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。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Nav

2、ier-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。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。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

3、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。地表水紊流模型我们用RANSk-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

4、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10m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λ）在x=0.7λ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consol3

5、．2a进行有限元逼近求解（包含约3000个三角形元素）。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：①河床表面无流动②沿着左、右侧边界在同一条等势线上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，ρb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：其中Kf是一个量化粒子附着率的系数

6、。Kf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：其中，dc为多孔介质基板的平均孔径，Vgw是孔隙水平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α的确定在模型模拟中使用的附着率（α）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（350-5

7、00mm），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（α）。实验结果地下水在这些模拟中，