洲滩潜流交换特性对季节变化的动态响应机理研究

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大坝运行是改变下游河流水位的重要原因,水位波动促进下游河水和洲滩地下水之间的交换,促使洲滩温度场和水分场重分布,而温度和水分是土壤环境两大重要指标,直接影响着栖息或寄生于其中的动植物的生存和微生物的活动。选取三峡大坝下游洞庭湖岳阳段某一洲滩断面为研究对象,通过室内试验、野外试验、解析模型和数值模拟,对季节变化及水位变化条件下洲滩潜流交换变化开展研究。主要研究成果如下:(1)选择振幅法(Hatch模型和Keery模型)、振幅-相位组合法(McCallum模型和Luce模型)四种解析模型进行一维均质砂柱的垂向流速计算,并通过室内试验进行验证,结果表明:四种解析模型得到的垂向流速量级和总体变化规律和室内试验结果较为一致,进一步说明四种解析模型对垂向渗流速度的计算和分析是可靠的;通过非均质砂柱试验进一步验证四种解析模型在非均质砂柱影响下的垂向渗流速度计算,结果表明:通过t2和t3监测数据计算0.2 m处的流速值比实测值小,和均质砂柱垂向0.2 m处流速比实测值小且规律一致,表明可以通过四种解析模型计算非均质影响下的垂向渗流速度。(2)季节变化条件下,洲滩温度场在垂直方向上呈现明显的分层现象,春季表现为“上暖下凉”,秋冬季相反;受太阳辐射影响,地表至地表以下0.3 m的温度梯度高于0.3 m以下的梯度。外界因素会导致浅层温度分布不均,临近河流处洲滩温度场受河水温度影响较大;洲滩各层含水率差值垂向上呈现一定的差异性,洲滩表层水分受外界因素影响,随着深度的增加,影响减弱。(3)冬季,地下水位变化会延缓洲滩内部热通量由负值转换为正值的时间;冬季无论水位升降,在河水和洲滩地下水互补过程中,地面以下0.5-1.0 m都是洲滩地下水损失热量;热量在低水位期的损失更大,主要集中在地面以下0.5-0.7 m,随着垂向深度增加,热量损失递减,在地面0.8 m以下趋于稳定。(4)试验区域受人为活动影响较大,其地质分布较为复杂,导致部分监测点模拟效果出现偏差,总体来看,洲滩饱和-非饱和流-热耦合数值模型模拟效果较好,能够较为精确的刻画温度场变化。洲滩温度场分布受水位水温变化、气温变化等多种因素影响,随着水位波动,洲滩温度场17℃温度等值线变化趋势最为明显。(5)振幅法(Hatch模型和Keery模型)、振幅-相位组合法(McCallum模型和Luce模型)四种解析模型和数值模型模拟的洲滩垂向渗流速度表现出来的量级一致,变化规律一致,说明洲滩饱和-非饱和流-热耦合数值模型是可靠的。监测期间,河水补给洲滩地下水时间段要远大于洲滩地下水补给河水时间段,河水补给洲滩地下水水量比洲滩地下水补给河水大。不同月份交换量差异较大,12月份地表水和地下水交换量最大,1月份和4月份地表水和地下水交换量较小。探讨季节变化下洲滩潜流交换,阐明大坝运行条件下潜流带水热运移,以期为大坝下游河流水热交换过程研究提供相应理论依据。
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