过与现场试验结果对比分析,得出河床地形起伏是引起潜流带渗透系数非均质现象的重要原因之一。     

潜流交换温度示踪方法研究进展

潜流带是河流生态系统中活跃的生态群落交错区,是地表水和地下水相互作用的重要界面。研究潜流带内存在的潜流交换机制对评估水资源的开发利用以及维持和修复河流生态系统健康有着重要意义。系统介绍了温度示踪方法的一维垂向稳态和瞬态热运移解析模型,梳理归纳了基于温度示踪的时序数据采集方法、信号分析方法和数值方法的相关研究进展,最后对比论述了温度示踪方法的优势和存在的主要问题,同时指出了地下水的多维流动、温度测量的不确定性以及非理想条件对解析模型的影响仍是未来温度示踪方法需要进一步研究的重点。     

河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

为了揭示河床沉积物非均质性对潜流交换的影响,构建了沙波地形作用下的地表水-地下水耦合模型,通过生成不同的渗透系数随机场,讨论了不同地表水动力过程和河床沉积物非均质性对潜流交换通量、交换空间及平均停留时间的影响规律。结果表明,所构建的地表水-地下水耦合模型能够准确刻画水沙界面附近流场,模型具有良好的适用性;均质或非均质河床沉积物情景下,水沙界面上的平均交换通量、停留时间与雷诺数之间均呈现幂函数关系,潜流交换深度则在地表水进入完全紊流之后趋于稳定。结果还表明,较强的河床沉积物非均质性能够有效增强水沙界面上潜流交换通量和空间交换频率,但会制约潜流交换空间并缩短水流在潜流带中的停留时间。     

非稳态潜流交换过程研究进展

潜流交换研究涉及地表水-地下水系统交互作用的物理机制、影响因素和生化作用等方面,是近年来水文学、生态学、环境学等学科的研究热点。潜流交换过程包含水流运动、溶质运移以及能量传输过程。以稳态流动条件作为控制因素的潜流交换研究成果已经不能满足相关学科发展的要求。因此,近年来非稳态潜流交换过程的研究及其成果渐受关注。当前相关研究多以物理模型试验为主（如室内水槽试验、示踪试验）,辅以数值模拟或遥感技术进行验证,进而总结非稳态潜流交换过程水动力交换和能量交换过程规律。未来研究应在多时空尺度,集合多种高精度监测手段,研究潜流交换中的影响因素（如河流水位波动）,开发更精确的地表水-地下水耦合模型,系统认识非稳态潜流交换过程。有关非稳态潜流交换的研究结论将有效指导水资源保护与生态环境修复和综合治理。     

基于热追踪方法的河流横断面潜流交换时空非均质特征研究

本文选取山东省济宁市汶上境内大汶河段作为试验场地,主要对河流横断面浅层河床温度进行现场实时监测,分析河床温度剖面的空间分布和动态特征。采用热追踪方法（热量运移解析模型）求解潜流通量,定量描述潜流交换过程的空间非均质特征和动态特征。温度监测结果表明河床温度空间分布不均匀并呈显著动态变化,受到河水温度波动和河床深处某稳定热源的影响;河床浅层温度变幅大于河床深层,河床温度信号向下传递过程中具有明显的振幅衰减和相位延迟,不同测管处衰减程度存在差异。潜流通量大小随深度变化呈现了多种类型共存的特征,在监测期内,呈现出比单调增长的河水水位更加复杂的变化特征,具有显著的空间异质性。与前人研究结论相比,本次研究证实了潜流通量的时空非均质特征受到了河床地形和河水水位的影响,更加强调了区域地下水温度场与潜流交换的空间分布之间的对应关系。     

床面附近泥沙交换率在悬移质输沙计算中的应用

总结并分析了关于悬移质运动方程的源/汇项或底部边界条件的已有的处理方法.认为在悬移质输沙计算中,这些方法因引入了平衡输沙概念、忽略了推移质颗粒对悬移质运动的影响或因缺乏床面附近泥沙质量交换率的理论表达式,均存在着某些不足.运用床面附近泥沙质量交换率理沦,对一般的悬移质输沙方程的底部边界条件进行了新的探讨,并提供了关于一维和垂向二维悬移质输沙的计算实例.     

湖泊潜流带水交换研究现状与思考

湖泊是湿地系统的重要组成部分,在维持当地水源、调节局部气候、保护生物多样性和生态环境等方面具有不可替代的地位.作为湖泊湿地系统的重要组成部分,湖水和地下水在以往的研究中常被视作独立的子系统分别调查,这极可能造成水资源评价的较大误差,导致水资源调配不合理、利用不充分.本文基于对湖泊潜流带水交换的研究现状的分析,梳理总结了...     

非恒定流驱动下床面形态变化特征

为深入认识非恒定流驱动下床面形态的演变规律及尺度变化趋势,采用水泵控制系统生成了一系列历时与洪峰流量不同的洪水过程来冲刷由粗沙组成的实验动床（中值粒径d₅₀=1.95 mm）,研究中运用非恒定流的形态、非恒定性及水流做功参数来量化洪水过程;统计分析河床高程数据得到床面形态的波长、波高及陡度。实验结果表明:在不同尺度的非恒定流洪水作用下,实验动床表面分别形成了沙垄、交错边滩以及介于两者之间的过渡型床面形态;洪水的非恒定性对床面形态尺度的影响最大,其次是水流做功参数,而非恒定流的形态影响较为微弱;在此基础上构建了用于描述非恒定流驱动条件与床面形态尺度响应的定量关系。     

无粘性土堤漫顶溃决水流运动试验研究

堤防溃决时溃口附近水流形态及溃决流量变化过程的正确描述是指导溃口堵复及时避险、预测溃堤洪水演进并进一步评估淹没损失的前提条件.通过弯道水槽中的概化模型试验,根据无粘性土堤防漫顶溃决的溃口变化和水流运动特征,将无粘性土堤防溃决过程分为漫流、冲槽、展宽及稳定4个阶段.试验系统研究了堤防溃决后河道以及溃口附近水位的变化过程,研究了河道洪水流量、洪水位和筑堤材料对溃口处水位的影响.基于大量的试验资料,进一步归纳总结出溃决流量与溃口口门宽度及溃口处水头变化之间的关系.     

床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

泥-水界面物质交换过程对自然水体中污染物的迁移转化起重要作用,粗糙底床界面物质交换过程涉及到床面粗糙度和底床渗透率的影响。通过实验室环形水槽实验测量得到水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量的定量数据和变化特征,采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。实验结果表明,在实验参数变化范围内,受上覆水平均流速、床面粗糙度和底床渗透率的共同作用,有效扩散系数从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征,采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析,确定了不同流动区域的相应阈值以合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。     

床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

泥-水界面物质交换过程对自然水体中污染物的迁移转化起重要作用,粗糙底床界面物质交换过程涉及到床面粗糙度和底床渗透率的影响。通过实验室环形水槽实验测量得到水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量的定量数据和变化特征,采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。实验结果表明,在实验参数变化范围内,受上覆水平均流速、床面粗糙度和底床渗透率的共同作用,有效扩散系数从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征,采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析,确定了不同流动区域的相应阈值以合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。     

CO2注气压力对瓦斯扩散系数影响规律实验研究

煤层CH₄解吸效率低、扩散慢的特点严重制约着煤层瓦斯抽采的效率,为解决低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题,选取晋城赵庄煤矿煤样,研究不同注气压力对驱替CH₄过程的影响以及驱替过程中CH₄扩散系数的变化规律,利用自主研发的CO₂驱替CH₄试验平台,在0.6、0.8、1.0 MPa等不同注气压力条件下分别进行CO₂驱替CH₄实验。结果表明：驱替压力越大,达到最大CH₄排放量的时间越短,CO₂突破时间越快,置换效率越大,驱替效果越好;CH₄气体驱替过程分为3个阶段,先急剧增加再缓慢增加最后保持平稳;在同一注气压力下,瓦斯扩散系数随时间呈先增大后减小的变化规律,注气压力为0.6、0.8、1.0 MPa时,瓦斯扩散系数的最大值分别为2.27×10^-5、3.36×10^-5、4.62×10^-5 cm²/s。从实验结果可知,不同注气压力下,CO₂对CH₄主要起到驱替作用、置换吸附-解吸作用及稀释驱替作用;每个阶段的CH₄气体运移情况不同,根据实验阶段合理调整注气流量、压力等参数,使注驱技术搭配更高效。研究结果对CO₂深埋与瓦斯（煤层气）高效抽采具有理论指导意义。     

Vertical gradational variability of fines deposited in a gravel framework

Vertical gradational structures develop as sand infiltrates into static gravel beds. Understanding the vertical distribution of interstitial sand deposits will improve predictions of ecological suitability and hyporheic hydrodynamics. A series of flume experiments was performed to investigate fine infiltration processes. Four sand distributions were introduced into flows over gravel beds. After each experiment, bed cores were extracted and analysed in vertical layers to examine the gradational trends with depth. Vertical trends of fine content were highly sensitive to the relative grain‐size distributions of the gravel bed and the introduced sand. For experiments with d_15gravel/d_85sand ratios 15·4 and larger unimpeded static percolation was observed, where sand filled the voids relatively uniformly from the bottom of the gravel layer to the top. Experiments with ratios 10·6 and smaller bridged. Sand clogged a thin layer of gravel pores near the bed surface, precluding subsequent infiltration. Interstitial sand deposits fined with depth of penetration for all experiments which was the result of three distinct but overlapping processes. (i) Granular sorting: As particles fell through the substrate, smaller material preferentially passed through the voids deeper into the gravel. (ii) Bed‐load sorting: Size segregation occurs in the wake of the leading bed form as smaller particles saltate further and settle first. (iii) Hydraulic sorting: Smaller sand was transported preferentially as suspended load filling the deep voids of the furthest flume positions downstream. Finally, when the experiments that formed a bridge layer were replicated with higher bed shear stresses, less interstitial sand deposition was observed. Higher shear stresses transported coarse particles downstream more efficiently causing bridge layers to form earlier and allowing less time for suspended load to settle into the deeper substrate pores before the pathways were closed.