基於熱追蹤方法的非均質潛流交換機理研究

《基於熱追蹤方法的非均質潛流交換機理研究》是依託河海大學，由魯程鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於熱追蹤方法的非均質潛流交換機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：魯程鵬
• 依託單位：河海大學

項目摘要

潛流帶作為地表水和地下水之間的相互作用帶和過渡帶，占據著水文循環過程中的重要位置，潛流交換作用對準確評價和開發利用流域水資源，維持和修復地表水及地下水生態系統健康具有重要意義，因而深入研究潛流交換機理具有重要的科學價值。本項目以原位試驗和現場監測為主要研究手段，通過潛流帶非均質特徵參數的高密度採集，刻畫潛流帶滲透係數在三維空間上的非均質性和各向異性特徵；基於對含水層、潛流帶和地表水溫度和水位數據的現場實時監測，採用熱追蹤方法反演非均質潛流交換過程，描述潛流交換過程的非均質特性，確定潛流交換的影響因素；建立非均質潛流交換的概念模型，以數值模型為工具，揭示非均質潛流交換機理以及各要素的影響機制。該項目將在非均質潛流交換機理研究中有所突破，其結論可以豐富和完善地下水與地表水相互作用的理論體系。

結題摘要

潛流帶是地表水與地下水的相互作用帶和過渡帶。潛流帶發生的水量交換大小可用潛流通量（q）來表征。本文基於地表水-地下水相互作用的熱追蹤（溫度示蹤）方法，選取山東省濟寧市汶上縣境內大汶河段作為試驗場地，主要對河流橫斷面淺層河床溫度進行現場監測，採用滲透實驗的方法測定了潛流帶三維空間的滲透係數大小，定量描述其非均質性，運用熱量運移解析模型求解潛流通量，詳細描述潛流通量的空間非均質特徵和動態特徵，通過建立數值模型確定潛流交換的主要影響因素。 河床滲透係數隨機性與結構性並存，滲透係數具有空間變異性，同時存在一些變化規律。滲透係數值隨深度增加而減小，而其變異性隨深度增加而增大；滲透係數在垂直於河岸的橫斷面上，有靠近河岸數值偏小，遠離河岸數值偏大的趨勢；滲透係數大小及其非均質性受潛流交換攜帶的細顆粒物質沉積的（二次沉積）影響較大；河床地形與潛流帶滲透係數存在一定的相關關係，河床地形起伏使得深水區介質的滲透係數要大於淺水區的。河床滲透係數受洪水影響較大，汛期前後兩次試驗，河床高程下降40 m；汛前試驗河床以中粗砂為主，訊後河床20-50cm深度出現大量破碎黏土層；結構性差異較大，汛後試驗河床滲透係數在垂直於河岸方向規律性較弱；與汛前相比，汛後河床非均質性更強。 通過對穩態和非穩態潛流通量的分析表明垂向潛流通量的數量大小和交換方向呈現空間非均質特徵和動態特徵；潛流通量數量上最多相差3個量級；空間分布上潛流通量高值區位於河道中部，低值區多發生在兩側河岸和局部淺層河床；潛流通量呈現動態變化特徵，但變幅較小；潛流交換方向以地表水補給地下水為主，但在空間和時間上存在差異。熱力學參數靈敏度自大到小排序為：熱傳導率＞孔隙度＞固體熱容和水的熱容。 採用數值模擬方法研究在河床橫剖面地形不均勻的條件下，潛流交換量的空間分布以及地下水流場的演變機制 結果表明: 在河床地形起伏不均的情況下，潛流交換量更易發生在河道的深水區域; 地下水流向受河床地形影響較小; 近河床界面處的地下水流速受地形起伏影響劇烈，深水區域的地下水流速遠大於淺水區地下水流速; 通過與現場試驗結果對比分析，得出河床地形起伏是引起潛流帶滲透係數非均質現象的重要原因之一。