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床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

樊靖郁 陈春燕 赵亮 王岱峰 王道增

樊靖郁, 陈春燕, 赵亮, 王岱峰, 王道增. 床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响[J]. 水科学进展, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
引用本文: 樊靖郁, 陈春燕, 赵亮, 王岱峰, 王道增. 床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响[J]. 水科学进展, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
FAN Jingyu, CHEN Chunyan, ZHAO Liang, WANG Daifeng, WANG Daozeng. Impact of bed roughness and sediment permeability on mass exchange across sediment-water interface[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
Citation: FAN Jingyu, CHEN Chunyan, ZHAO Liang, WANG Daifeng, WANG Daozeng. Impact of bed roughness and sediment permeability on mass exchange across sediment-water interface[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009

床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 11472168

详细信息
    作者简介:

    樊靖郁(1968—) , 男 , 湖南南县人 , 副研究员 , 博士 , 主要从事环境流体力学 、 水动力学和实验流体力学等方面研究。E-mail : jyfan@shu.edu.cn

  • 中图分类号: O352

Impact of bed roughness and sediment permeability on mass exchange across sediment-water interface

Funds: 

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 11472168

图(6) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-28
  • 网络出版日期:  2019-12-06
  • 刊出日期:  2020-03-01

床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
    基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 11472168

    作者简介:

    樊靖郁(1968—) , 男 , 湖南南县人 , 副研究员 , 博士 , 主要从事环境流体力学 、 水动力学和实验流体力学等方面研究。E-mail : jyfan@shu.edu.cn

  • 中图分类号: O352

摘要: 泥-水界面物质交换过程对自然水体中污染物的迁移转化起重要作用, 粗糙底床界面物质交换过程涉及到床面粗糙度和底床渗透率的影响。通过实验室环形水槽实验测量得到水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量的定量数据和变化特征, 采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。实验结果表明, 在实验参数变化范围内, 受上覆水平均流速、床面粗糙度和底床渗透率的共同作用, 有效扩散系数从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征, 采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析, 确定了不同流动区域的相应阈值以合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。

English Abstract

樊靖郁, 陈春燕, 赵亮, 王岱峰, 王道增. 床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响[J]. 水科学进展, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
引用本文: 樊靖郁, 陈春燕, 赵亮, 王岱峰, 王道增. 床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响[J]. 水科学进展, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
FAN Jingyu, CHEN Chunyan, ZHAO Liang, WANG Daifeng, WANG Daozeng. Impact of bed roughness and sediment permeability on mass exchange across sediment-water interface[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
Citation: FAN Jingyu, CHEN Chunyan, ZHAO Liang, WANG Daifeng, WANG Daozeng. Impact of bed roughness and sediment permeability on mass exchange across sediment-water interface[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 232-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.009
  • 泥-水界面是河流、河口、湖泊、水库、湿地以及近海等自然水体中的重要环境边界。泥-水界面附近是生源物质、矿物颗粒及微生物群落的富集区域[1], 也是上覆水和底床孔隙水之间产生物质交换的重要区域,界面物质交换过程对环境水体中溶解氧、氮/磷营养盐、重金属和有机污染物迁移转化及通量演变起控制和调节作用[2], 多因素耦合作用下其主导驱动机制尤为关键[3]。界面物质交换通量及其影响因素的研究, 在底泥内源污染的评价和治理、水体富营养化的预测和防治以及水生态系统的风险评估和修复等方面具有重要意义。

    粗糙底床普遍存在于自然水体中。由于底床通常由不同粒径和孔隙结构的泥沙颗粒组成, 底床表面受水流作用易形成不同尺度的沙纹、沙波等各种类型的床面形态[4-5]。即使对于平整底床, 当泥沙颗粒较粗时(相对于黏性细颗粒泥沙), 在一定水流条件下, 砂质底床表面泥沙颗粒所形成的凹凸不平床面会导致水力光滑不再满足, 即构成水力粗糙床面[6]。水力粗糙底床的界面物质交换过程除受水动力作用外, 床面粗糙度和底床渗透率等物理特性的影响也不容忽视[1, 4]。如在紧邻界面以上的粗糙底层(其特征尺度可采用颗粒代表粒径dg或床面粗糙高度ks来衡量), 床面粗糙不仅对喷射/扫掠现象、流向涡和发卡涡等大尺度湍流相干结构具有较显著的影响[7], 还会产生微小的床面压力脉动变化, 诱导上覆水/孔隙水之间的小尺度对流输运过程[1]。以往研究表明, 与光滑不可渗透底床相比, 可渗透水力粗糙床面附近区域存在上覆水/孔隙水耦合流动和湍流渗透, 相应增强了界面物质交换通量[4]。但目前在床面粗糙度对界面物质交换特性的影响机理方面尚待深入研究[6], 尤其水力粗糙底床条件下, 湍流渗透对有效扩散系数Deff(界面物质交换通量的参数化表征)影响的定量分析较为缺乏[8]。相关水槽实验研究较少单独考虑床面粗糙度的影响, 仅将床面粗糙度作为一个与底床渗透率紧密相关的参数[9], 或认为床面粗糙度的影响已通过摩阻流速u*得以部分体现[10]。有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系, 不同研究者的结果并不一致[11-12]

    本文主要通过实验室环形水槽实验, 测量得到水力粗糙(平整)砂质底床条件下(实验参数变化范围涵盖水力光滑区、过渡粗糙区和完全粗糙区)界面物质交换通量的定量数据和变化特征, 分析流动特征雷诺数、床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换过程的综合影响机理, 并采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。

    • 实验在上海大学力学所自制的环形水槽中进行, 实验装置如图 1所示。环形水槽主体装置由有机玻璃制成, 包括底槽、内外壁和上部的剪力环, 内外壁由两个同心圆环组成, 其直径分别为0.6 m和1.0 m, 构成宽度为0.2 m、高度为0.4 m的环形槽道。上部剪力环由电机驱动, 通过控制系统调节剪力环升降和转速(R)带动水体表面流动, 在环形槽道内可按实验工况要求控制上覆水平均流速(U)和水深(H)。实验过程中保持水深(H=15.0 cm)和上覆水总体积(Vw)不变。剪力环转速限制在避免底泥发生再悬浮的低速范围(R≤20 r/min), 激光多普勒流速仪(LDV)测量结果表明沿垂向的平均流速分布在水深0.2 m以下,基本符合对数率, 同时可近似忽略水槽内形成的二次流[13]。与循环直水槽相比, 环形水槽把直槽长度转化为时间尺度, 可模拟无限长的明渠水流。

      图  1  环形水槽示意

      Figure 1.  Schematic diagram of an annular flume

    • 床面粗糙程度依赖于流动和底床条件, 本文侧重于考虑水力粗糙砂质底床条件下床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响, 需采用不同粒径颗粒组成的底床。水槽实验底泥样品采用不同代表粒径(dg)的模型沙(石英砂), 经筛分得到3种样品分别为细沙(dg=0.425 mm)、中沙(dg=0.95 mm)和粗沙(dg=2.0 mm)。样品孔隙度(θ)采用水蒸发法测定, 3种样品孔隙度分别为0.42、0.44和0.45。样品渗透率(K)根据描述均匀多孔介质渗透率的Kozeny-Carmen公式估算[14], 其表达式为K=θ3dg2/[180(1-θ)2]。实验过程中将厚度(db)为15 cm的模型沙均匀铺设于水槽底部, 底床表面积(As)和体积(Vs=As db)均保持不变。床面粗糙高度(ks)采用van Rijn给出的表达式ks=3d90+1.1Δ(1-e-25Δ/λ)计算得到[10], 其中Δ和λ分别为沙波高度和波长。摩阻流速(u*)经比较验证由韩其为经验公式给出[15], 其表达式为U/u*=6.5(H/D)1/(4+lg(H/D)), 其中D为泥沙粒径。

      上述流动和底床特征量可构成不同形式的量纲一影响参数, 如上覆水雷诺数(Re=UH/ν)、粗糙雷诺数(Reks=u*ks/ν)和渗透率雷诺数(ReK=u*K1/2/ν)等各种特征雷诺数, 实验参数和工况见表 1。由表 1可知, 本文9组实验工况设置通过改变上覆水平均流速U和底床泥沙粒径dg, 实验参数变化范围涵盖水力光滑区(Reks & 5)、过渡粗糙区(5≤Reks≤70)和完全粗糙区(Reks>70)。

      表 1  实验参数和工况

      Table 1.  Experimental parameters and runs

      实验工况 平均流速
      U/(cm·s-1)
      水深
      H/cm
      孔隙度
      θ
      渗透率
      K/cm2
      摩阻流速
      u*/(cm·s-1)
      粗糙雷诺数
      Reks
      渗透率雷诺数
      ReK
      1 5.65 15.0 0.42 2.21×10-6 0.35 4.52 0.052
      2 10.60 15.0 0.42 2.21×10-6 0.66 8.48 0.098
      3 15.34 15.0 0.42 2.21×10-6 0.96 12.28 0.143
      4 5.65 15.0 0.44 1.36×10-5 0.38 10.94 0.141
      5 10.60 15.0 0.44 1.36×10-5 0.72 20.53 0.265
      6 15.34 15.0 0.44 1.36×10-5 1.04 29.72 0.384
      7 10.60 15.0 0.45 6.69×10-5 0.78 46.92 0.639
      8 15.34 15.0 0.45 6.69×10-5 1.13 67.90 0.925
      9 20.92 15.0 0.45 6.69×10-5 1.54 92.63 1.263

      采用非吸附性氯化钠(NaCl)作为代表性溶质(上覆水中分子扩散系数为Dm)。在实验过程中, 将高浓度NaCl溶液添加于上覆水中(底床孔隙水初始浓度为0), 经循环混合均匀后的上覆水浓度作为初始浓度C0, 通过虹吸采样并测量得到上覆水NaCl溶质浓度随时间(t)的变化C(t), 即可确定不同工况的界面物质交换通量(J)和有效扩散系数(Deff)[4, 10]。每个实验工况上覆水初始浓度(C0=0.05 mol/L)和采样历时(300 min)均保持相同。

      不同工况实验数据采用量纲一变量C*(=C/C0)或m*(=m/db)时间序列给出, 其中m(t)为溶质渗透深度, 根据溶质质量守恒由C/C0转换得到, 即C/C0=H/(+H)。Deff数据分析采用Deff/Dm量纲一形式, 其中Dm(=Dm/[1+3(1+θ)])为孔隙水中分子扩散系数。根据C*t1/2曲线初始斜率可定量确定Deff, 其表达式为Deff=π[VwS/(2Asθ)]2, 其中S=dC*/dt1/2, 由实验数据拟合得到[10]

    • 本文水槽实验采用的水深和床面粗糙高度之比(相对淹没度H/ks)相对较大(>20), 床面粗糙可视为一种小尺度粗糙, 其影响主要体现在紧邻界面以上较薄的粗糙底层, 粗糙底层以上流动区域与光滑底床类似, 同样存在对数率层。以往相关研究表明, 在平整或存在床面形态的底床条件下, 上覆水流的平均流速和水深(或雷诺数Re)是控制泥-水界面区域物质交换过程的重要因素[4]。为研究水力粗糙砂质底床条件下, 上覆水平均流速对界面物质交换特性的影响, 图 2给出了不同流速条件下细沙和中沙底床的实验结果。

      图  2  不同流速条件下上覆水浓度随时间变化

      Figure 2.  Variation of overlying water concentration with time under different flow velocity conditions

      图 2可知, 溶质由上覆水向底床孔隙水下渗过程中, 上覆水量纲一浓度C*随时间变化的总体趋势为, 初始交换阶段下降较快, 随后交换速率逐渐减缓, 直至达到交换平衡(平衡浓度为C/C0≈0.7)。初始交换阶段, 浓度下降曲线的初始斜率(S)基本与t1/2呈线性关系, 说明采用有效扩散系数可较好地描述多种机制共同作用的界面物质交换过程。对于相同的水力粗糙底床, 随上覆水平均流速增大, 初始阶段界面物质交换速率显著增大。上覆水雷诺数Re对驱动界面物质交换的各种机制都产生重要影响, 尤其直接控制着上覆水/孔隙水耦合流动特性。图 3给出了细沙、中沙和粗沙底床条件下, Deff/DmRe(本文实验ReU)的关系, 部分文献结果也列于其中[4, 16-17]

      图  3  有效扩散系数和上覆水雷诺数的依赖关系

      Figure 3.  Dependence of effective diffusion coefficient on the overlying water Reynolds number

      图 3可知, 从整体趋势来看, 对于特定的水力粗糙底床, 随着Re增大, Deff/Dm相应增大, 图中拟合曲线为2次方标度关系(双对数坐标)。图 3对不同研究者的实验结果给出了8条拟合曲线(均采用2次方标度关系), 本文两组底床(中沙和粗沙)的实验数据基本符合2次方标度关系, 即DeffRe2, 与粒径更大的粗沙和砾石底床文献所得结果一致[4, 16]。本文细沙底床的实验数据与2次方标度关系略有偏差, 而粒径更小的细沙底床文献结果[17]较为分散。由于Re表征的是上覆水宏观流动特性(水深尺度), 没有包含底床物理特性的相关参数, 仅基于外尺度流动变量较难将有效扩散系数与Re的依赖关系进行较为一致的描述。

    • 图 4可知, 初始交换阶段, 溶质自上覆水向底床孔隙水的渗透深度变化较快, 达到交换平衡的时间主要取决于界面物质交换速率。比较图 4结果可见, 两种平均流速条件下(U=10.60 cm/s, 15.34 cm/s), 细沙底床直至采样结束(300 min)均未达到交换平衡, 中沙底床分别在210 min和120 min达到交换平衡, 粗沙底床分别在75 min和40 min达到交换平衡。这说明床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性具有不可忽视的影响, 相同平均流速条件下, 随床面粗糙度和底床渗透率增大, 与光滑底床相比, 水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量明显增大。

      图  4  不同底床条件下渗透深度随时间变化

      Figure 4.  Penetration depth variations with time under different bed conditions

      水力粗糙砂质底床由不同粒径泥沙颗粒组成, 床面粗糙度和底床渗透性与底床颗粒粒径紧密相关, 即存在3个彼此关联的长度尺度, 粗糙高度ks、颗粒粒径dg和渗透率特征尺度K1/2, 这3个特征尺度与黏性尺度ν/u*之比可构成不同形式的特征雷诺数。以往研究曾利用这些特征雷诺数或其他量纲一特征量构成有效扩散系数的主要影响参数, 基于实验数据拟合得到各种经验关系式[10-11, 14]。为便于与文献结果[4, 16-18]比较, 本文采用渗透率雷诺数ReK作为主要影响参数, 分析Deff/ DmReK的依赖关系, 所得结果如图 5所示。

      图  5  有效扩散系数和渗透性雷诺数的依赖关系

      Figure 5.  Dependence of effective diffusion coefficient on the permeability Reynolds number

      图 5可知, 在较大ReK范围(0.01~10)内, 与上覆水雷诺数相比, 采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与ReK的依赖关系进行较为一致的描述。ReK是渗透率特征长度和黏性尺度的相对比值, 自然水体中其变化范围为O(0.001~10), 研究表明ReK=O(1)是一个重要阈值[9, 11], O(0.01)≤ReKO(1)的流动区域由剪切离散主导, ReK>O(1)的流动区域由湍流渗透主导。利用本文粗沙底床实验数据与粒径更大的粗沙和砾石底床文献结果, 可得到较为一致的2次方标度关系拟合曲线, 即DeffReK 2。同时, 利用本文中沙、细沙底床实验数据与粒径更细底床文献结果, 得到的拟合曲线约呈2.4次方标度关系, 即DeffReK 2.4。在O(0.01)≤ReKO(1)流动区域, 本文所得结果与Marion等[18]的结果较为接近, 与Richardson和Parr[17]的结果仍存在一定程度的偏差, 其原因可能在于其他未考虑因素的影响, 如所采用的床沙类型不同、孔隙度和孔隙结构存在差异等。

      为分析有效扩散系数在水力光滑区、过渡粗糙区和完全粗糙区的变化特征, 本文利用图 5相同的实验数据, 采用粗糙雷诺数Reks作为主要影响参数, 分析Deff/DmReks的依赖关系, 所得结果如图 6所示。由图 6可知, 对于特定的底床条件, 有效扩散系数与粗糙雷诺数在过渡粗糙区和完全粗糙区, 基本呈2次方标度关系, 即DeffReks 2。对于不同的底床条件, 在过渡粗糙区, 随着Reks的增大, 本文细沙、中沙和粗沙底床条件下的拟合曲线仅有轻微的差别。但在较大Reks范围内, 与更小粒径的细沙[17]或更大粒径的粗沙/砾石底床[4, 16]文献结果相比, DeffReks之间的各条拟合曲线有一定程度的差别。比较图 5图 6结果可知, 本文粗沙底床实验数据与粒径更大的粗沙/砾石底床文献结果[4, 16]相差较大, 这表明在完全粗糙区, 随着Reks的增大, ks对有效扩散系数的影响趋于减弱, 采用渗透率特征尺度K1/2可在更宽的参数变化范围内较为一致地描述有效扩散系数与其影响参数之间的变化趋势。

      图  6  有效扩散系数和粗糙雷诺数的依赖关系

      Figure 6.  Dependence of effective diffusion coefficient on the roughness Reynolds number

    • 水力粗糙底床泥-水界面区域的垂向物质交换过程可由多种不同尺度且相互作用的水动力机制驱动, 包括分子扩散、剪切离散和湍流渗透, 有效扩散系数综合反映了多种机制的共同作用[11], 即Deff=Dm+Dd+Dt, 其中DdDt分别为剪切离散系数和湍流扩散系数。

      水力粗糙砂质底床泥-水界面区域存在上覆水/孔隙水耦合流动和湍流渗透, 较难通过理论分析得到包含床面粗糙度和底床渗透率影响的剪切离散系数和湍流扩散系数表达式。为表征床面粗糙度和底床渗透率对有效扩散系数的影响, 可行途径之一是采用包含底床物理特性的量纲一特征量作为Deff的主要影响参数, 如ReKReks、Péclet数(PeK=u*K1/2/Dm)、颗粒雷诺数Reg(=Udg/ν)以及形式各异的组合量, 基于实验数据拟合得到相应的经验关系式。这些经验关系式是在特定的流动和底床条件下得到的, 将其外推应用于实际水体时, 有效性和适用范围往往受到一定限制。

      粗糙高度ks是表征水力粗糙砂质底床床面粗糙程度的特征尺度, 本文将在双参数(ReksReK)变化范围内分析床面粗糙度和底床渗透率对有效扩散系数的综合影响。考虑到粗糙高度ks和渗透率特征尺度K1/2是两个密切相关的长度尺度, 即ks/K1/2≈40(1-θ)/θ3/2, 因此, 采用ReK作为Deff关键影响参数的经验关系式, 即Deff/Dm=αReK β , 其中幅值系数α和标度指数β为两个拟合参数。

      在水力光滑区, 即Reks < 5(相应于ReK < O(0.1))的流动区域, 床面粗糙度对界面物质交换特性的影响较为微弱, 有效扩散系数受底床渗透率的影响, 呈现明显的分段变化特征:当ReKO(0.01)时, 对应于水力光滑且近似不可渗透底床条件, 紧邻界面以上存在一层很薄的扩散边界层(DBL), 分子扩散是DBL内控制物质垂向扩散的主要物理机制, 即DeffDm。DBL模型的关键参数是其厚度(δc), 通常可用黏性尺度(ν/u*)和Schmidt数(Sc=ν/Dm)拟合实验数据来确定;当O(0.01) < ReK < O(0.1)时, 对应于水力光滑且低渗透率底床条件, 上覆水与底床孔隙水之间的动量交换使得界面以下出现Brinkman层, 其厚度δBK1/2, 基于滑移流的理论分析结果表明,DdReK 2。随着ReK的增大, 剪切离散逐渐取代分子扩散成为界面物质交换的主导机制, 由于界面区域紊动较弱, 可不考虑湍流渗透的影响, 即DeffDm+Dd

      在过渡粗糙区, 即5≤Reks≤70(相应于O(0.1)≤ReKO(1))的流动区域, 对应于过渡粗糙且中等渗透率底床条件, 界面物质交换特性受剪切离散和湍流渗透的共同作用, 分子扩散的影响可近似忽略, 即DeffDd+Dt。随着ReK的增大, 界面区域湍流紊动增强, 界面区域黏性应力和湍流应力均受到床面粗糙度和底床渗透率的影响。结合本文水槽实验和文献结果, 在过渡粗糙区, 对于特定的砂质底床, 虽然有效扩散系数随着Reks变化基本呈2次方标度关系, 但不同底床的实验数据差别较大。由于ReksReK, 对于不同底床条件, 有效扩散系数随着ReK变化的依赖关系出现较明显的差异, 主要体现在幅值系数α变化较大, 导致实验结果较为分散。总体而言, 在水力光滑区至过渡粗糙区较大的ReK变化范围内, 即O(0.01)≤ReKO(1), 随界面区域湍流渗透增强, 有效扩散系数将由Dd增大至(Dd+Dt), 拟合不同底床实验数据所得标度指数将有所增大, 如本文结合文献数据拟合结果为β≈2.4。

      在完全粗糙区, 即Reks>70(相应于ReK>O(1))的流动区域, 对应于完全粗糙且相对较高渗透率底床条件, 剪切离散影响渐趋减弱, 剪切离散系数随ReK变化转变为1次方标度关系, 即DdReK。随着ReK的增大, 界面物质交换特性主要受湍流扩散控制, 增强的湍流渗透使得有效扩散系数随着ReK变化增大为约2次方标度关系。与过渡粗糙区不同, 在完全粗糙区, 床面粗糙度的影响相应减弱, 有效扩散系数主要受底床渗透率的影响, 因此, 有效扩散系数随着ReK变化呈现较为一致的标度关系, 幅值系数α和标度指数β(≈2)均变化较小。对于ReK> >O(1)的流动区域, 对应于完全粗糙且充分渗透底床条件, 湍流渗透将成为界面物质交换过程的主导机制, 即DeffDt

      综合来看, 分析水力粗糙砂质底床界面物质交换特性需要考虑床面粗糙度和底床渗透率的综合影响。有效扩散系数在其影响参数变化范围内受多种水动力机制影响, 可采用相应的阈值表征这些不同机制对界面物质交换通量的相对贡献。基于双参数(ReksReK)分析, 可从物理机制上更合理地确定表征不同流动区域的关键阈值, 同时为这些阈值提供了更为明确的物理意义, 如ReKO(0.01)表征了分子扩散主导扩散边界层的适用范围, ReKO(1)刻画了从过渡粗糙区至完全粗糙区的临界值, 这将有助于将特定水流和底床条件下的实验结果和经验关系式合理外推并应用于实际水体。

    • (1) 水力粗糙砂质底床泥-水界面物质交换特性受流动雷诺数、床面粗糙度和底床渗透率共同作用。采用渗透率雷诺数可对有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。

      (2) 有效扩散系数随渗透率雷诺数增大, 从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征, 界面物质交换主导机制与分子扩散、剪切离散和湍流渗透的相对贡献密切相关。

      (3) 基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析, 在较大影响参数变化范围内, 确定了不同流动区域的关键阈值, 合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。

参考文献 (18)

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