洪峰径流期河床淤泥二维输运模型及灵敏度研究

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小流域水环境系统的输运情况随着降雨变化而发生显著变化。在降雨量大的时期,由于河流径流量大、流速增大,常年淤积在河床底部的淤泥会随着洪峰径流一起被卷吸入河流中并输出流域,其输出量远大于在河道污染物在本时期的沉积量。在非降雨时期,由于河道流速降低,河段上游输入的有机物由于生物富集作用沉积在河道缓流速区域,随着时间增长而不断累积。由于淤积在河道底部的淤泥具有储存、释放污染物的作用,特别是在冲淤阶段大量的释放,会直接导致水生生态系统的崩溃,危害作用甚至超过直接输入污染物。本课题通过研究釜溪河不同降雨时期、不同时间段的冲淤规律,分析洪峰径流期河道冲淤输运时间、速率。并建立二维输运模型,计算在小尺度时间情况下淤泥释放的示踪剂TP在研究断面内的横向、纵向输运规律,确定淤泥的时空分布规律,为小流域城区河段水污染防治及河道清淤规模、频率提供具有科学依据的理论技术支撑,预防洪峰径流期冲淤过程严重破坏当地水环境生态系统。(1)釜溪河水体的TP指标浓度峰值超过V类水质标准,大多数时间超过IV标准,平均在IV类水质指标水平以上。5个评价指标中TP超标占比最为严重,是主要的污染源。两个监测断面的TP浓度有较大差距,2015~2017年釜溪河两个断面TP浓度总体呈降低趋势,由于其TP的输入主要来源于城区的工业废水、居民生活污水和农业污染源。TP平均浓度的降低可能是因为无磷洗涤剂替代传统洗涤剂,生活污水磷排放大幅降低和政府开始控制工业污水排出指标有关,致使其断面TP监测浓度呈下降趋势。(2)双河口-碳研所断面单次降雨量25mm以下,峰值流量低于6.5m~3/s,峰值流速低于0.3m/s。单次降雨量达到70mm以上,峰值流量高于18.2m~3/s,峰值流速高于0.46m/s。断面输运时间在5.53~24.54h,2015年峰值流量出现在9月为58.86m~3/s,2016年峰值流量出现在6月为54.07m~3/s,2017年峰值流量出现在8月为33.63m~3/s。因此城区河段在雨季时期河道流速非常大,以至于大量卷吸河床底部的淤泥,淤泥中释放的有机物可随水流输运至河道下游。(3)在城区河道示踪剂TP输入、输出量中,示踪剂TP的输入量在0.836kg/月~0.958kg/月,输入量随雨量的增大有所增加,每年雨季6-9月的输入量均大于其他月份,示踪剂TP的输出量在雨季期间均远大于降雨量小的时期,因为示踪剂TP输入、输出量与洪峰径流有密切相关的联系,故采用二维输运模型符合城区河道输运模式。(4)河床底部输入的示踪剂TP进入河道后随水流向两岸和下游不断前移扩散,各个断面示踪剂TP浓度随输运时间的增大而持续增加,但这种浓度增加的速率较低,随着时间推移,示踪剂TP的浓度变化较小,这是由于河水中示踪剂TP的浓度逐渐增大接近于河床底部淤泥被卷吸的示踪剂TP浓度后,河道内部水体接近于平稳状态,水中示踪剂TP浓度接近最大值。示踪剂TP二维输运模型参数取值中横向离散系数Dy、淤泥垂向扩散系数k、淤泥层厚度δ的扰动对预测结果影响最大。
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