【摘要】：定量示蹤試驗是表征巖溶管道溶質運移的有效手段,不僅能確定兩點之間的水力聯系,還能通過穿透曲線獲取溶質運移參數,正確解譯示蹤試驗穿透曲線是認識和預測巖溶管道溶質運移的基礎。野外監(jiān)測的穿透曲線常出現明顯拖尾,傳統(tǒng)對流彌散方程很難模擬這種現象,研究各種因素的影響對正確解譯穿透曲線具有重要意義。溶潭可能導致穿透曲線的明顯拖尾,流速對溶質暫時性儲存過程和穿透曲線的影響也非常復雜。研究溶潭和流速對巖溶管道溶質運移的影響對正確解譯野外示蹤試驗穿透曲線和預測溶質運移過程都具有非常重要的意義。設計三種巖溶管道結構:單管道,管道發(fā)育對稱溶潭(入口和出口位于一條直線)和管道發(fā)育不對稱溶潭(入口和出口處于對角線位置),采用Fluent軟件數值模擬巖溶管道內部物理過程,初步探討溶潭對巖溶管道流場和溶質運移過程的影響。流場模擬結果顯示,水流進溶潭時,部分水體滯留在對稱溶潭兩側內形成閉合漩渦回流,滯留在整個不對稱溶潭內形成流線不閉合的水流漩渦,不對稱溶潭內流速大于對稱溶潭兩側流速。溶質運移模擬結果顯示,溶質在溶潭中的暫時性儲存導致溶質運移滯后(穿透曲線明顯拖尾)。不對稱溶潭比對稱溶潭暫時性儲存更多的溶質,導致穿透曲線峰值濃度較低;但滯留在不對稱溶潭內的溶質以較快速率釋放回到主管道,導致曲線拖尾較短。在穿透曲線拖尾階段,對于對稱溶潭系統(tǒng),非流動區(qū)(溶潭)濃度明顯大于流動區(qū)(管道),而在不對稱溶潭中,大小相反,這與不對稱溶潭下游管道內的流場比較復雜有關。為了進一步研究溶潭對巖溶管道溶質運移的影響,設計單管、對稱水箱-管道(簡稱對稱水箱)和不對稱水箱-管道(簡稱不對稱水箱)結構,兩種水箱形態(tài)同Fluent模擬的溶潭一致,開展一系列室內示蹤實驗。在管道內瞬時注入氯化鈉示蹤溶液后,在管道出口處監(jiān)測穿透曲線。同時我們采用三種不同的模型,平衡模型(Equlibrium model,EM),線性圖解法(Linear graphical method,LGM)和兩區(qū)模型(Two-region nonequilibrium model,TRM),來研究管道內溶質運移過程和模型模擬的適用性。實驗結果表明,隨著水箱增多(從零增加到三個),穿透曲線峰值濃度逐漸降低,拖尾逐漸增長;單管添加對稱水箱之后峰現時間基本不變,添加不對稱水箱之后峰現時間明顯滯后;對稱水箱位置發(fā)生變化時,穿透曲線形態(tài)無明顯變化;相比對稱水箱,不對稱水箱峰值濃度較低,穿透曲線拖尾較短,但當水箱數量增加至三個時,不對稱水箱的峰值濃度高于對稱水箱。Qtracer參數顯示,隨著水箱增多(從零增加到三個),Chatwin彌散系數逐漸增大,溶質平均運移時間逐漸變長,運移時間方差逐漸增大,粘性底層逐漸變厚。對稱水箱的運移時間方差大于不對稱水箱,但兩種水箱的溶質平均運移時間和粘性底層厚度幾乎一致。模擬結果表明,平衡模型只能模擬單管穿透曲線,線性圖解法能較好模擬單管和不對稱水箱穿透曲線,但不能良好模擬對稱水箱穿透曲線,而兩區(qū)模型能很好模擬三種管道結構的穿透曲線,這是因為兩區(qū)模型通過分配系數和傳質系數能描述溶質在水箱內的暫時性儲存作用。兩區(qū)模型參數顯示,隨著水箱數量的增多,彌散系數逐漸增大,分配系數逐漸降低,傳質系數逐漸增大。水箱增多時,穿透曲線拖尾的增長主要與分配系數的降低有關。兩種水箱的分配系數相差不大,但不對稱水箱的傳質系數遠大于對稱水箱,說明傳質系數是導致兩種水箱穿透曲線形態(tài)不同的主要因素。水箱和管道水體之間的質量交換作用較弱是導致對稱水箱穿透曲線拖尾較短的主要原因。設計九種不同流速,分別在單管、對稱水箱-管道(簡稱對稱水箱)和不對稱水箱-管道(簡稱不對稱水箱)中開展多組示蹤實驗,系統(tǒng)探討流速對巖溶管道溶質運移的影響。實驗結果表明,隨著流速增大,穿透曲線的最大濃度逐漸增大,曲線拖尾逐漸縮短,示蹤羽持續(xù)時間逐漸縮短(曲線寬度變窄)。Chatwin彌散系數隨著流速增大的變化規(guī)律不明確。擬合穿透曲線特征參數-流量和其他特征參數-峰值時間的關系,利用兩種方法對指定流速條件下的穿透曲線特征參數進行預測。直接根據流量預測穿透曲線特征參數比先通過流量預測峰值時間,再預測其他特征參數的方法取得了更好的預測效果。分別采用對流彌散模型、兩區(qū)模型和暫時儲存模型(Transient storage model,TSM)模擬實驗穿透曲線,探討溶質運移參數隨流速的變化規(guī)律。模擬結果表明對流彌散模型能較好擬合單管的穿透曲線,但對水箱穿透曲線的擬合效果較差,而兩區(qū)模型和暫時儲存模型對水箱所有穿透曲線的擬合效果都很好。兩區(qū)模型中,分配系數和傳質系數與流速呈正相關,無量綱傳質系數與流速呈負相關。暫時儲存模型中,隨著流速增大,主通道截面積(main channel cross-sectional area)和交換系數呈明顯上升趨勢,存儲區(qū)截面積(storage zone cross-sectional area)、死端區(qū)比例和暫時儲存運移時間比例(fraction of median travel time due to transient storage)呈下降趨勢。隨著流速增大,不對稱水箱中參數變化規(guī)律比對稱水箱復雜,這主要與不對稱水箱中的溶質暫時性儲存過程更加復雜有關。不對稱水箱的交換系數明顯大于對稱水箱,存儲區(qū)停留時間和水力吸收長度明顯小于對稱水箱,這說明更多溶質粒子在研究段進入不對稱水箱存儲區(qū),不對稱水箱暫時性儲存的溶質較快釋放回到主通道,兩種水箱穿透曲線的差異主要與此有關。系統(tǒng)分析模型參數與管道結構和流速的關系對正確認識模型參數的物理機制以及溶質運移預測具有非常重要的意義。
【圖文】：

道溶質運移方程形式上與多孔介質中的傳統(tǒng)對流彌散方程一致。即隨著運移距離逡逑的增加，水流方向上的示蹤羽分布趨近高斯分布，穿透曲線的拖尾現象逐漸消失，逡逑如圖１－２Ａ所示。Ｔａｙｌｏｒ（１９５４）在實驗室驗證了流動距離足夠遠時小直徑（＜ｌｃｍ）玻逡逑璃管道紊流場中Ｆｉｃｋ定律的有效性。但在實際情況下，，由于巖溶管道中發(fā)育溶逡逑潭等復雜結構和其他一些原因，導致溶質運移滯后，穿透曲線往往隨著運移距離逡逑的增加而逐漸遠離高斯分布，曲線拖尾持續(xù)存在，如圖１－２Ｂ所示。逡逑３逡逑

主通道定義為對流彌散作用是主要運移機理的河流區(qū)域。存儲區(qū)定義為導致溶質逡逑暫時性儲存的河流區(qū)域（滯流區(qū)和河床多孔區(qū)）。相對主通道的水流，我們認為存逡逑儲區(qū)的水是不流動的。圖１－３描繪了影響主通道和存儲區(qū)中溶質濃度的過程。在逡逑主通道中，溶質通過對流和彌散向下游運移。作為非流動區(qū)，存儲區(qū)中不包含對逡逑流和彌散過程，忽略下游運移。側向入流表示流入主通道的水，如坡面流、壤中逡逑流和地下水排泄物。側向流出表示從主通道到周圍流域的排水。主通道和存儲區(qū)逡逑之間通過暫時性儲存過程相連接，由暫時性儲存引起的主通道和存儲區(qū)之間的溶逡逑質交換被模擬為一階質量傳遞過程。主通道和存儲區(qū)內都可能發(fā)生化學反應逡逑（Ｒｕｎｋｅｌ，１９９８），包括吸附和一階衰減。不考慮化學反應，只考慮物理過程，則方逡逑程適用于保守型溶質比如示蹤劑的運移，主通道和存儲區(qū)的質量守恒方程如下逡逑（Ｂｅｎｃａｌａ邋ａｎｄ邋Ｗａｌｔｅｒｓ，邋１９８３；邋Ｂｅｎｃａｌａ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１１）：逡逑ｆ＝＇ｆｆ４ｉ（＾ｆ）＋ａ（Ｃｓ＇Ｑ＋＾（Ｃｉ＿ｃ）邐（１－８）逡逑ｄＣｓ邐Ａ邐，逡逑—＝邋ａ邋�。ǎ茫眩┻姡ǎ保梗┻姡殄义希幔暨姡粒箦义掀渲校骸紴闀r間［Ｔ］；邋ｘ為注入點下游距離［Ｌ］；邋Ｃ和
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P642.25

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本文編號：2594531