出水口位置對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)及泥沙分布的影響

解 岳，李 璇，孫 昕

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

出水口位置對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)及泥沙分布的影響

解 岳，李 璇，孫 昕

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

在實(shí)驗(yàn)室小環(huán)境下模擬大型水庫(kù)及水庫(kù)的分層環(huán)境,在水庫(kù)溫度分層條件下進(jìn)行異重流實(shí)驗(yàn)，研究不同出水口位置條件下由水溫分層引起的間層流現(xiàn)象，并探究分層環(huán)境下，出水口不同位置水庫(kù)異重流運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律及泥沙分布特性。結(jié)果表明：當(dāng)入流泥沙濃度確定，出水口分別位于上、中、下層時(shí)，異重流的厚度、分離點(diǎn)深度、水躍高度和行進(jìn)時(shí)間等參數(shù)數(shù)值差異較??；當(dāng)入流泥沙濃度確定，上層出水口形成的間層流厚度基本沿程不變，中、下層出水口的間層流會(huì)因卷吸作用而卷吸周?chē)逅畬?dǎo)致間層流厚度局部增加；出水口位置確定，入流泥沙濃度基本不影響排沙比；入流泥沙濃度確定，上層出水口的排沙比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中層和下層的排沙比。

間層異重流；分層水庫(kù)；出水口位置；泥沙濃度；排沙比

1 研究背景

異重流是重力作用于兩種或兩種以上具有不同密度的流體所產(chǎn)生的流動(dòng)[1]，密度的差異可由含沙量、水溫、鹽度等單因素或多因素共同造成。泥沙異重流是造成夏季水庫(kù)水溫成混合型的主要原因，研究泥沙異重流的影響有助于預(yù)測(cè)多沙河流上水庫(kù)水溫的變化規(guī)律。異重流是當(dāng)前國(guó)際沉積學(xué)的熱點(diǎn)話(huà)題之一[2]，在國(guó)內(nèi)，河口海岸動(dòng)力研究者和水利學(xué)家們陸續(xù)開(kāi)展了異重流的相關(guān)研究[3-4]。Kassem等[5]首次數(shù)字模擬出了從上游自由流體到潛入水體最終形成異重流的全過(guò)程。但目前關(guān)于不同出水口位置對(duì)異重流特性和排沙量影響的研究還較少。筆者對(duì)模型水庫(kù)溫度分層條件及出水口位置不同條件下間層異重流的形式及排沙量的影響進(jìn)行探究，旨在為異重流主要存在區(qū)域、潛在的內(nèi)源污染及較好的排沙效果確定適宜出水口位置。

泥沙異重流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)受到密度分層交界面處和(或)水庫(kù)底部壁面的阻力，同時(shí)還受水體水溫分層的影響，其密度也因泥沙沉降和交界面處的局部混摻而變化，這些因素使異重流的演變非常復(fù)雜[6-9]，渾水形成也隨之復(fù)雜化。泥沙異重流有時(shí)會(huì)持續(xù)運(yùn)動(dòng)到水庫(kù)出口，有時(shí)會(huì)擱淺庫(kù)中，有時(shí)也會(huì)充滿(mǎn)整個(gè)水庫(kù)。異重流具有一定的挾沙能力，泥沙在異重流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生移流傳輸、擴(kuò)散和沉積，泥沙組成及濃度的不同會(huì)使泥沙的流體性質(zhì)發(fā)生根本改變。與溫度均一的水庫(kù)不同，分層水庫(kù)中異重流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中常出現(xiàn)從底坡分離而侵入水庫(kù)中層的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為間層流，間層流經(jīng)常以清水水庫(kù)中“夾心”渾水層的形式出現(xiàn)。由于溫度差異所造成的密度差異有限，且溫控(加溫、保溫) 較困難，因此在實(shí)驗(yàn)室的小尺度水體下模擬相對(duì)大尺度水庫(kù)的穩(wěn)定溫度分層環(huán)境并對(duì)分層強(qiáng)度進(jìn)行控制一直都是難題，而且對(duì)不同出口位置異重流的特性的研究鮮少。本文通過(guò)設(shè)計(jì)底部空調(diào)制冷系統(tǒng)模擬水庫(kù)的溫度分層環(huán)境，在水庫(kù)分層強(qiáng)度下進(jìn)行異重流試驗(yàn)，在不同出水口位置條件下重點(diǎn)觀測(cè)由水溫分層引起的間層流現(xiàn)象，并探究分層環(huán)境下，出水口位置不同，水庫(kù)異重流運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

2.1 分層水庫(kù)模型

分層模型水庫(kù)由透明有機(jī)玻璃制成(圖1)，以便于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中異重流的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。模型水庫(kù)主要分為3段，進(jìn)水區(qū)0.3 m，水庫(kù)模型區(qū)2.5 m，出水區(qū)0.5 m(底部設(shè)置排水口以保證在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持水位0.6 m不變)，水庫(kù)總寬度0.6 m，總高度1.0 m。主庫(kù)區(qū)包括入口平坡部分、斜坡部分和水庫(kù)模型池，在模型池區(qū)底部每隔10 cm設(shè)置了兩層空調(diào)蒸發(fā)器銅管。銅管的目的是對(duì)底部20 cm的水體進(jìn)行制冷并在試驗(yàn)開(kāi)始前保持水溫恒定在5℃，水池表層水利用自然傳熱，以此使整個(gè)水體形成穩(wěn)定的水溫分層。在出水區(qū)與模型池中間設(shè)置隔板，在隔板上分別開(kāi)3個(gè)出水口，距離池底的高度分別為38.5 cm、18 cm和4 cm。出水口的尺寸均為 3 cm×60 cm。

2.2 材料與方法

本實(shí)驗(yàn)采用的是270目(相當(dāng)于粒徑0.05 mm)的石英砂，配置成濃度分別為1 250 mg/L 、3 750 mg/L、7 500 mg/L的泥沙溶液。進(jìn)水水箱容積大約為800 L，內(nèi)置攪拌泥沙的攪拌機(jī)。采用一臺(tái)單相自吸泵，主要是對(duì)進(jìn)水加壓以保證進(jìn)水管道滿(mǎn)流；采用電磁流量計(jì)測(cè)量入流流量。

實(shí)驗(yàn)時(shí)5個(gè)人分別在5個(gè)斷面利用垂向同時(shí)多點(diǎn)取樣系統(tǒng)取樣，5個(gè)斷面分別距離出水口斷面0、0.5、1.0、1.5、1.8 m，取樣水深間隔0.05 m。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，取樣時(shí)間為泥沙溶液進(jìn)入進(jìn)水區(qū)后的5、10、20、30、40、50 min。取樣結(jié)束后使用WGZ—2000A濁度計(jì)測(cè)量濁度，再利用濃度-濁度轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)將測(cè)量的濁度轉(zhuǎn)化為濃度，以便計(jì)算含沙量。水溫使用1臺(tái)30通道TYPEK數(shù)顯測(cè)溫儀(臺(tái)灣群特CENTER 309型)進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)溫儀探頭沿垂向每隔5 cm分布1個(gè)，共30個(gè)探頭。分別在0、1.0 m斷面布置12個(gè)探頭，在1.8 m斷面布置8個(gè)探頭。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用SONY HDR—PJ660E攝像機(jī)(最大像素543萬(wàn)，幀寬度是1 440，幀高度是1 080，比特率是256 kbps，音頻采樣頻率是48 Hz)記錄異重流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

注：a為上層出口；b為中層出口；c為下層出口。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)工況和條件

3.1 實(shí)驗(yàn)工況與特征參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)主要是在分層條件下研究異重流，Ungarish[10]研究異重流在分層水體中沿著平坡的發(fā)展情況，他用相對(duì)層結(jié)度S來(lái)描述環(huán)境水體的分層情況：

(1)

式中：ρB為模型水庫(kù)底部恒溫層水體密度；ρh0為上層變溫層水體的密度；ρc0為初始時(shí)刻入流泥沙密度；h0為初始狀態(tài)的異重流厚度及進(jìn)水區(qū)中異重流的水深,h0=17 cm。

流體之間的密度差是形成異重流的根本原因，描述這兩者之間的差異可用有效重力加速度這一概念。Baines[11]在進(jìn)行異重流的實(shí)驗(yàn)研究中，定義初始有效重力加速度g0為

(2)

其中

Δρ=ρc0-ρh0

式中:Δρ為上層變溫層水體密度與初始時(shí)刻入流泥沙密度的差值；ρ′為上層變溫層水體密度與初始時(shí)刻入流泥沙密度的平均值；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

此外，描述異重流運(yùn)動(dòng)特性的參數(shù)還有雷諾數(shù)Re[12]：

(3)

式中：hl為進(jìn)水口高度，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水口高度均為 3 cm(賀治國(guó)等[13]認(rèn)為進(jìn)水口高度在一定程度上會(huì)影響異重流頭部厚度和形態(tài)，在之前的研究中，會(huì)將hl作為相應(yīng)的特征參數(shù)[14-15])；ν為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s。

計(jì)算表明，在所做的所有實(shí)驗(yàn)中，雷諾數(shù)均遠(yuǎn)大于1 000，說(shuō)明各組實(shí)驗(yàn)均為紊流情況。表1給出了以上各參數(shù)的試驗(yàn)工況。

溫度分層的程度也是影響異重流含沙量的重要因素之一。溫度分層水體穩(wěn)定程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通常采用浮力頻率平方值來(lái)表征：

(4)

式中，N為浮力頻率，負(fù)號(hào)表示浮力頻率方向與重力相反；z為躍溫層厚度。水體穩(wěn)定度的強(qiáng)弱與浮力頻率的大小成正相關(guān)。當(dāng)水體浮力頻率N大于2.235×10-2時(shí)，水體分層穩(wěn)定，即強(qiáng)分層水體；當(dāng)N小于0.71×10-2時(shí)，水體沒(méi)有分層特性，即為混合水體；當(dāng)N介于0.71×10-2～2.235×10-2時(shí)，水體呈現(xiàn)不穩(wěn)定的弱分層狀態(tài)，稱(chēng)為過(guò)渡水體。

理查森數(shù)Ri用來(lái)描述密度梯度與剪切速度之間的相對(duì)作用情況[11，16]，定義為

(5)

式中：θ為實(shí)驗(yàn)坡度；d為異重流頭部厚度；U為異重流頭部運(yùn)動(dòng)的平均速度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以觀察到異重流頭部厚度d是沿程變化的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于異重流的頭部運(yùn)動(dòng)速度并不能精確測(cè)量，所以本次實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有計(jì)算異重流的頭部運(yùn)動(dòng)速度這個(gè)參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況及相應(yīng)參數(shù)

范家驊等[17-18]在探討異重流卷吸系數(shù)時(shí)提到異重流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中總會(huì)卷吸周邊流體進(jìn)入流動(dòng)，因此異重流被稀釋后，密度差會(huì)減少。密度差減小到一定程度時(shí)，就不能再維持異重流運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致異重流停止運(yùn)動(dòng)。Paker等[19]在水槽中進(jìn)行異重流實(shí)驗(yàn)，根據(jù)他們自己的測(cè)量數(shù)據(jù)得到以下近似公式，即摻混系數(shù)E為

(6)

3.2 實(shí)驗(yàn)水體分層特性

實(shí)驗(yàn)前，在模型水庫(kù)底部10 cm和20 cm利用空調(diào)制冷到5℃左右，形成恒溫層；表面利用自然傳熱，形成變溫層，表層變溫層溫度范圍在19～22℃，這樣就在實(shí)驗(yàn)室模擬了水庫(kù)的分層環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用WGZ—2000A濁度計(jì)測(cè)其濁度(單位NTU)，再利用濃度-濁度轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)將測(cè)量的濁度轉(zhuǎn)化為濃度。濃度-濁度轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)為Y=0.001 6X+0.057 7(R2=0.991 6，其中X為濁度，NTU；Y為濃度，g/L)。另外，在實(shí)驗(yàn)前，利用了30通道TYPEK數(shù)顯測(cè)溫儀(臺(tái)灣群特CENTER 309型)對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，同一水深的溫差最大不超過(guò)1℃，可以認(rèn)為模型水庫(kù)在水平方向上各處水溫基本相同，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前的準(zhǔn)備過(guò)程中模型水庫(kù)的水體一直有著穩(wěn)定的分層結(jié)構(gòu)，可以忽略環(huán)境水體自身的摻混。

4 結(jié)果分析

4.1 不同出水口位置間層流參數(shù)對(duì)比

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到表2。其中，間層流厚度取異重流到達(dá)出水口斷面變化不大的厚度；分離點(diǎn)深度指異重流從斜坡分離進(jìn)入分層水體的最低點(diǎn)距離水面的距離；異重流從斜坡分離進(jìn)入分層水體后會(huì)形成躍起，水躍高度是指異重流從斜坡分離時(shí)最低點(diǎn)躍起后水平進(jìn)入分層水體的高度；行進(jìn)時(shí)間是指從進(jìn)水口開(kāi)始計(jì)時(shí)，異重流在模型庫(kù)區(qū)行進(jìn)至模型水庫(kù)出水口斷面的時(shí)間。

從表2可知，在濃度確定的情況下，間層流厚度、分離點(diǎn)深度、水躍高度和異重流行進(jìn)時(shí)間并沒(méi)有太大的差別。這是因?yàn)樵诟鱾€(gè)條件下，間層流都會(huì)先行進(jìn)至模型水庫(kù)出水口位置斷面。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可知，當(dāng)出水口位于上層時(shí)，異重流成水平狀態(tài)直接排出庫(kù)外；當(dāng)出水口位于中層和下層時(shí)，異重流為了排出庫(kù)外會(huì)發(fā)生卷吸摻混，所以在異重流沒(méi)有排出庫(kù)外之前，出水口位置對(duì)這些參數(shù)產(chǎn)生的數(shù)值差異較小。

表2 不同出水口位置參數(shù)對(duì)比

4.2 不同出水口位置條件下泥沙濃度對(duì)比

在所做的實(shí)驗(yàn)中，選取確定的泥沙濃度1 250 mg/L，流量0.324 m3/h，在不同出水口位置(上層38.5 cm、中層18 cm、下層4 cm)對(duì)泥沙濃度進(jìn)行對(duì)比。圖2～4分別為行進(jìn)時(shí)間20 min和50 min時(shí)的泥沙濃度對(duì)比圖。

從圖2～4可以看出，當(dāng)濃度為1 250 mg/L、流量為0.324 m3/h時(shí)，異重流表現(xiàn)為明顯的間層流，泥沙濃度集中在間層流部分，50 min時(shí)異重流有明顯的卷吸現(xiàn)象，并且可以看出，隨著出水口位置的下移，間層流也有下移現(xiàn)象。

對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察可以得到：出水口在上層時(shí)，間層流成水平狀態(tài)直接排出庫(kù)外，這是因?yàn)殚g層流范圍一般都在距離模擬水庫(kù)底部30～50 cm范圍內(nèi)，而上層出水口位置為38.5 cm，具有間層流可以直接成水平狀態(tài)排出庫(kù)外的條件；出水口在中層時(shí)，異重流先運(yùn)動(dòng)到模型水庫(kù)出水口斷面位置，而當(dāng)出水口位置在中層出水口位置18 cm處時(shí)，并沒(méi)有異重流可以直接排出的條件，開(kāi)始時(shí)從中層出水口排出的大部分都是清水。根據(jù)卷吸理論，異重流無(wú)法及時(shí)排出庫(kù)區(qū)，會(huì)卷吸周邊清水進(jìn)入異重流，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中從直觀上看到的是間層流運(yùn)動(dòng)到出水口斷面時(shí)形成渦旋且厚度增大。由于卷吸的作用，當(dāng)間層流厚度增大到一定程度時(shí)有泥沙開(kāi)始排出；出水口在下層時(shí)，異重流還是會(huì)先運(yùn)動(dòng)到模型水庫(kù)出水口斷面位置，而下層出水口位置在距離模型水庫(kù)4 cm處時(shí)，與出水口位置中層現(xiàn)象一致，異重流無(wú)法及時(shí)排出庫(kù)區(qū)，同樣會(huì)卷吸周邊清水進(jìn)入異重流，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以看到間層流運(yùn)動(dòng)到出水口斷面會(huì)形成渦旋且厚度增大。只是出水口位于下層時(shí)，卷吸作用時(shí)間更長(zhǎng)，間層流厚度更大。異重流在卷吸周邊清水的過(guò)程中，間層異重流密度不斷減小。出水口位置不同時(shí)，異重流運(yùn)動(dòng)到出水口斷面處的頭部厚度和速度基本沒(méi)有變化，根據(jù)式(5)和(6)可以得出，摻混系數(shù)E上lt;E中l(wèi)t;E下。根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，泥沙濃度為3 750 mg/L 、7 500 mg/L與1 250 mg/L可以得到相同的結(jié)論。

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)及圖2～4可以知道，在間層流運(yùn)動(dòng)到出水口斷面之前，間層流泥沙主要分布在距離模擬水庫(kù)底部30～50 cm范圍內(nèi)，出水口位置不同，產(chǎn)生泥沙時(shí)空分布差異較小。當(dāng)間層流開(kāi)始排出模型水庫(kù)，只有上層具有間層流可以直接排出庫(kù)外的條件，中層和下層則并不具備，此時(shí)異重流會(huì)發(fā)生卷吸摻混，泥沙分布范圍主要向下擴(kuò)散摻混。出水口位置越靠下，泥沙分布范圍向下擴(kuò)散摻混則越嚴(yán)重。

(a) 20 min

(b) 50 min

(a) 20 min

(b) 50 min

(a) 20 min

(b) 50 min

4.3 排沙比對(duì)比

4.3.1 出水口位置相同而泥沙濃度不同

排沙比是指各個(gè)取樣時(shí)間排出庫(kù)外的泥沙量與進(jìn)入模型水庫(kù)泥沙量的比值。計(jì)算排沙比是為了得到較好的排沙效果時(shí)進(jìn)入水庫(kù)最適宜的初始泥沙濃度和出水口位置。

mi=ρiqt

(7)

式中：mi為進(jìn)入模型水庫(kù)的泥沙量；ρi為進(jìn)入水庫(kù)的泥沙初始濃度；q為進(jìn)入水庫(kù)的泥沙初始流量；t為各取樣時(shí)間。

mt=ρtqt

(8)

式中：mt為排出模型水庫(kù)的泥沙量；ρt為泥沙排出水庫(kù)的濃度。

出水口位置確定的泥沙濃度分別為1 250 mg/L、3 750 mg/L 和7 500 mg/L，取樣時(shí)間為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的5、10、20、30、40、50 min，將各泥沙濃度各取樣時(shí)間的排沙比匯總成圖5。

(a) 上層出水口

(b) 中層出水口

(c) 下層出水口

從圖5可以看出，當(dāng)出水口位置確定時(shí)，泥沙濃度的變化幾乎不會(huì)影響排沙比，這是因?yàn)殡m然泥沙初始濃度改變，但在各個(gè)取樣時(shí)間排出庫(kù)外的泥沙濃度與進(jìn)入庫(kù)區(qū)的泥沙濃度的比值較恒定。出水口位于上層，當(dāng)泥沙濃度改變時(shí)，各個(gè)時(shí)間段的排沙比沒(méi)有太大的變化；當(dāng)出水口在中層和下層時(shí)，泥沙濃度越大，排沙比相對(duì)增大，這是因?yàn)楫愔亓鳛榱伺懦鰩?kù)外，當(dāng)出水口位置越靠下，泥沙濃度大的間層流卷吸作用越大，摻混也越嚴(yán)重，異重流排沙時(shí)，泥沙占的比重會(huì)增加，清水占的比重則減小，所以泥沙濃度大的排沙比比泥沙濃度小的排沙比要大一些。

4.3.2 泥沙濃度相同而出水口位置不同

泥沙濃度分別確定為1 250 mg/L、3 750 mg/L 和7 500 mg/L，出水口位置分別為上層、中層和下層，將各泥沙濃度各取樣時(shí)間的排沙比匯總成圖6。

(a) 濃度1 250 mg/L

(b) 濃度3 750 mg/L

(c) 濃度7 500 mg/L

從圖6可以看出，當(dāng)入流泥沙濃度確定時(shí)，上層出水口排沙比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中層和下層出水口，這是因?yàn)槌跏寄嗌碀舛却_定，出水口位置從上變到下的過(guò)程中，在各個(gè)取樣時(shí)間排出庫(kù)外的泥沙濃度與進(jìn)入庫(kù)區(qū)的泥沙濃度的比值逐漸減小。所以，出水口位于上層時(shí)，排沙效果最好；出水口位于下層時(shí)，排沙效果最差。當(dāng)泥沙濃度較大時(shí)，取樣時(shí)間越長(zhǎng)(40 min、50 min)，中層出口的排沙比接近于上層出水口，說(shuō)明異重流在庫(kù)區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，排沙比越增加，但此時(shí)庫(kù)區(qū)摻混嚴(yán)重，不利于排沙。

5 結(jié) 論

a. 當(dāng)入流泥沙濃度確定，出水口分別位于上、中、下層時(shí)，異重流的厚度、分離點(diǎn)深度、水躍高度和行進(jìn)時(shí)間等參數(shù)數(shù)值的差異較?。?/p>

b. 當(dāng)入流泥沙濃度確定，出水口位于上層時(shí)，異重流以間層流形式直接水平排出庫(kù)外，間層流厚度基本沿程不變；出水口位于中、下層時(shí)，間層流運(yùn)動(dòng)至出水口位置斷面后，會(huì)因卷吸作用卷吸周?chē)逅?，引起間層流厚度局部增加；

c. 當(dāng)出水口位置確定時(shí)，入流泥沙濃度基本不影響異重流排沙比；

d. 當(dāng)入流泥沙濃度確定，出水口位置會(huì)影響異重流排沙比，位于上層的排沙比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出水口位于中層和下層的排沙比。隨著異重流停留時(shí)間加長(zhǎng)，雖然排沙量有所增加，但庫(kù)區(qū)異重流摻混嚴(yán)重，不利于排沙。

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Influenceofdifferentoutletpositionsondensitycurrentsmovementsandsedimentdistributions

XIEYue,LIXuan,SUNXin

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

The large reservoir and its stratified water environment could be simulated in a small laboratory environment. The density currents experiments were carried out under the condition of reservoir temperature stratification. The phenomenon of laminar density currents caused by water temperature stratification under different outlet positions was studied. Besides, exploration has been done about the universal law of the density currents movement and the sediment distribution characteristics in the stratified environment. As it turned out, when the influent sediment concentration was determined and the outlet position was located at the upper, middle and lower levels respectively, the parameters’ numerical difference was small in terms of the thickness of the density current, the depth of the separation point, the hydraulic jump height and the travel time. When the sediment concentration was determined, the thickness of the laminar density currents was almost constant along the way in the upper outlet position; and the thickness of the same would increase partially due to the sucking effect from clear water in the middle and bottom outlet positions. When the water outlet position was set unchanged, the influent sediment concentration basically did not affect sedimentation ratio. When the sediment concentration was determined, the sedimentation ratio at the upper outlet position was much larger than that at the middle and bottom outlet positions.

laminar density currents; stratified reservoir; outlet position; sediment concentration; sediment discharge ratio

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.18

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278404)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目 (2015KTCL-03-15)

解岳(1971—)， 男，副教授，博士， 主要從事水處理、景觀水質(zhì)控制技術(shù)及水污染控制理論與技術(shù)研究。E-mail:xieyue@xauat.edu.cn

孫昕，教授。E-mail: xinsunn@163.com

X524

A

1004-6933(2017)06-0114-07

2017-01-11 編輯：彭桃英)