多级拦水堰坝调控农田溪流营养盐滞留能力的仿真模拟

为揭示多级拦水堰坝对于低等级小河流营养盐滞留能力的影响,以巢湖流域某一典型的农田源头溪流为对象,在野外示踪实验和计算机模拟的基础上,针对构建的多级简易水坝,采用暂态存储和营养螺旋指标,仿真模拟多级拦水堰坝对于氮磷营养盐滞留能力的调控效果。结果表明:多级拦水堰坝Darcy-Weisbach阻力系数明显超过无堰坝情形,但其弗劳德数Fr和雷诺数Re则较无堰坝情景低些;多级拦水堰坝相应的交换长度Ls值较无堰坝情景低1~2个数量级,水力持留因子Rh则较无堰坝情景明显增大,表明多级拦水堰坝使溪流的暂态存储能力得到很大提升;在多级拦水堰坝情景下,NH4+和PO43-的吸收长度Sw均有大幅度的下降,其中NH4+削减幅度达70.27%~89.47%,PO43-为75.59%~81.92%;不仅如此,在多级堰坝情景下,NH4+和PO43-的物质传输系数Vf、吸收速率U均显著增大,表明多级拦水堰坝可以有效提高农田溪流氮磷营养盐的滞留潜力。     

芦苇占优势农田溪流营养盐滞留能力分析与评估

2014年9月—2015年4月,在合肥地区二十埠河流域的某一典型农田源头溪流段,选择以Na Cl为保守示踪剂,NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,采用恒速连续投加的方式,开展了7次野外现场示踪试验。在此基础上,利用OTIS模型和营养螺旋原理,从机制层面分析和评估芦苇占优势农田源头溪流氮磷营养盐滞留能力和滞留特征。结果表明,该芦苇占优势渠段的比值As/A明显超过一般源头溪流水体,暂态存储对于营养盐滞留有较大影响;NH4+和SRP的暂态存储区营养盐一阶吸收系数都较主流区高一个数量级,且所有吸收系数均为正值,表明芦苇占优势渠段具有氮、磷"汇"的功能;NH4+吸收长度明显低于SRP,特别是冬季和初春,意味着溪流对于NH4+的滞留能力超过SRP;NH4+和SRP的总滞留率分别为14.46%和10.73%,生物滞留率平均值分别为9.17%和3.67%;主流区流动水体和暂态存储区对于NH4+滞留的平均贡献率分别为43.12%、56.88%;对于SRP滞留的平均贡献率分别50.13%、49.87%。     

巢湖十五里河源头段暂态储存特征分析

为揭示巢湖十五里河源头段暂态存储区基本特征,选择氯化钠(NaCl)为示踪剂,开展现场示踪实验。在此基础上,利用OTIS应用程序包和OTIS-P参数优化软件估算OTIS模型扩散系数D、河道断面面积A、暂态存储区断面面积As和交换系数α,进而计算暂态存储指标值,并以SPSS统计软件进行回归分析。结果表明,十五里河源头段D、A、As和α均随水文条件而变化,且α大体处于10-5~10-3数量级;近半数的暂态存储行进时间中值所占比例F200med远低于10%,表明暂态存储区对于水力传输的影响较为不足;交换通量qs和侧向补给强度qL平均值分别为2.45×10-3、5.66×10-4m3/(s·m),表明该河段存在一定的侧向补给作用。在相关性方面,水文参数与暂态存储指标大都没有表现出相关关系。总的来说,渠道化现象降低了十五里河源头段暂态存储区的溶质滞留能力,增大了溶质负荷向河流下游传输的可能性。     

非淹没异侧双体丁坝水流恢复区长度计算

丁坝恢复区长度是认识丁坝群作用尺度的一个重要指标,目前关于这方面的研究成果不多。分别基于双丁坝断面流速分布相似划分准则（准则Ⅱ）和大尺度涡不相重叠的作用尺度划分准则（准则Ⅰ）计算两种间距阈值,然后将恢复区长度转化为上述两个阈值的差,利用率定后的RNG κ-ε紊流数学模型进行数值模拟试验。建立了准则Ⅰ下的间距阈值经验公式,结合前人提出的准则Ⅱ下间距阈值的经验公式获得非淹没异侧双体丁坝恢复区长度的计算经验公式。验证结果表明,该公式计算精度较高,有一定的应用价值,可为以后河流系统中丁坝群的合理布置提供一定的参考。     

潮汐河口丁坝布置对河床冲刷的影响研究

河流和与之相邻的港池、坝田之间,河流的滩槽之间,都发生着动量和质量交换。通过二维水沙模型以及理论模型分析了不同丁坝间距对河床冲刷的影响,研究发现:当丁坝间距逐渐增大时,坝头冲刷深度也逐渐增加,主槽内的冲刷分布变得不均匀;涨急和落急时刻坝田与主槽的水沙交换系数均在0.01～0.04之间;在涨急时刻,随着丁坝间距的增加其交换系数逐渐减小,并呈良好的线性关系;但在落急时刻,在丁坝间距为4倍坝长时交换系数最大;随着丁坝间距的增加,主槽的平均流速逐渐减小。整体呈现为随着丁坝间距的增加,主槽的平均冲刷深度逐渐减小。     

透水丁坝局部冲淤规律试验研究

试验研究了透水丁坝附近河床的冲淤特性,绘制了这一区域的等高线图,分别对不同透水率的透水丁坝附近河床冲淤后的纵向断面、横向断面以及坝轴断面各点高程变化进行了比较.结果表明,透水丁坝的最大冲刷深度小于不透水丁坝,但其下游侧有冲刷槽,其深度从坝根到坝头差距不大,且该冲槽宽度随透水率的增大而增大;透水丁坝对河床的有效影响长度比同样坝长的不透水丁坝略长,最大淤积高程则更高,透水率为30%时的影响长度最大.说明透水丁坝在自身防护和保护范围两方面均优于不透水丁坝.     

丁坝长度对弯道水力特性影响的数值模拟研究

于河道弯折处设置丁坝后,其水流特征显著改变,为探究该问题,采用RNG k-ε湍流模型及VOF模型对60°弯道内的单丁坝绕流进行了三维数值模拟,模拟中分别计算了设置3种丁坝的工况(模型单丁坝的长度分别为0. 15、0. 25、0. 35m)。基于数值计算的结果,重点对弯道流场结构、断面流速分布、湍流特征参数和液面特性等进行了分析探讨。研究表明:水流流经无丁坝的弯道,会对凹岸产生冲刷,凸岸造成淤积;丁坝的布设,加剧了凹、凸两岸的流速不均匀性,削弱了对凹岸的冲刷,调整了水面横比降;当丁坝长度增长,混流区的尺度变大,流体湍动能以及湍流黏度的强度和作用范围随之变大;在坝后流动分离区域,湍动能呈现最大值,在坝后旋涡中心区域,湍流黏度呈现最大值。     

淮北平原区沟渠控制排水与不同植被覆盖条件下农田氮磷流失特征分析

为综合分析沟渠控制排水与植被覆盖对淮北平原典型农田氮磷流失变化的影响，充分发挥农田沟渠生态服务功能和环境效益。本文以利辛试验区不同沟渠断面的氮磷观测点数据为依据，分析沟渠氮磷养分流失特征规律。研究表明：控制排水期间车辙大沟春店闸下游断面 TN、NO3--N 浓度分别较闸上游减少 24.3%、19.7%，闸上 TP 浓度较闸下虽未显著降低，但随时间变化动态波动表现放缓。控制排水条件下的排水沟渠中 TN 和 NO3--N 浓度变化对植被盖度高低有更显著的响应关系，植被生长状态较植被覆盖度对 TP 流失有更好的吸收拦蓄作用。因此，通过在淮北平原大沟采取控制排水措施能够有效减少农田氮素向下游流失，并能促进植物对氮、磷的吸收拦蓄作用。     

磷素在河流生态系统中滞留的研究进展

氮磷等生源要素在河流生态系统中的滞留过程控制其输出形态和通量,进而影响河流生态系统结构和功能。流域面源、点源输出不同形态的磷素(溶解态、颗粒态,无机磷、有机磷等)在河流系统运移过程中,会发生复杂的物理、化学、生物过程,改变磷素形态、降低磷素运移通量。河道渠化、排污、修建水库等活动改变了河流系统中磷素循环过程和最终趋向,降低了源头溪流磷素滞留量,加剧下游河流、湖泊等水体富营养化进程。本文通过梳理国内外河流磷素滞留主要研究,系统总结物质平衡法、模型法、螺旋结构法等研究方法的优缺点,分析河流系统中磷素滞留机制和主要影响因素,认为流量、流速、藻类吸收、外源输入和暂时存储区域是磷素滞留最重要影响因子,可以通过恢复河流系统水文模式、恢复河道形态、维持河流生境多样化等措施促进河流磷素滞留,对于流域水污染控制和河流生态保护具有重要意义。     

非淹没复式断面丁坝区的流速分布规律

复式断面丁坝是常见的航道整治建筑物。通过室内水槽试验开展非淹没复式断面丁坝流速分布规律研究。结果表明①表层合流速高速区主要出现在一级丁坝坝头下游外侧,二级丁坝长度b₂对高速区流速大小及平面分布形态具有明显影响,而弗劳德数Fr只影响高速区流速大小,表层横向流速平面分布接近扇形,最大横流可达试验流速的0.45倍;②横断面上纵向流速高速区位于一级丁坝坝头附近,强横流区位于二级丁坝前缘,均呈带状分布,b₂越大,带宽越小,高速区分布更为集中;③纵剖面上纵向流速最大值出现在丁坝下游靠近水面附近,其沿程位置随b₂的增大而上移,横向流速呈先增大后减小的变化,最大值出现在丁坝附近靠近槽底的部位,强横流区呈枫叶型分布。研究结果可为航道整治工程设计和丁坝水毁保护等提供参考。