【摘要】：定量示蹤試驗(yàn)是表征巖溶管道溶質(zhì)運(yùn)移的有效手段,不僅能確定兩點(diǎn)之間的水力聯(lián)系,還能通過(guò)穿透曲線獲取溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù),正確解譯示蹤試驗(yàn)穿透曲線是認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)巖溶管道溶質(zhì)運(yùn)移的基礎(chǔ)。野外監(jiān)測(cè)的穿透曲線常出現(xiàn)明顯拖尾,傳統(tǒng)對(duì)流彌散方程很難模擬這種現(xiàn)象,研究各種因素的影響對(duì)正確解譯穿透曲線具有重要意義。溶潭可能導(dǎo)致穿透曲線的明顯拖尾,流速對(duì)溶質(zhì)暫時(shí)性?xún)?chǔ)存過(guò)程和穿透曲線的影響也非常復(fù)雜。研究溶潭和流速對(duì)巖溶管道溶質(zhì)運(yùn)移的影響對(duì)正確解譯野外示蹤試驗(yàn)穿透曲線和預(yù)測(cè)溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程都具有非常重要的意義。設(shè)計(jì)三種巖溶管道結(jié)構(gòu):單管道,管道發(fā)育對(duì)稱(chēng)溶潭(入口和出口位于一條直線)和管道發(fā)育不對(duì)稱(chēng)溶潭(入口和出口處于對(duì)角線位置),采用Fluent軟件數(shù)值模擬巖溶管道內(nèi)部物理過(guò)程,初步探討溶潭對(duì)巖溶管道流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程的影響。流場(chǎng)模擬結(jié)果顯示,水流進(jìn)溶潭時(shí),部分水體滯留在對(duì)稱(chēng)溶潭兩側(cè)內(nèi)形成閉合漩渦回流,滯留在整個(gè)不對(duì)稱(chēng)溶潭內(nèi)形成流線不閉合的水流漩渦,不對(duì)稱(chēng)溶潭內(nèi)流速大于對(duì)稱(chēng)溶潭兩側(cè)流速。溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果顯示,溶質(zhì)在溶潭中的暫時(shí)性?xún)?chǔ)存導(dǎo)致溶質(zhì)運(yùn)移滯后(穿透曲線明顯拖尾)。不對(duì)稱(chēng)溶潭比對(duì)稱(chēng)溶潭暫時(shí)性?xún)?chǔ)存更多的溶質(zhì),導(dǎo)致穿透曲線峰值濃度較低;但滯留在不對(duì)稱(chēng)溶潭內(nèi)的溶質(zhì)以較快速率釋放回到主管道,導(dǎo)致曲線拖尾較短。在穿透曲線拖尾階段,對(duì)于對(duì)稱(chēng)溶潭系統(tǒng),非流動(dòng)區(qū)(溶潭)濃度明顯大于流動(dòng)區(qū)(管道),而在不對(duì)稱(chēng)溶潭中,大小相反,這與不對(duì)稱(chēng)溶潭下游管道內(nèi)的流場(chǎng)比較復(fù)雜有關(guān)。為了進(jìn)一步研究溶潭對(duì)巖溶管道溶質(zhì)運(yùn)移的影響,設(shè)計(jì)單管、對(duì)稱(chēng)水箱-管道(簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)水箱)和不對(duì)稱(chēng)水箱-管道(簡(jiǎn)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)水箱)結(jié)構(gòu),兩種水箱形態(tài)同F(xiàn)luent模擬的溶潭一致,開(kāi)展一系列室內(nèi)示蹤實(shí)驗(yàn)。在管道內(nèi)瞬時(shí)注入氯化鈉示蹤溶液后,在管道出口處監(jiān)測(cè)穿透曲線。同時(shí)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(lái)研究管道內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程和模型模擬的適用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著水箱增多(從零增加到三個(gè)),穿透曲線峰值濃度逐漸降低,拖尾逐漸增長(zhǎng);單管添加對(duì)稱(chēng)水箱之后峰現(xiàn)時(shí)間基本不變,添加不對(duì)稱(chēng)水箱之后峰現(xiàn)時(shí)間明顯滯后;對(duì)稱(chēng)水箱位置發(fā)生變化時(shí),穿透曲線形態(tài)無(wú)明顯變化;相比對(duì)稱(chēng)水箱,不對(duì)稱(chēng)水箱峰值濃度較低,穿透曲線拖尾較短,但當(dāng)水箱數(shù)量增加至三個(gè)時(shí),不對(duì)稱(chēng)水箱的峰值濃度高于對(duì)稱(chēng)水箱。Qtracer參數(shù)顯示,隨著水箱增多(從零增加到三個(gè)),Chatwin彌散系數(shù)逐漸增大,溶質(zhì)平均運(yùn)移時(shí)間逐漸變長(zhǎng),運(yùn)移時(shí)間方差逐漸增大,粘性底層逐漸變厚。對(duì)稱(chēng)水箱的運(yùn)移時(shí)間方差大于不對(duì)稱(chēng)水箱,但兩種水箱的溶質(zhì)平均運(yùn)移時(shí)間和粘性底層厚度幾乎一致。模擬結(jié)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(duì)稱(chēng)水箱穿透曲線,但不能良好模擬對(duì)稱(chēng)水箱穿透曲線,而兩區(qū)模型能很好模擬三種管道結(jié)構(gòu)的穿透曲線,這是因?yàn)閮蓞^(qū)模型通過(guò)分配系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)能描述溶質(zhì)在水箱內(nèi)的暫時(shí)性?xún)?chǔ)存作用。兩區(qū)模型參數(shù)顯示,隨著水箱數(shù)量的增多,彌散系數(shù)逐漸增大,分配系數(shù)逐漸降低,傳質(zhì)系數(shù)逐漸增大。水箱增多時(shí),穿透曲線拖尾的增長(zhǎng)主要與分配系數(shù)的降低有關(guān)。兩種水箱的分配系數(shù)相差不大,但不對(duì)稱(chēng)水箱的傳質(zhì)系數(shù)遠(yuǎn)大于對(duì)稱(chēng)水箱,說(shuō)明傳質(zhì)系數(shù)是導(dǎo)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(zhì)量交換作用較弱是導(dǎo)致對(duì)稱(chēng)水箱穿透曲線拖尾較短的主要原因。設(shè)計(jì)九種不同流速,分別在單管、對(duì)稱(chēng)水箱-管道(簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)水箱)和不對(duì)稱(chēng)水箱-管道(簡(jiǎn)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)水箱)中開(kāi)展多組示蹤實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)探討流速對(duì)巖溶管道溶質(zhì)運(yùn)移的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間逐漸縮短(曲線寬度變窄)。Chatwin彌散系數(shù)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(shù)-流量和其他特征參數(shù)-峰值時(shí)間的關(guān)系,利用兩種方法對(duì)指定流速條件下的穿透曲線特征參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。直接根據(jù)流量預(yù)測(cè)穿透曲線特征參數(shù)比先通過(guò)流量預(yù)測(cè)峰值時(shí)間,再預(yù)測(cè)其他特征參數(shù)的方法取得了更好的預(yù)測(cè)效果。分別采用對(duì)流彌散模型、兩區(qū)模型和暫時(shí)儲(chǔ)存模型(Transient storage model,TSM)模擬實(shí)驗(yàn)穿透曲線,探討溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)隨流速的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明對(duì)流彌散模型能較好擬合單管的穿透曲線,但對(duì)水箱穿透曲線的擬合效果較差,而兩區(qū)模型和暫時(shí)儲(chǔ)存模型對(duì)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(shù)和傳質(zhì)系數(shù)與流速呈正相關(guān),無(wú)量綱傳質(zhì)系數(shù)與流速呈負(fù)相關(guān)。暫時(shí)儲(chǔ)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(shù)呈明顯上升趨勢(shì),存儲(chǔ)區(qū)截面積(storage zone cross-sectional area)、死端區(qū)比例和暫時(shí)儲(chǔ)存運(yùn)移時(shí)間比例(fraction of median travel time due to transient storage)呈下降趨勢(shì)。隨著流速增大,不對(duì)稱(chēng)水箱中參數(shù)變化規(guī)律比對(duì)稱(chēng)水箱復(fù)雜,這主要與不對(duì)稱(chēng)水箱中的溶質(zhì)暫時(shí)性?xún)?chǔ)存過(guò)程更加復(fù)雜有關(guān)。不對(duì)稱(chēng)水箱的交換系數(shù)明顯大于對(duì)稱(chēng)水箱,存儲(chǔ)區(qū)停留時(shí)間和水力吸收長(zhǎng)度明顯小于對(duì)稱(chēng)水箱,這說(shuō)明更多溶質(zhì)粒子在研究段進(jìn)入不對(duì)稱(chēng)水箱存儲(chǔ)區(qū),不對(duì)稱(chēng)水箱暫時(shí)性?xún)?chǔ)存的溶質(zhì)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(guān)。系統(tǒng)分析模型參數(shù)與管道結(jié)構(gòu)和流速的關(guān)系對(duì)正確認(rèn)識(shí)模型參數(shù)的物理機(jī)制以及溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測(cè)具有非常重要的意義。
【圖文】：

道溶質(zhì)運(yùn)移方程形式上與多孔介質(zhì)中的傳統(tǒng)對(duì)流彌散方程一致。即隨著運(yùn)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(xiàn)象逐漸消失，逡逑如圖１－２Ａ所示。Ｔａｙｌｏｒ（１９５４）在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了流動(dòng)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)小直徑（＜ｌｃｍ）玻逡逑璃管道紊流場(chǎng)中Ｆｉｃｋ定律的有效性。但在實(shí)際情況下，，由于巖溶管道中發(fā)育溶逡逑潭等復(fù)雜結(jié)構(gòu)和其他一些原因，導(dǎo)致溶質(zhì)運(yùn)移滯后，穿透曲線往往隨著運(yùn)移距離逡逑的增加而逐漸遠(yuǎn)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(duì)流彌散作用是主要運(yùn)移機(jī)理的河流區(qū)域。存儲(chǔ)區(qū)定義為導(dǎo)致溶質(zhì)逡逑暫時(shí)性?xún)?chǔ)存的河流區(qū)域（滯流區(qū)和河床多孔區(qū)）。相對(duì)主通道的水流，我們認(rèn)為存逡逑儲(chǔ)區(qū)的水是不流動(dòng)的。圖１－３描繪了影響主通道和存儲(chǔ)區(qū)中溶質(zhì)濃度的過(guò)程。在逡逑主通道中，溶質(zhì)通過(guò)對(duì)流和彌散向下游運(yùn)移。作為非流動(dòng)區(qū)，存儲(chǔ)區(qū)中不包含對(duì)逡逑流和彌散過(guò)程，忽略下游運(yùn)移。側(cè)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(cè)向流出表示從主通道到周?chē)饔虻呐潘Ｖ魍ǖ篮痛鎯?chǔ)區(qū)逡逑之間通過(guò)暫時(shí)性?xún)?chǔ)存過(guò)程相連接，由暫時(shí)性?xún)?chǔ)存引起的主通道和存儲(chǔ)區(qū)之間的溶逡逑質(zhì)交換被模擬為一階質(zhì)量傳遞過(guò)程。主通道和存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)都可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)逡逑（Ｒｕｎｋｅｌ，１９９８），包括吸附和一階衰減。不考慮化學(xué)反應(yīng)，只考慮物理過(guò)程，則方逡逑程適用于保守型溶質(zhì)比如示蹤劑的運(yùn)移，主通道和存儲(chǔ)區(qū)的質(zhì)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邋丁（Ｃ－Ｑ）邐（１－９）邐ｉ逡逑ａｔ邐Ａｓ逡逑其中：〖為時(shí)間［Ｔ］；邋ｘ為注入點(diǎn)下游距離［Ｌ］；邋Ｃ和
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P642.25

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本文編號(hào)：2594531