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

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

Citation:

CHEN Xiaobing, ZHENG Chunyang, YUAN Yue. Modeling the impacts of streambed sediment heterogeneity on hyporheic exchange[J]. Advances in Water Science, 2019, 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

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[2]	蔡奕, 石涛, 姚俊兰, 刘曙光, 阮西科, 徐佳. 河道潜流交换水动力过程现场监测研究进展 . 水科学进展, 2021, 32(4): 638-648. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.015
[3]	古力米热·哈那提, 张音, 关东海, 刘迁迁, 苏里坦. 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, 2020, 31(1): 61-70. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.007
[4]	毛鸿飞, 陈洪洲. 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, 2019, 30(5): 749-759. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.015
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[7]	姬雨雨, 陈求稳, 施文卿, 易齐涛, 林育青. 水库运行对漫湾库区洲滩水热交换影响 . 水科学进展, 2018, 29(1): 73-79. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.009
[8]	靳孟贵, 鲜阳, 刘延锋. 脱节型河流与地下水相互作用研究进展 . 水科学进展, 2017, 28(1): 149-160. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.017
[9]	刘东升, 赵坚, 吕辉. 大坝下游河岸带冬夏季水热交换特征对比 . 水科学进展, 2017, 28(1): 124-132. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.014
[10]	陈孝兵, 赵坚, 李英玉, 陈力. 床面形态驱动下潜流交换试验 . 水科学进展, 2014, 25(6): 835-841.
[11]	林俊强, 严忠民, 夏继红. 弯曲河岸侧向潜流交换试验 . 水科学进展, 2013, 24(1): 118-124.
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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. 河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟[J]. 水科学进展, 2019, 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. 河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟[J]. 水科学进展, 2019, 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