階梯-深潭結(jié)構(gòu)的潛流交換及污染物運(yùn)移模擬

王 偉

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

我國城市河流污染嚴(yán)重，據(jù)調(diào)查70%以上的城市存在黑臭水體[1]，除了外源污染排放，內(nèi)源污染釋放和水動(dòng)力學(xué)條件不足等也是主要原因[2]。自2015年國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以來，外源污染已得到一定控制[3]，但如何消解內(nèi)源污染，提高河流水動(dòng)力學(xué)條件，從而恢復(fù)河流自凈能力，成為解決黑臭水體的關(guān)鍵所在。圖1是美國沙漠研究所(位于內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯)附近的一條小型河流，20世紀(jì)90年因城市人口激增、污水大肆排放受到嚴(yán)重污染，近幾年當(dāng)?shù)卣谠摵有藿穗A梯-深潭結(jié)構(gòu)群，運(yùn)行數(shù)月后水質(zhì)得以恢復(fù)，河流也已恢復(fù)了自然風(fēng)貌。這種基于潛流帶修復(fù)，通過人工引入階梯-深潭結(jié)構(gòu)的小型河流生態(tài)治理工程嘗試，在一些國家取得了較好的效果，有關(guān)潛流帶及潛流交換的研究也成為了國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

國內(nèi)對于潛流交換的研究多是從自然河流出發(fā)，探討了河床地形、特性及水位等對潛流交換及溶質(zhì)運(yùn)移的影響。陳孝兵等[4,5]通過三角形河床水槽試驗(yàn)，認(rèn)為潛流交換速度隨河床地形起伏度及雷諾數(shù)的增大而增大；通過沙波地形作用下的地表水與地下水耦合模擬，認(rèn)為較強(qiáng)的河床沉積物非均質(zhì)性能夠有效增強(qiáng)水沙界面上潛流交換通量和空間交換頻率。張強(qiáng)[6]通過模擬研究，認(rèn)為潛流帶的非均質(zhì)性降低了河流與潛流帶的水力交換量，以及氮的消減率和消減速率。魯程鵬等[7]采用熱追蹤方法求解潛流通量，認(rèn)為潛流通量的時(shí)空非均質(zhì)特征受到了河床地形和河水水位的共同影響。羅雪芬[8]通過EB模型解析解，認(rèn)為潛流帶縱向滲透系數(shù)與橫向滲透系數(shù)比值增大，會(huì)導(dǎo)致潛流交換量和溶質(zhì)質(zhì)量交換增加。國外有關(guān)潛流交換的研究出現(xiàn)較早，但對于階梯-深潭結(jié)構(gòu)下的潛流交換及溶質(zhì)運(yùn)移研究較少。Sawyer等[9]通過水槽試驗(yàn)研究了跨河原木附近的地表水及地下水流場變化，并以染料示蹤法描述了原木附近的潛流交換路徑。Endreny 等[10]通過在水槽內(nèi)設(shè)置三角形木坎結(jié)構(gòu)，探討了水躍對潛流交換的影響。這些研究對階梯-深潭結(jié)構(gòu)影響潛流交換及溶質(zhì)運(yùn)移速率的主要因素，缺乏定量描述和規(guī)律性分析。本文將通過對比階梯-深潭結(jié)構(gòu)和平坦河床的污染物運(yùn)移，進(jìn)一步分析潛流交換與單寬流量、坎高比的定量關(guān)系，探討適合的階梯-深潭結(jié)構(gòu)參數(shù)，為城市小型河流污染治理工程實(shí)踐提供參考。

1 數(shù)值模擬方法

在小型河流中人工引入的階梯坎可以為混凝土、木材、pvc等材料，地表水經(jīng)階梯坎形成水躍，沖刷下游河床，河床形態(tài)穩(wěn)定后即形成了階梯-深潭結(jié)構(gòu)。在階梯-深潭結(jié)構(gòu)中，階梯坎上游一部分地表水在上下游水頭差的作用下進(jìn)入河床，繞過階梯坎后在沖刷坑內(nèi)重新進(jìn)入地表，如此持續(xù)進(jìn)行地表水與地下水的交換，并將滯留在河床中的污染物不斷驅(qū)至地表水，起到凈化河床的作用。可以將階梯-深潭結(jié)構(gòu)簡化為如圖2所示的二維模型，進(jìn)行潛流交換和污染物運(yùn)移模擬研究。

1.1 模擬過程

Sawyer等人在模擬跨河原木附近的潛流交換時(shí)，利用二維非恒定紊態(tài)條件下的平均雷諾數(shù)Navier-Stokes方程k-ω模型，較好地模擬了河流的水氣兩相流。本文參考Sawyer等人所用模型，用FLUENT和COMSOL軟件對地表水和地下水進(jìn)行耦合模擬，模擬過程分為3步：①用Gambit進(jìn)行地表水幾何建模和網(wǎng)格劃分，給定邊界類型；②用FLUENT讀取網(wǎng)格信息，設(shè)定邊界條件，選擇控制方程及迭代方法，計(jì)算得出河床界面壓力分布數(shù)據(jù)；③用COMSOL建立河床模型，導(dǎo)入河床界面壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算地下水流場，以穩(wěn)定的流場為基礎(chǔ)對污染物運(yùn)移過程進(jìn)行模擬。

1.2 模擬工況及參數(shù)

1.2.1 對比工況模擬參數(shù)

階梯-深潭結(jié)構(gòu)河床模擬尺寸即圖2所示，階梯坎上、下游河床長度均為2 m，厚度分別為0.8、0.6 m，階梯坎高度為0.2 m，坎后沖刷坑形態(tài)為試驗(yàn)室實(shí)測所得。平坦河床長度為4 m，河床厚度為0.6 m。階梯-深潭和平坦河床工況的地表水入口初始流速均設(shè)為0.3 m/s，河床平面坡度均為0.01，滲透系數(shù)為0.003 6 m/s，河床污染物相對濃度初始值均為1。

1.2.2 因素分析工況模擬參數(shù)

針對圖2的階梯-深潭結(jié)構(gòu)，進(jìn)行不同流量條件的21組數(shù)值模擬計(jì)算，河床平面坡度均為0.01，滲透系數(shù)為0.003 6 m/s，模擬地表水深由0.01 m遞增至0.4 m，入口流速由0.251 m/s 增加至1.585 m/s，單寬流量為模擬水深與流速的乘積，為0.002 5～0.633 9 m2/s，工況及參數(shù)如表1所示。

表1 因素分析工況參數(shù)Tab.1 Parameters of analysis factor cases

1.2.3 人工階梯-深潭工程模擬參數(shù)

模擬120 m長的順直河段，河床坡度為0.01，孔隙率為0.35，滲透系數(shù)為3×10-4m/s，河床污染物相對濃度初值均為1。依據(jù)階梯坎間距和高度的不同，設(shè)置5種工況，階梯坎及水流參數(shù)如表2所示。順直河段模擬中，僅考慮階梯坎引起的潛流交換作用，未設(shè)置沖刷坑。對5個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，得出相同河床坡度及單寬流量、不同坎高及坎間距條件下的河床污染面積隨時(shí)間的變化過程。

表2 人工階梯-深潭工況參數(shù)Tab.2 Parameters of artificial step-pool cases

2 分析與探討

2.1 階梯-深潭與平坦河床對比結(jié)果

圖3、圖4為階梯-深潭和平坦河床污染面積隨時(shí)間的變化過程，不難看出在階梯-深潭工況中，階梯坎上游河床污染物被不斷驅(qū)至階梯坎下游，并在沖刷坑進(jìn)入地表，使河床污染區(qū)域被凈水替換，清潔區(qū)域自階梯坎向上游不斷延伸，最終使整個(gè)區(qū)域的污染物被驅(qū)至地表水。階梯坎下游存在一條漸近線，當(dāng)清潔區(qū)域擴(kuò)大至漸近線時(shí)，替換速度明顯減緩，這是因?yàn)闈u近線下游的水頭變化梯度較小，地下水流速相對緩慢。

為了更直觀地對比發(fā)生在河床界面上的交換強(qiáng)度，將河床界面上的流速豎直分量Vy沿河床表示，如圖5所示?？梢钥闯觯教购哟仓?，上下游河床界面Vy基本為零，表明潛流交換作用微弱。而在階梯-深潭結(jié)構(gòu)中，自階梯坎上游1 m處水流向下進(jìn)入河床的速度逐漸增大，在階梯坎處可達(dá)0.003 m/s，在階梯坎下游沖刷坑位置由于水躍紊流影響，地下水的流出速度波動(dòng)較大，最大流出速度約0.005 m/s。

進(jìn)一步對河床界面上的Vy沿河床界面作積分，求得階梯-深潭結(jié)構(gòu)河床表面單位寬度上的交換量為8.13×10-4m2/s，平坦河床為2.192×10-5m2/s，前者約為后者的37倍。可見，在同樣的流速和水位條件下，階梯-深潭結(jié)構(gòu)能夠較大程度改變河流的水力學(xué)條件，加強(qiáng)受污染河床的污染物排出速率。

2.2 交換強(qiáng)度公式擬合

對21組相同坎高、不同流量條件的階梯-深潭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，定量表示階梯-深潭結(jié)構(gòu)潛流交換強(qiáng)度與單寬流量及坎高比(階梯坎處水深/階梯坎高度)的關(guān)系，如圖6、圖7所示。可以看出潛流交換強(qiáng)度和單寬流量、坎高比均呈冪函數(shù)關(guān)系，單寬流量和坎高比越大，則潛流交換量越大。當(dāng)單寬流量小于0.2 m2/s或坎高比小于0.4時(shí)，潛流交換強(qiáng)度受流量的影響較為顯著；隨著單寬流量的增大，潛流交換量的增加量逐漸減小。

2.3 人工階梯-深潭工程模擬分析

分析圖8的5組階梯-深潭工程中河床污染面積隨時(shí)間的變化情況，可以得如以下結(jié)論：①在初始階段，污染面積下降較快，當(dāng)下降至一定程度后變化非常緩慢。這是因?yàn)殡A梯坎間距較大，當(dāng)清潔區(qū)域擴(kuò)大至階梯坎下游漸近線后，交換強(qiáng)度降低，存在較大面積的污染物滯留，使得污染物難以在較短時(shí)間內(nèi)交換到地表。②不同坎高的污染面積下降曲線斜率差異顯著，在一定長度范圍的河流上，坎梯坎個(gè)數(shù)越多，潛流交換速率越大。由于在一定河床梯度下，階梯坎高度和數(shù)量呈反比，盡管單個(gè)階梯坎高度是減小的，但交換速率隨階梯坎數(shù)量的增多有明顯的加強(qiáng)趨勢。③對比階梯坎間距40和60 m時(shí)的污染面積下降曲線可知，階梯坎高為0.6和1.2 m時(shí)的下降速率基本一致。④當(dāng)階梯坎間距為30 m，高度為0.4 m時(shí)，在達(dá)到相對穩(wěn)定時(shí)的污染面積比最低。雖然在初始階段內(nèi)污染面積下降速度較階梯坎間距10和17 m時(shí)低，但隨著交換時(shí)間的持續(xù)，清污效果更為理想。因此在人工引入階梯-深潭結(jié)構(gòu)治理河床污染時(shí)，要綜合考慮階梯坎高度和間距，并根據(jù)不同的流量條件設(shè)計(jì)階梯-深潭方案。本文研究認(rèn)為較為合適的階梯坎間距為30 m、階梯坎高為0.4 m，可為階梯-深潭結(jié)構(gòu)河流治污工程提供一定參考。

3 結(jié) 論

通過FLUENT和COMSOL軟件相結(jié)合，能夠?qū)﹄A梯-深潭結(jié)構(gòu)中的地表水和地下水進(jìn)行較好的耦合模擬。與平坦河床相比，階梯-深潭結(jié)構(gòu)能夠大大提高潛流交換強(qiáng)度，加快河床污染物的排出。模擬分析可知單寬流量或坎高比越大，則潛流交換強(qiáng)度越大，用于小型河流污染治理的人工階梯坎合適高度為0.4 m，間距為30 m。由于實(shí)際的河流治污工程面臨的環(huán)境參數(shù)更為復(fù)雜，針對不同的河流流速、河床滲透系數(shù)等，最佳的階梯-深潭結(jié)構(gòu)方案有待進(jìn)一步研究。

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