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%。     

基于暂储理论的源头溪流营养盐滞留研究进展

源头溪流是流域污染负荷控制的关键节点。源头溪流接纳流域内输入的污染物后,通过促进污染物在河道内的滞留及消减,降低对流域下游的输出,为下游水域水环境治理减轻压力。本文从暂储理论出发,对源头溪流营养盐滞留的研究进行了综述。介绍了暂储的定义,探讨了影响暂储区的水文、地形地貌及生物因素,分析了暂储区对溪流中营养盐滞留的作用,辨析了目前研究中存在的不足,指出未来宜在国内诸多源头溪流尽快开展相关工作,研究暂储区变化对营养盐滞留的影响机理,从而为下游流域污染负荷削减、河流廊道生态恢复提供支撑。     

芦苇占优势农田溪流营养盐滞留的水文和生物贡献分析

为解析大型水生植物大量生长情形的源头溪流营养盐滞留的水文、生物作用贡献,于2014年9月—2015年6月在南淝河流域某一芦苇占显著优势的农田源头溪流段,开展8次野外示踪实验,计算渠段雷诺数Re、弗劳德数Fr、曼宁糙率系数n等水动力学参数,估算NH4+、PO43-的总滞留率以及水文、生物过程的实际滞留贡献率和相对滞留贡献率。结果表明,整个研究期间溪流水体表现出显著的紊流特征,水流流态属于缓流类型,渠道曼宁糙率系数n变化范围为0.066~0.112,平均值为0.089;NH4+总滞留损失率变化范围为9.17%~28.27%,平均值为14.68%,水文作用和生物过程对NH4+实际滞留贡献率平均值分别为10.12%和4.57%,相对贡献率平均值分别为72.51%和27.49%,表明NH4+滞留损失主要来自水文过程的影响;PO43-总滞留损失率变化范围为5.75%~17.79%,平均值为12.53%,水文作用和生物过程对PO43-实际滞留贡献率平均值分别为10.12%和2.41%,相对贡献率平均值分别为81.42%和18.58%,表明PO43-滞留损失也主要来自水文因素的影响;n与Re、Fr和Q均呈显著的幂函数关系,而实际滞留率ηNH4、ηPO4与n、Re之间均没有表现出明显的相关关系。     

丁坝水流的水槽试验及数值模拟研究

该文进行了丁坝绕流水槽试验,采用测压管和激光多普勒测速仪(LDV)测量了正交绕流单丁坝附近的水位和流速,同时利用商用软件CFX,基于有限体积法,采用k-ε湍流模型,数值模拟了丁坝附近水流的三维流动过程,并将水槽试验结果与数值模拟结果进行了对比分析.实验结果表明,该模型能有效地模拟丁坝附近区域复杂的水流特征,可以在河道整治过程中为丁坝的设计提供基础数据.     

丁坝群附近流场的三维数值模拟研究

丁坝具有导流、护岸、调整水深和营造局部冲淤等众多功能,在实际工程中应用广泛。文章采用有限体积法对正挑丁坝群的周围流场分布进行了三维数值模拟,以期深化对丁坝群附近的水流流场及局部冲刷机理的认识。研究发现,流场中有三个大的逆时针旋涡产生,第一座丁坝坝头处有下潜水流,且切应力达到最大值,是该位置发生严重冲刷的主要原因,且流量越大,冲刷越严重。     

溢流丁坝附近自由水面的实验研究与数值模拟

在整治河道中，丁坝的存在使得丁坝附近自由水面及流场的三维特性非常突出，对这种三维特性非常突出的自由水面和流场的模拟在计算流体力学的应用中一直是个难点。作者对溢流丁坝附近的自由水面进行了实验研究，应用VOF方法和标准的k～ε模型耦合求解对丁坝附近自由水面的模拟，模拟结果与实测值吻合较好，说明VOF方法可以在丁坝附近自由水面的计算中应用推广。同时，还对溢流丁坝附近的流场进行了预测。     

丁坝冲刷的三维紊流模拟研究

丁坝附近的流态和冲刷情况在工程中一直受到人们的重视.本文采用三维RNG紊流模型,结合璧面函数法,利用VOF方法和空度方法处理不规则边界、河床变形及自由水面,采用不平衡推移质输沙模型,同时考虑床面坡度对推移质输沙及临界启动切应力的综合影响,精细模拟了丁坝附近的流场、地形冲淤变化、冲刷坑形态等,并把计算结果与实验资料进行了对比分析,二者吻合较好.模型准确的反映了丁坝局部流态、冲刷的过程和特征.     

进口流速对丁坝回流长度影响的数值模拟研究

运用计算流体力学（CFD）方法,对宽浅河道中非淹没丁坝的流场进行二维数值模拟研究。模拟结果显示RNGk-s模型能够较好地描述出丁坝下游实际回流特征的产生,扩散及消失过程,能够较好地模拟丁坝下游的回流尺度。最后采用此模型模拟不同进口流速在相同条件下的流场结构,通过量纲分析与数值模拟结果的比较分析得到进口流速对回流尺度影响的关系式。进口流速越大,回流边线越长越宽。研究结果对丁坝的设计与施工,具有一定的参考意义。     

双丁坝间流场及局部冲刷的数值模拟研究

因双丁坝对河道流场及泥沙冲淤的影响有别于单丁坝,选取实际河道丁坝群中的双丁坝建立三维模型,并拟定5种对比方案,基于计算流体力学(CFD)数值模拟的方法,采用RNG k-ε模型和VOF法捕捉液体自由面进行模拟计算,对比分析了双丁坝协同工作时的水沙运动特性。流速与冲刷深度计算结果表明,当双丁坝长度相差大于10m时,易形成不均匀的河道流场,不利于河势控制;当首、次丁坝长度协调时,冲刷坑尺寸较小,坝间河岸被双丁坝回流区掩护,近岸流速较小,河道流场均匀,对丁坝稳定、河道治理与河势控制效果较好。     

控制和减少“丁坝”下游回流尺度的试验研究

由于流动边界出现凸出障碍物引起边界层分离，导致回流发展，水流流态恶化等，采用吸、喷水方法，在凸出障碍物与水流平行的边界略上部位将边界层水流吸走，并在其下游喷水，以减小回流范围和强度，水槽试验表明，吸、喷水量为水槽中总流量的1．5％－2％时，回流长度将减小70％－80％。     

长江上游透水丁坝水面线分布试验研究

丁坝是长江上游航道整治中最常用的整治建筑物,工程实践中多采用抛石透水丁坝,此类丁坝具有一定透水性, 在现有丁坝水沙特性研究中极少考虑透水性对此类丁坝的影响。不同的空隙率和空隙尺寸对改善透水丁坝附近水位场及流速场具有不同效果。通过水槽概化模型试验,研究了3种空隙尺寸和5种空隙率工况下透水丁坝周围水面线分布情况,对比分析了不同空隙率和不同空隙尺寸等因素对透水丁坝周围水面线的影响规律。结果表明:相比实体丁坝,在一定的空隙率和空隙尺寸条件下,透水丁坝对其上游的壅水效果更佳,同时还可增加其下游水深,降低纵横向水面比降,对改善丁坝右侧束窄段水流形态、减轻丁坝水毁、延长其使用年限以及改善生态环境等方面也具有更积极的作用。     

淹没丁坝群壅水试验研究

根据流体力学理论，将非淹没丁坝的研究成果应用于淹没丁坝。结合试验资料，应用因次分析方法及动量方程，导得了对不同间距的淹没丁坝群的壅水计算式。计算结果与水槽中淹没丁坝群的实测资料相符合。     

潘家口水库氮与磷营养盐的时空变化及滞留效应分析

潘家口水库是华北地区的重要水源,对保障区域供水安全发挥着重要作用。本文以该水库为研究对象,分析了建库以来水库氮、磷营养盐的时空变化特征、滞留效应。结果表明：建库以来水库TP浓度呈上升趋势,最高达到0.37 mg/L;库区TN、硝酸盐的浓度较高,年际变化小,近15年平均浓度分别为4.4 mg/L、3.5 mg/L,氨氮浓度基本低于0.5 mg/L。库区氮、磷以滞留为主,其浓度主要受来水影响;磷的滞留效率呈下降趋势,近5年滞留效率为-6%;氨氮滞留效率一直较高,近5年滞留效率为72%;硝酸盐滞留效率呈增加趋势,近5年滞留效率为20%,硝酸盐和磷的滞留效应呈显著的负相关关系。结合垂向水质监测的分析表明,近年来库底存在内源污染的显著释放和反硝化脱氮。潘家口水库库底沉积物污染严重,内源污染将是未来水库水质恶化的潜在风险。为了保证水库的供水水质,抑制库区内源污染的释放,建议水库尽量保持高水位运行。     

Application of nitrogen and phosphorus criteria for streams in agricultural landscapes

Efforts to control eutrophication of water resources in agriculturally dominated ecosystems have focused on managing on-farm activities to reduce nutrient loss; however, another management measure for improving water quality is adoption of environmental performance criteria (or 'outcome-based standards'). Here, we review approaches for setting environmental quality criteria for nutrients, summarize approaches developed in Canada for setting 'ideal' and 'achievable' nutrient criteria for streams in agricultural watersheds, and consider how such criteria could be applied. As part of a 'National Agri-Environmental Standards Initiative', the Government of Canada committed to the development of non-regulatory environmental performance standards that establish total P (TP) and total N (TN) concentrations to protect ecological condition of agricultural streams. Application of four approaches for defining ideal standards using only chemistry data resulted in values for TP and TN spanning a relatively narrow range of concentrations within a given ecoregion. Cross-calibration of these chemically derived standards with information on biological condition resulted in recommendations for TP and TN that would likely protect aquatic life from adverse effects of eutrophication. Non-point source water quality modelling was then conducted in a specific watershed to estimate achievable standards, i.e. chemical conditions that could be attained using currently available and recommended management practices. Our research showed that, taken together, short-term achievable standards and ultimate ideal standards could be used to set policy targets that should, if realized, lower N and P concentrations in Canadian agricultural streams and improve biotic condition.     

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。     

对口丁坝双岸整治对黄河下游河道冲淤的影响

选取低含沙水沙系列、枯水多沙水沙系列以及规划设计的未来50 a水沙系列,利用黄河下游一维水沙数学模型,模拟计算了对口丁坝双岸治理方案下黄河下游河道在3种水沙系列条件下的冲淤状况。结果表明,游荡性河段采用对口丁坝方案整治后,输沙能力得到了提高,该河段多输送的泥沙一半以上输送到利津以下,其余部分淤积在高村—利津河段,其中淤积以高村—艾山河段为主,艾山—利津河段的冲淤情况与现状相比变化不大。