張中天,金光球,陳鶴翔,唐洪武,李 凌

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098；2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098；3.西湖大學,浙江 杭州 310000)

潛流帶是河流系統(tǒng)中地表水和地下水雙向交換、相互作用的區(qū)域[1-2],同時含有地表水和地下水是潛流帶的一個重要特征[3]。Triska等[4-5]對潛流帶進行了量化,結(jié)果表明潛流帶中地表水含量大于10%但小于98%。潛流帶是重要的生物化學反應(yīng)場所,物質(zhì)和能量交換頻繁[6],也是許多水生生物的棲息地和重要魚類的產(chǎn)卵場[7-9],具有調(diào)節(jié)水溫、涵養(yǎng)水源、促進氮、磷等物質(zhì)循環(huán)和保護生物多樣性等眾多功能,其健康尤為重要[10-12]。然而,河流中的膠體顆粒會在潛流交換、顆粒沉降與河床截留等因素共同作用下沉積于潛流帶[13]。受到水流、河床表面壓差等因素作用,潛流帶中沉積的膠體或形成一定的分布[13-14],對區(qū)域水動力特征和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同形式的影響[15]。研究膠體顆粒在潛流帶中的沉積分布規(guī)律及其響應(yīng)特征,對潛流生態(tài)修復(fù)和河流健康管理都有積極意義。

膠體顆粒在潛流帶中的沉積會對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。研究表明膠體顆粒在潛流帶中遷移會被截留在多孔性河床中,改變區(qū)域河床孔隙率和滲透系數(shù)[14,16],從而減緩區(qū)域水流作用,為潛流帶沉積物中的生物膜提供較為穩(wěn)定的生境[17-18]。另外潛流帶中的膠體顆粒也可成為污染物和生源物質(zhì)的良好載體[19-21],對于顆粒粒徑較小的膠體顆粒,較大表面積和特殊的表面物理化學性質(zhì)使之對于重金離子、有機化合物、放射性物質(zhì)等污染物質(zhì)具有很強的吸附能力[22-23],并促進這些污染物在河床中富集[24-25]。一些膠體顆粒會因為水流和沉降作用,攜帶污染物進入河床更深的區(qū)域[26-27]。

有關(guān)顆粒物在河流系統(tǒng)中的遷移和沉積特征,前人已做過相關(guān)的研究,Drummond等[28-30]對河流中細顆粒物的輸運進行了現(xiàn)場調(diào)查,發(fā)現(xiàn)大量顆粒被截留在河床中,甚至是低密度的微塑料顆粒。張維等[31]通過現(xiàn)場實驗,發(fā)現(xiàn)水動力擾動作用可促進膠體顆粒在多孔介質(zhì)中的釋放與遷移。Zheng和Chen[32]及Zhang和Selim[33]發(fā)現(xiàn)地下水中的膠體顆粒遷移會受到高鹽度的阻礙。Karwan和Saiers[34]對懸浮顆粒的潛流交換過程進行了數(shù)值模擬,但沒有考慮膠體顆粒的沉降作用。Packman等[35]通過室內(nèi)物理實驗,研究了對流和沉降作用下的膠體顆粒在潛流帶的地表-地下水界面通量規(guī)律,卻沒有探討其在河床中的分布情況。Jin等[14,36]利用納米顆粒為材料,通過室內(nèi)實驗探究了納米顆粒的在河床中釋放作用,并利用數(shù)值模擬手段,探討了細顆粒在潛流帶截留產(chǎn)生的負反饋機制。多孔介質(zhì)中膠體顆粒的遷移能力強,能極大地促進其他污染物的遷移[37]。Karathanasis[38]通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)在膠體顆粒存在的情況下銅和鋅在多孔介質(zhì)中的遷移速度是沒有膠體存在情況下遷移速度的5～50倍,而鉛的遷移速度更是達到10～300倍。Kan和Tomson[39]發(fā)現(xiàn)溶解的有機物質(zhì)或者膠體顆粒可以促進DDT的遷移。O′Carroll等[40]發(fā)現(xiàn),砷在潛流帶的遷移深度和距離會因為鐵氧化物膠體的存在而增加。然而這些研究多集中于細顆粒對污染物的作用以及細顆粒的地表-地下水界面通量上,盡管Jin等[13]對膠體顆粒在河床中的截留做出了初步的探究,但是仍有許多問題尚未詳盡,如膠體顆粒在潛流帶中沉積的范圍及其分布呈什么特征,膠體顆粒在潛流帶沉積分布特征對不同因素的響應(yīng)機制是什么。

本文通過室內(nèi)水槽實驗和數(shù)值模擬,研究膠體顆粒在潛流帶的截留面積及水平方向截留分布的變化規(guī)律,并對滲透系數(shù)、上覆水流速、沉降速度、截留系數(shù)、沙波高度對沉積分布的影響做量化分析。以探明潛流交換、顆粒沉降與河床截留作用對膠體沉積分布的作用機制,為膠體在潛流帶中的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究提供科學依據(jù)。

1 循環(huán)水槽實驗

1.1 實驗用沙與膠體顆粒

實驗用沙為石英砂。實驗前要利用酸洗和堿洗等方法,去除沙中雜質(zhì)以及吸附在沙粒表面的金屬、有機質(zhì)等。將沙洗凈后,測量其各項物理指標:粒徑范圍為0.25～0.6 mm,中值粒徑d50=0.30 mm,孔隙率θ=0.33,滲透系數(shù)K=8.84×10-4m/s[41-42]。

實驗選用高嶺土膠體。為了研究膠體沉積的物理特性,防止在遷移實驗中出現(xiàn)絮凝,本文利用NaCl對膠體進行預(yù)處理,方法詳見文獻[43]。膠體濃度通過紫外分光光度計來測量。事先標定了膠體顆粒吸光度和其濃度之間的關(guān)系,實驗得知所測膠體顆粒濃度范圍內(nèi)(0.01～0.4 g/L)的吸光度和濃度有很好的相關(guān)性[13],整個實驗溫度不變(19℃)。

1.2 循環(huán)水槽實驗操作方法

本文采用的水槽是可變坡循環(huán)水槽(圖1(a))。參照Elliott和Brooks[44]水槽設(shè)計總長11.5 m,寬30 cm,高50 cm。水槽壁面使用的是鋼化玻璃,方便實驗觀察。水槽進口段設(shè)置自制能量均勻擴散裝置,以減小或消除在進水口部分水流的翻滾和波動,從而使進入河床的水流更加穩(wěn)定。水槽的底板和進出口部分用的是耐腐蝕性的PVC板。循環(huán)回水管道用的是PVC管、可視化的電磁流量計(ORBLDBE-50)、抗腐蝕性水泵(IRG-50-100)。這些材料具有較強的抗酸堿和鹽腐蝕性,同時對金屬離子沒有吸附性。在水槽的尾部安裝了MPtroll(9500),能夠自動監(jiān)測上覆水的pH和鹽度。

本次實驗的有效沙床段長為10 m,厚度為14～16 cm。實驗前,先在水槽中注滿去離子水,然后鋪設(shè)三角形沙床(圖1(b)),以保證沙床處于全飽和的狀態(tài)。之后進行水槽調(diào)試,在水箱中加入NaCl溶液,并運行水槽,通過測量上覆水和空隙水中NaCl溶液的質(zhì)量濃度,判斷河流上覆水和河床之間交換是否達到平衡,最終水槽中(包括孔隙水中)NaCl質(zhì)量濃度為115.5 mg/L,這個過程一般用時12～15 h。

圖1 循環(huán)水槽實驗示意Fig.1 Diagram of circulating flume experiment

正式實驗時,首先用NaCl處理過的膠體在去離子水中充分攪拌,使其均勻,在循環(huán)水1個周期內(nèi)加入到水箱中。實驗過程中,按預(yù)定的時間抽取上覆水,并測量其膠體顆粒質(zhì)量濃度,每次質(zhì)量濃度測量需要在12 h之內(nèi)完成,以防止膠體沉淀。由于實驗過程有蒸發(fā)等水量損失,需要每4 h向水箱中加入400～450 mL的去離子水。整個實驗持續(xù)68 h,直到上覆水膠體顆粒的質(zhì)量濃度達到基本穩(wěn)定時停止實驗。實驗中所用的各項參數(shù)見表1。

表1 實驗及數(shù)值模擬中參數(shù)取值Table 1 Values of parameters in experiment and simulation

水槽實驗結(jié)束后,則需測量膠體顆粒在河床中的最終截留分布情況。此時對沙波進行分層分塊提取(圖1(b),圖1(c))。沙波的迎水一側(cè)水平方向平均分成4列,每塊的寬度為2.5 cm,背水一側(cè)水平方向平均分成2列,每列的寬度為3.0 cm。為了方便取樣,本實驗特制了高1 cm、寬4 cm的取沙器使得每次取樣厚度為1 cm。將以上沙樣加入試管,并加入15 mL去離子水。為了使膠體脫離沙粒進入溶液中,利用超聲波振蕩儀進行振蕩,振蕩時間為25 min[13]。最后測量上層溶液的吸光度,并換算成截留量。

2 數(shù)值模擬方法

本文利用膠體顆粒運移理論的控制方程,進行數(shù)值模擬。具體操作方法是利用數(shù)學模型將上覆水流動場、河床多孔介質(zhì)中孔隙水流場和膠體顆粒運移場三方面進行耦合(表2)。

表2 3種物理場關(guān)系表Table 2 Relationships among three physical fields

2.1 上覆水流場

本文利用FLUENT 軟件提供的有限體積法[46]對河流上覆水進行數(shù)值模擬,模型采用的是二維紊流模型。模擬中用的控制方程是雷諾時均化的納維-斯托克斯方程(圖2,Cc為孔隙水中膠體顆粒的質(zhì)量濃度)。流體考慮為不可壓縮的各向同性的連續(xù)體。由于k-ω模型在模擬有反向壓力梯度的分離流和沙波引起的漩渦時效果最好,故本文采用Wilcox的k-ω模型[45,47]來進行紊流模擬。

圖2 邊界條件示意Fig.2 Diagram of boundary conditions

河床的表面是自由表面無摩擦的邊界,整個上覆水是基于剛蓋假定[24],自由邊界是0剪切應(yīng)力狀態(tài)(圖2(a))。這種假定在小沙波情況下被廣泛使用[36,45]。在水平尺度的求解域中只有1個沙波,因為認為沙波在空間上沿水流方向是周期性變化的。所以把周期性變化的壓力和流速邊界條件,加在求解域的兩側(cè),包括河床[36,41]。水沙界面被視為無滑移壁邊界,參數(shù)選取見表1。

2.2 孔隙水流場

本文利用COMSOL Multiphysics進行對沙波中的孔隙水流場的數(shù)值模擬,該軟件是一個基于有限單元法進行數(shù)值計算的軟件[48]。假設(shè)沙床為不可壓縮的多孔介質(zhì),使用達西定律和不可壓縮流體連續(xù)性方程作為控制方程,進行孔隙水流場的模擬。其方程如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中:xi為位移,m,i=1表示水平方向,向右為正,i=2表示豎直方向,向上為正；ui為xi方向上的流速,m/s；P為孔隙水壓力,Pa。

選取COMSOL Multiphysics軟件中的達西定律計算模塊。本文針對孔隙水流場數(shù)值模擬方法,考慮到θ和K不隨時間、空間或其他環(huán)境條件的變化而變化,可被當作常量。對于孔隙水流場邊界條件的設(shè)置,利用2.1節(jié)中上覆水流場計算結(jié)果,導(dǎo)出下邊界的壓力分布作為孔隙水流場計算的上邊界條件。對于沙波的兩側(cè),設(shè)置在空間上沿水流方向周期性變化的壓力邊界,在沙波的頂部,水沙交界面設(shè)置為壓力邊界條件。沙波的底端設(shè)置為無流動邊界條件(圖2(a))?？紫端嬎阒械膮?shù)選取見表1,孔隙水流場見圖3(a),膠體顆粒運移場和孔隙水流場和沉降場的疊加見圖3(b)。

圖3 孔隙水流場和膠體顆粒遷移速度Fig.3 Flow fields of porewater and velocity of colloidal particles

2.3 膠體顆粒運移場

本文考慮的膠體顆粒運移場作用區(qū)域在沙波中。傳統(tǒng)的膠粒在多孔介質(zhì)中運動方程考慮了對流、擴散和截留的影響,考慮到膠體的沉降作用,本文創(chuàng)新性地在豎直方向的流速上加上了沉降速度,如式(3):

(3)

(4)

式中:t為時間,s；Cc為孔隙水中膠體顆粒的質(zhì)量濃度,kg/m3；S為單位體積膠體顆粒截留量,kg/m3；vs為膠體顆粒沉降速度,m/s,取向上為正方向,橫向為0；Dij為水動力彌散系數(shù)張量,m2/s,i=1,2,j=1,2，計算公式如下:

(5)

(6)

式中:|u|為速度向量的大小,m/s。

對于膠體顆粒運移場的邊界條件,水沙分界面設(shè)置為物質(zhì)通量邊界條件(圖2(b)),表達形式如下:

(7)

式中:C為上覆水膠體顆粒質(zhì)量濃度,kg/m3；n為垂直于界面的單位向量,方向指向沙床；u為速度向量。在t時刻COMSOL Multiphysics軟件模擬中上覆水濃度C(t)的計算式如下式8所示。

(8)

式中:Vs為除沙床孔隙水外的水體總體積,m3；Lf為水槽有效長度,m；B為水槽寬度,m。參數(shù)取值見表1。

2.4 數(shù)值模擬工況設(shè)計與沉積特征選擇

膠體顆粒在潛流帶中遷移時,由于水流和自身沉降作用[13,35],使之向河床中和下游遷移(圖4(a))。在不考慮膠體顆粒的情況下,孔隙水的流場如圖3(a)所示,沙波中會形成1個地表-地下水循環(huán)區(qū)(潛流帶),以及1個不與地表水有直接交換的區(qū)域地下水[41]?？紤]到膠體顆粒的沉降作用,膠體顆粒運移場將是孔隙水的流場和沉降場的疊加(圖3(b))。由于河床的截留作用,部分膠體顆粒會截留于河床中,最終在河床中形成一定的截留分布。

為了討論截留和沉降對膠體顆粒沉積的影響,本文通過數(shù)值模擬參數(shù)調(diào)整,設(shè)計了4種工況:考慮膠體顆粒的截留和沉降(工況1)、不考慮截留和沉降(工況2)、只考慮截留不考慮沉降(工況3)和只考慮沉降不考慮截留(工況4)。若考慮截留和沉降,則將截留系數(shù)和沉降速度設(shè)置為表1中的數(shù)值；若不考慮截留和沉降則將截留系數(shù)和沉降速度設(shè)置為0。

圖4 膠體顆粒在潛流帶遷移截留示意Fig.4 Diagram of colloidal particles transport and retention in hyporheic zone

在考慮截留面積和水平方向截留分布對某種因素(X)的響應(yīng)關(guān)系時,本文則選取了滲透系數(shù)、上覆水流速、沉降速度、截留系數(shù)及沙波高度進行敏感性分析,討論其改變?yōu)樵贾挡煌稊?shù)(X/X0)時對截留面積和水平方向截留分布的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 膠體顆粒質(zhì)量分布

整個實驗過程中,膠體顆粒可能存在于上覆水、孔隙水和截留在沙床這3種狀態(tài)中。本文通過水槽實驗,監(jiān)測上覆水中膠體顆粒的質(zhì)量濃度,則可以換算為上覆水中膠體顆粒質(zhì)量的占比(mi/m0,i=1,2,3,分別代表上覆水、孔隙水和截留3種狀態(tài)的膠體質(zhì)量；m0表示這3種狀態(tài)的總質(zhì)量),見圖5(a)。對比圖5(a)中上覆水中膠體顆粒質(zhì)量占比的實驗值和模擬值可以看出,數(shù)值模擬很好地反演了上覆水中膠體顆粒質(zhì)量的變化。上覆水中膠體顆粒的質(zhì)量一直處于下降趨勢。在前10 h,上覆水中膠體顆粒的質(zhì)量下降很快；在10～50 h,上覆水中膠體顆粒的質(zhì)量下降的趨勢變緩；50 h之后,上覆水中膠體顆粒的質(zhì)量趨于平穩(wěn),且接近于0。由于在實驗前期(10 h之前),上覆水中的膠體顆粒質(zhì)量占比較大(0.6～1.0),且沙床中的膠體顆粒質(zhì)量濃度較小(0～0.4),膠體顆粒能較快速地通過對流、擴散和沉降等作用,進入沙波。到實驗后期(40 h之后),上覆水中的膠體顆粒質(zhì)量占比變小(小于0.2),沙波中的膠體顆粒質(zhì)量占比增大(大于0.8),此時膠體顆粒進入沙床的過程變緩。

圖5 膠體顆粒3種狀態(tài)中的相對質(zhì)量變化Fig.5 Relative mass variation in three phases of colloidal particles

對于孔隙水中的膠體顆粒質(zhì)量占比而言,其在0～1 h的時間快速增大到峰值,之后又緩慢減少,直至趨近于0?？紫端械哪z體顆?？偭吭谡麄€膠體顆粒遷移、截留過程中,占比都非常小,即使是峰值占比,也沒達到總量的1%。這是由于孔隙水中的膠體顆粒是上覆水膠體顆粒和截留膠體顆粒的一個中間過渡態(tài),從上覆水進入孔隙水的膠體顆粒能迅速被沙床截留。對于截留態(tài)的膠體顆粒質(zhì)量占比而言,其趨勢幾乎正好和上覆水中膠體顆粒質(zhì)量占比變化趨勢相反,其占比先快速增加,后趨于平緩,并接近于1。

為探求膠體顆粒從上覆水進入沙波的動力機制,本文通過數(shù)值模擬擴展,討論了4種工況下上覆水中膠體質(zhì)量濃度的變化,如圖5(b)所示。對比工況1和工況2可知,膠體顆粒的截留作用和沉降作用能導(dǎo)致上覆水質(zhì)量濃度趨于0。對比工況1和工況3可知,截留作用可以使得上覆水中膠體顆粒質(zhì)量濃度趨于0,且沉降速度的存在加速了這一過程。對比工況1和工況4可知,截留對于上覆水中膠體質(zhì)量變化影響較小。綜上所述,膠體顆粒從上覆水進入河床的動力過程主要受到截留和沉降作用影響,且沉降作用的效果更為明顯。

3.2 膠體顆粒在沙床中的截留分布和截留面積

水槽實驗結(jié)束后,本文進行了分塊取樣(圖1(b)、圖1(c)),并測試了每一分塊中的膠體顆粒截留量(圖6(a),A0表示單個沙波總面積),同時利用數(shù)值模擬得出的膠體顆粒截留分布如圖6(b)所示?？梢妼嶒灪蛿?shù)值模擬呈現(xiàn)出比較相似的膠體顆粒截留分布,淺層的膠體顆粒截留量大,深層的較少；迎水面膠體顆粒截留量較大,背水面較少。實驗和數(shù)值模擬呈現(xiàn)出相似的結(jié)果,截留前鋒線的位置基本一致。

圖6(c)是通過數(shù)值模擬得出的截留前鋒線隨時間的變化?？傮w來說,截留面積在x2>-0.05 m區(qū)域,這是由于河床截留作用阻礙了膠體顆粒向更深處遷移。截留面積分布在實驗前期(0～9 h)獨立成塊,其中背水面有1個區(qū)域內(nèi)沒有截留,這是由于背水面膠體顆粒進入通量較小(圖3(b)),背水面進入沙床的膠體顆粒還不夠使得2個區(qū)域相連接。截留面積分布在實驗中后期(以約9 h作為臨界點)連成一體,且截留前鋒線緩慢向下推進。通過圖6(c)得出截留面積變化趨勢為在前期(0～0.5 h)快速增加,之后其增加趨勢變緩。

圖6 膠體顆粒截留分布和截留面積Fig.6 Distribution of retention and retention area for colloidal particles

3.3 膠體顆粒水平方向截留分布特征

圖7中紅色點劃線和藍色實線分別表示實驗結(jié)束時實測和模擬的膠體顆粒水平方向截留分布。總體規(guī)律呈現(xiàn)出迎水面(x1<0.1 m)膠體顆粒截留量較大,背水面(x1>0.1 m)較少。這是由于迎水面沙波一般受到的水壓要大于背水面,膠體顆粒在迎水面向下運動的速度高于背水面的速度(圖3(b)),膠體顆粒更容易從迎水面進入并截留于此。

圖7 膠體顆粒水平方向截留分布Fig.7 Distribution of horizontal retention for colloidal particles

圖7同時顯示隨著時間推移膠體顆粒如何逐步截留累計的數(shù)值模擬結(jié)果?？梢钥闯?無論何時,迎水面膠體顆粒截留量大于背水面。膠體顆粒截留量在前期明顯快于后期。1～5 h和20～50 h的截留增量相當,而最后的50～68 h的截留量幾乎不變。這也印證了圖5中上覆水中和截留膠體顆粒質(zhì)量的變化趨勢。

圖7中,膠體顆粒水平方向截留分布在迎水面x1=0.05 m處附近出現(xiàn)1個特殊的小谷值,這是由于膠體顆粒運移場在此處呈輻射狀向下輸運(圖3(b)),此處進入的膠體顆粒除了有往下的趨勢,還有往左右擴散的趨勢,因此膠體顆粒在x1=0.05 m截留量反而變小。

4 討 論

4.1 膠體顆粒截留面積的敏感性分析

為了探究膠體顆粒截留面積對各種因素的響應(yīng)關(guān)系,以實際滲透系數(shù)、上覆水流速、膠體顆粒沉降速度、沙波截留系數(shù)和沙波高度為初始值(K0、V0、Vs0、Kr0、Hb0),探討實際截留面積(Ai0)為初始值的敏感性。

從圖8中可以看出,K、U、vs和Ai呈正相關(guān)。這是由于K、U的增大,增加了孔隙水流速(式(2)),而孔隙水將膠體顆粒帶入了更深的區(qū)域；vs速度向下,較大的沉降速度能直接將膠體顆粒帶入更深的區(qū)域。vs對Ai的影響在0～0.5倍區(qū)間比較劇烈,在0.5～5倍區(qū)間比較小。這是由于沉降速度較小時,背水面以出流為主(圖3(a)),使得上覆水中的膠體顆粒難以從背水面進入和截留[13]。隨著沉降速度增大,膠體顆粒從背水面進入,同時會出現(xiàn)膠體截留(圖9(d))。較大的截留系數(shù)能將更多的膠體顆粒截留在淺層,沉積截留更集中于淺層,kr和Ai呈負相關(guān)(圖8)。沙波高度同樣對截留面積有所影響,從上圖8中可以看出隨著沙波高度上升,截留面積有所下降。這是由于在其他條件不變時,較高的沙波高度導(dǎo)致了更多的膠體顆粒趨于水平運動,向下運動的趨勢被弱化,故而截留面積減小。

圖8 截留面積敏感性分析Fig.8 Sensitivity analysis of retention area

4.2 膠體顆粒水平方向截留分布的響應(yīng)因子

圖9 表示K、U、vs、kr、Hb變化對應(yīng)水平方向(x1方向)截留量的分布情況?？梢缘贸?對于所有的情況,迎水面(x1<0.1 m)膠體顆粒截留量較大,背水面(x1>0.1 m)較少。對于圖9(a)和圖9(b)而言,隨著K和U增大,膠體顆粒水平方向截留分布的峰谷值差距也越大。根據(jù)公式2可知,孔隙水流速是隨K、U的增大而增加的；再根據(jù)圖3,孔隙水流速的增大,導(dǎo)致迎水面流速增大,進而膠體顆粒進入通量增加,背水面孔隙水出流流速同樣增大,故背水面的膠體顆粒進入通量減小。因此,在截留量相同的情況下,K、U增大,擴大了其截留分布的峰谷值的差距。

對于圖9(c)而言,隨著kr增大,膠體顆粒水平方向截留的峰谷值差距也越大。這是由于在迎水面,較大的截留系數(shù)能導(dǎo)致膠體顆粒更迅速地截留于此；而在背水面,盡管截留系數(shù)較大,但是進入的膠體顆粒通量較小,所以其截留量較小。

對于圖9(d)而言,隨著vs增大,水平方向截留峰谷值差距也越小。這是由于沉降速度越大,膠體顆粒運移場將由沉降速度主導(dǎo)(圖3),而本文假設(shè)的沉降速度在時空上是個定值。故較大的沉降速度將導(dǎo)致水平方向截留量趨于平穩(wěn)。值得注意的是,當沉降速度為0和0.2倍時,沙波背水面只有出流速度(圖3(a)),導(dǎo)致背水面部分區(qū)域沒有膠體顆粒進入,截留量為0。

對于圖9(e)而言,隨著Hb增大,水平方向截留峰谷值差距也越大。這是由于沙波高度增大會導(dǎo)致迎水面和水流夾角更大,隨水流運動的膠體顆粒直接沖擊迎水面概率更大,膠體更容易進入迎水面,并且更難在背水面沉積,故水平方向截留峰谷值差距增大。對于沙波高度小的工況,水平方向截留分布將趨于均勻。

5 結(jié) 論

由于潛流交換、顆粒沉降和河床截留等因素作用,河流中細顆粒將會沉積于潛流帶。本文通過水槽實驗和數(shù)值模擬,研究了膠體顆粒在潛流帶的沉積過程,并分析了其分布特征對不同因子的響應(yīng)機制。主要結(jié)論如下:

(1)揭示了膠體顆粒在潛流帶中的遷移與沉積過程。膠體顆粒在潛流帶的沉積過程是從上覆水逐漸向孔隙水遷移,并最終在沙波中截留。顆粒的沉降作用加速了其從上覆水向孔隙水中遷移的過程。

(2)闡明了膠體顆粒在潛流帶中沉積分布特征及形成機制。河床的截留作用導(dǎo)致膠體顆粒沉積多集中于河床淺層,河床深層的沉積量較少；受孔隙水流和膠體顆粒的沉降共同作用,膠體顆粒截留分布呈現(xiàn)出迎水面較高,背水面較低的特征。

(3)探明了不同因子對膠體顆粒沉積分布的影響規(guī)律。滲透系數(shù)、上覆水流速和顆粒沉降速度的增大使得膠體顆粒在潛流帶截留面積增加；滲透系數(shù)、上覆水流速、截留系數(shù)和沙波高度的增大使得沉積分布在水平方向上的峰谷值差距增加。