河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

陈孝兵; 郑春阳; 袁越

doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

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河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

陈孝兵, 郑春阳, 袁越

文章导航 > 水科学进展 > 2019 > 30(2): 220-229

陈孝兵, 郑春阳, 袁越. 2019: 河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟. 水科学进展, 30(2): 220-229. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

引用本文:

陈孝兵, 郑春阳, 袁越. 2019: 河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟. 水科学进展, 30(2): 220-229. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

CHEN Xiaobing, ZHENG Chunyang, YUAN Yue. 2019: Modeling the impacts of streambed sediment heterogeneity on hyporheic exchange. Advances in Water Science, 30(2): 220-229. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

Citation:

CHEN Xiaobing, ZHENG Chunyang, YUAN Yue. 2019: Modeling the impacts of streambed sediment heterogeneity on hyporheic exchange. Advances in Water Science, 30(2): 220-229. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

1.
河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210098;
2.
河海大学水利水电学院, 江苏南京 210098

基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFC0402703）；国家自然科学基金资助项目（41771033）

详细信息

作者简介:
陈孝兵(1985-),男,湖北荆州人,副教授,博士,主要从事河流水动力与浅层地下水环境方面研究。E-mail:x.chen@hhu.edu.cn

中图分类号: TV138

Modeling the impacts of streambed sediment heterogeneity on hyporheic exchange

1.
State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;
2.
College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China

Funds: The study is financially supported by the National Key R&D Program of China (No.2016YFC0402703) and the National Natural Science Foundation of China (No.41771033).

摘要: 为了揭示河床沉积物非均质性对潜流交换的影响，构建了沙波地形作用下的地表水-地下水耦合模型，通过生成不同的渗透系数随机场，讨论了不同地表水动力过程和河床沉积物非均质性对潜流交换通量、交换空间及平均停留时间的影响规律。结果表明，所构建的地表水-地下水耦合模型能够准确刻画水沙界面附近流场，模型具有良好的适用性；均质或非均质河床沉积物情景下，水沙界面上的平均交换通量、停留时间与雷诺数之间均呈现幂函数关系，潜流交换深度则在地表水进入完全紊流之后趋于稳定。结果还表明，较强的河床沉积物非均质性能够有效增强水沙界面上潜流交换通量和空间交换频率，但会制约潜流交换空间并缩短水流在潜流带中的停留时间。
- 河床沉积物 /
- 非均质性 /
- 潜流交换 /
- 数值模拟 /
- 地表水-地下水交互
Abstract: The hyporheic exchange plays a crucial role in maintaining fluvial ecological processes. In order to examine the influence of streambed heterogeneity on the hyporheic exchange,a surface water-groundwater coupling model is constructed for solving flow interactions over a sand dune. By generating different permeability random fields,the influences of hydrodynamic processes and streambed heterogeneity on the hyporheic exchange flux,exchange space and mean residence time are addressed. The results showed that the coupling model has good performance and it can accurately depict the flow fields near the sediment-water interface. Under homogeneous or heterogeneous scenarios,the mean exchange flux and bulk residence time via Reynolds number are representing power law relationships,and the mean exchanged depth tends to be stable after the surface flow transitions into highly turbulent conditions. Results further shown that higher heterogeneity can effectively enhance the hyporheic exchange flux and spatial exchange frequency along the sediment-water interface. However,it will restrict the exchange volume and shorten the mean residence time of flow in the hyporheic zone.
- streambed sediment /
- heterogeneity /
- hyporheic exchange /
- numerical simulation /
- surface-subsurface water interaction

[1]	古力米热·哈那提, 张音, 关东海, 刘迁迁, 苏里坦2020: 生态输水条件下塔里木河下游断面尺度地下水流数值模拟 , 水科学进展, 31, 61-70. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.007
[2]	张新周, 陈星, 窦希萍, 赵晓冬, 夏威夷, 缴健, 许慧2019: 山溪性强潮河口最大浑浊带形成机制及其模拟 , 水科学进展, 30, 84-92. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.009
[3]	毛鸿飞, 陈洪洲2019: 非完全淹没水平圆柱上波浪力特征的数值模拟 , 水科学进展, 30, 749-759. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.015
[4]	假冬冬, 周建银, 邵学军, 张幸农2018: 深水库区细颗粒淤积物重力驱动流动数值模拟——以三峡水库为例 , 水科学进展, 29, 57-63. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.007
[5]	任杰, 程嘉强, 杨杰, 程琳2018: 潜流交换温度示踪方法研究进展 , 水科学进展, 29, 597-606. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.04.016
[6]	姬雨雨, 陈求稳, 施文卿, 易齐涛, 林育青2018: 水库运行对漫湾库区洲滩水热交换影响 , 水科学进展, 29, 73-79. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.009
[7]	靳孟贵, 鲜阳, 刘延锋2017: 脱节型河流与地下水相互作用研究进展 , 水科学进展, 28, 149-160. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.017
[8]	刘东升, 赵坚, 吕辉2017: 大坝下游河岸带冬夏季水热交换特征对比 , 水科学进展, 28, 124-132. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.014
[9]	陈孝兵, 赵坚, 李英玉, 陈力2014: 床面形态驱动下潜流交换试验 , 水科学进展, 25, 835-841.
[10]	林俊强, 严忠民, 夏继红2013: 弯曲河岸侧向潜流交换试验 , 水科学进展, 24, 118-124.
[11]	鲁程鹏, 束龙仓, 陈洵洪2012: 河床地形影响潜流交换作用的数值分析 , 水科学进展, 23, 789-795. doi: CNKI: 32.1309.P.20121101.1759.015
[12]	徐洪周, 林晶, 王东晓2009: 基于一个年龄概念的河口污染物输运数值模拟 , 水科学进展, 20, 92-98.
[13]	张丛志, 张佳宝, 徐绍辉, 张辉2008: 反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟 , 水科学进展, 19, 552-558.
[14]	金光球, 李凌2008: 河流中潜流交换研究进展 , 水科学进展, 19, 285-293.
[15]	谢水波, 刘奇, 张晓健, 陈泽昂, 李仕友2006: 尾矿库区地下水中U(Ⅵ)的反应-输运耦合模拟及其参数分析 , 水科学进展, 17, 803-807.
[16]	薛联青, 吕锡武, 吴磊2004: 湖水-沉积物界面内源物质交换动态复水模拟研究 , 水科学进展, 15, 189-192.
[17]	戴会超, 王玲玲2004: 淹没水跃的数值模拟 , 水科学进展, 15, 184-188.
[18]	钱家忠, 汪家权, 葛晓光, 张寿全, 李如忠2003: 我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟研究进展 , 水科学进展, 14, 509-512.
[19]	虎胆·吐马尔白, 木拉提2002: 沟底膜孔灌水条件下土壤水入渗规律的数值模拟 , 水科学进展, 13, 69-73.
[20]	陈家军, 奚成刚, 王金生2000: 非饱和带水-气二相流数值模拟研究进展 , 水科学进展, 11, 208-214.

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河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210098;

2. 河海大学水利水电学院, 江苏南京 210098

基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFC0402703）；国家自然科学基金资助项目（41771033）

作者简介:
陈孝兵(1985-),男,湖北荆州人,副教授,博士,主要从事河流水动力与浅层地下水环境方面研究。E-mail:x.chen@hhu.edu.cn

收稿日期: 2018-07-24
刊出日期: 2019-04-25

中图分类号: TV138

关键词:

摘要: 为了揭示河床沉积物非均质性对潜流交换的影响，构建了沙波地形作用下的地表水-地下水耦合模型，通过生成不同的渗透系数随机场，讨论了不同地表水动力过程和河床沉积物非均质性对潜流交换通量、交换空间及平均停留时间的影响规律。结果表明，所构建的地表水-地下水耦合模型能够准确刻画水沙界面附近流场，模型具有良好的适用性；均质或非均质河床沉积物情景下，水沙界面上的平均交换通量、停留时间与雷诺数之间均呈现幂函数关系，潜流交换深度则在地表水进入完全紊流之后趋于稳定。结果还表明，较强的河床沉积物非均质性能够有效增强水沙界面上潜流交换通量和空间交换频率，但会制约潜流交换空间并缩短水流在潜流带中的停留时间。

English Abstract

Modeling the impacts of streambed sediment heterogeneity on hyporheic exchange

1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;

2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China

Funds: The study is financially supported by the National Key R&D Program of China (No.2016YFC0402703) and the National Natural Science Foundation of China (No.41771033).

Received Date: 2018-07-24
Publish Date: 2019-04-25

Keywords:

Abstract: The hyporheic exchange plays a crucial role in maintaining fluvial ecological processes. In order to examine the influence of streambed heterogeneity on the hyporheic exchange,a surface water-groundwater coupling model is constructed for solving flow interactions over a sand dune. By generating different permeability random fields,the influences of hydrodynamic processes and streambed heterogeneity on the hyporheic exchange flux,exchange space and mean residence time are addressed. The results showed that the coupling model has good performance and it can accurately depict the flow fields near the sediment-water interface. Under homogeneous or heterogeneous scenarios,the mean exchange flux and bulk residence time via Reynolds number are representing power law relationships,and the mean exchanged depth tends to be stable after the surface flow transitions into highly turbulent conditions. Results further shown that higher heterogeneity can effectively enhance the hyporheic exchange flux and spatial exchange frequency along the sediment-water interface. However,it will restrict the exchange volume and shorten the mean residence time of flow in the hyporheic zone.

陈孝兵, 郑春阳, 袁越. 2019: 河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟. 水科学进展, 30(2): 220-229. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

引用本文:

陈孝兵, 郑春阳, 袁越. 2019: 河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟. 水科学进展, 30(2): 220-229. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

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河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

作者简介: 陈孝兵(1985-),男,湖北荆州人,副教授,博士,主要从事河流水动力与浅层地下水环境方面研究。E-mail:x.chen@hhu.edu.cn

Modeling the impacts of streambed sediment heterogeneity on hyporheic exchange

计量

出版历程

河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.02.007

1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210098; 2. 河海大学水利水电学院, 江苏 南京 210098

作者简介: 陈孝兵(1985-),男,湖北荆州人,副教授,博士,主要从事河流水动力与浅层地下水环境方面研究。E-mail:x.chen@hhu.edu.cn

English Abstract

Modeling the impacts of streambed sediment heterogeneity on hyporheic exchange

1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China

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作者简介:
陈孝兵(1985-),男,湖北荆州人,副教授,博士,主要从事河流水动力与浅层地下水环境方面研究。E-mail:x.chen@hhu.edu.cn

1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210098;

2. 河海大学水利水电学院, 江苏南京 210098

作者简介:
陈孝兵(1985-),男,湖北荆州人,副教授,博士,主要从事河流水动力与浅层地下水环境方面研究。E-mail:x.chen@hhu.edu.cn

1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;

2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China