基于温度示踪技术的河岸带土体渗流特性研究

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水库水温的环境影响是评价水利工程环境影响的重要内容之一,水库运行过程中,下泄的低温水使得天然河道温度发生变化,引起温度场的重分布,进而影响周边动植物的生存。探究不同入渗条件下河道水热动态的变化规律,有助于增进水库下泄水对于河道生态环境影响的认知,为合理开发利用资源提供理论依据和科学指导。本文结合已有的理论方法和开展的试验研究,通过室内砂槽物理模型试验研究,基于砂槽试验研究构建了饱和-非饱和带的耦合模型。主要研究内容及成果如下:(1)通过开展室内试验研究,定性分析了不同入渗条件对于河岸带模型的影响范围和温度传递特点,通过设计不同入渗水头、不同入渗水温和不同入渗坡度组合的试验工况,进而开展室内试验探究河岸带水热运移规律,可以发现各种工况均表明了温度场分布具有显著的时空差异特征,影响范围集中在入渗面周边区域,越接近入渗面的区域变化越明显,变化规律越接近入渗水温变化,随着垂向和竖向距离增加,温度传递都呈现出衰减性和滞后性,并比较分析了不同入渗条件影响下,测压管水头变化。综合分析比较了不同入渗条件下温度场和渗流场的动态响应特征。(2)定量分析计算了不同区域的渗流速度和水体交换量,利用VFLUX和1DTempPro计算了河床的垂向渗流速度,二者基本计算结果较为一致,可以相互补充提高计算精度,计算得到对照组工况A3的侧向平均交换流量0.16~0.45 m2/d,交换水体体积为0.03~0.23 m3,类似于温度场分布解空间异质性,伴随着水平距离的增加,侧向交换量也相应衰减。(3)选择两组工况对于室内试验建模结果进行验证和校核分析,揭示了所构建模型的合理性和准确性,模型评价指标NSE>0.6的占比分别为0.93%和89.7%,相对误差Re均小于8%,各个评价指标均在合理范围之内,综合特征表明所构建的模型拟合效果较好,能够针对不同入渗条件下的河岸带温度场变化进行预测,有效刻画其变化特征。(4)探究流-热耦合模型的实际应用,分析了单一因素变化条件下温度场变化的特征,并通过模拟随时间变化的入渗水头、更低温度的入渗水温和水头增加的透水层边界三种不同的工况,结合所开展的室内试验组A3分析了温度场和渗流场的变化规律性,拓展完善了试验研究内容,探索了所构建模型针对实际地表水-地下水相互作用影响的应用。
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