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流速对雨洪水漫流下渗的影响分析

2020-12-29 来源:飒榕旅游知识分享网
第2期(第333期) [文章编号]1009-2846(2010)02-0003—06 吉林水利 2010年2月 流速对雨洪水漫流下渗的影响分析 贾承霖,刘鹏飞,孙阳,孔慧敏,程卫国 130012) (吉林大学环境与资源学院,吉林 长春[摘要] 流速主要通过影响介质表面淤积层的形成来影响雨洪水下渗,介质表面淤积层的形成跟雨洪水的含沙量和泥沙 的颗粒配比有很大关系.为使试验更接近于真实雨洪水下渗,通过以下两方面进行试验设计:一是设计、建立流动浑水 模拟下渗仪,该仪器不仅能提供处于稳定流速和扰动状态的浑水,而且还能使浑水以漫流形式均匀流经介质进行垂直一 雏流下渗I二是收集和分析野外雨洪水,根据分析结果配王不同含沙量和颗粒配比的雨洪水水样。让配置的雨洪水水样 分别在不同流速下流经单一中砂介质进行下渗,并在不同时段内测定下渗量,绘制下渗量大小随时间变化的曲线。分析 曲线得知雨洪水进行漫流下渗时,在流速争颗粒配比一定时,舍沙量越大,下渗量减小的越快,达到稳定所需时同越短, 最终的稳定下渗量都相等I在流速和含沙量一定时,泥土百分比越大,下渗量战小的越快,迭到稳定所需时间越长,最 终的稳定下渗量越小}在含沙量和颗粒配比一定时,流速越大,下渗量战小的越慢。达到稳定下渗量所需时间越长,最 终的稳定下渗量越大。 [关键词] 漉速;雨洪水;漫流l下渗量 [中图分类号]P333.2 [文献标识码] B 在我国,8O 以上的城市采用地下水为主要 (甚至唯一)的供水水源[6]。近年来随着用水量 的不断加大,地下水超采引起的地下水水位下 降、地面沉降等问题,几乎是所有以地下水为主 要供水水源城市所面临的共同问题。同时,我国 降水具有明显的季节性,在多雨季节易形成洪 1 试验设计 1.1雨洪水水样的配置 1.1.1野外代表性雨洪水样品采集 为了使室内实验尽可能接近实际,本次研究 水,因此如何快速有效的将雨洪水转化为地下水 资源,利用地下储水空间的调节性来实现雨洪的 资源化,越来越受到各相关部门的关注。 在将雨洪资源转化为地下水资源的过程中, 渗透过程是其中一个关键和重要的环节。近年 来,我国许多学者对静止浑水下渗时受浑水的含 沙量、泥沙颗粒配比、下渗介质表面的覆盖物以 在三次大型降雨期间,采集野外不同代表性地点 实际发生的雨洪水,并进行了含沙量和颗粒配比 分析,分析结果见表1。 表l 各收集地点水样的情况 及介质情况等因素的影响进行了研究,提出了许 多浑水下渗模型和下渗规律。例如姚雷、马明吉 对浑水入渗的滞留物分布特征及影响因素进行了 研究[2 ;张光辉、费宇红对降水补给地下水过 1.1.2 雨洪水水样的配置 试验中用的中砂介质的粒径为0.35— 0.5mm,配置雨洪水水样的泥土和砂土的颗粒 配比情况如表2,3所示。 从表1可看出收集的天然雨洪水的含沙量在 程中,包气带变化对人渗的影响进行了研究[1]。 目前对流动浑水的下渗研究较少,本次研究 通过配置不同含沙量和颗粒配比的雨洪水水样, 0.3 一1.8 之间,泥沙中砂粒(粒径大于 0.05mm)占的百分比在45.3%一8O.2 之间; 从表2可看出泥土中砂粒占5O%左右;从表3 让其分别在不同流速下流经单一中砂介质,观测 下渗量的变化情况,分析不同的含沙量和颗粒配 比情况下,流速对雨洪水下渗的影响机制。 [收稿日期]2009—10一l9 基金号2OO7C64258 中可看出砂土中的颗粒均为砂粒。因此,试验中 [作者简介]贾承霖(1998一),男,吉林大学环境与膏;醺学院水文与水资源专业06级本科生,家乡是黑龙江省哈尔滨市。 一3一 吉林水利 流速对雨洪水漫流下渗的影响分析 贾承霖等 2010年2月 所配水样的含沙量选择为0.5 、1.O%、 1.5 ,泥沙中泥土百分比选择为8OVoo、6O 、 4O ,具体雨洪水水样如表4所示。 表2 泥土颗粒配比 粒径(mm) 百分含量(%) <0.02 10.78 O.OZ—O.04 35. 1O 0.04—0.06 15. 10 0.06—0.O8 1O. 16 0.08一O.10 7.04 0.10一O.12 5. 6Z 0.12一O.14 4. 76 0.14—0.16 3.36 表4 配置的雨洪水水样表 O.5% I 1.O 2 4 5 2.O% 3 注;l表示某种水样的含沙量为0.5%,泥土百分比为8O% 1.2实验仪器 主要仪器设备:流动雨洪水模拟下渗仪、颗 粒分析仪、秒表等。 流动雨洪水模拟下渗仪分三个部分: 1)给水装置:装置是在流动雨洪水模拟下 渗仪的基础上进行设计改造的。由于流动雨洪水 模拟下渗仪提供的流速过小,为使流速达到一定 值,通过抬高恒水位水箱中挡板的高度,来提高 水头,进而增大水流流速。流动雨洪水模拟下渗 仪出水阀门用pvc管下接到连接装置。 仪器原理:仪器使水样处于稳定流动和扰动 状态,同水箱的恒定水位可保证出水阀门处产生 稳定流速的水流,水泵抽水可使水样保持扰动状 态。流动雨洪水模拟下渗仪装置如图1所示: 2)连接装置:连接装置是矩形槽(如图2 所示),给水装置的pvc管连接矩形槽末端的弯 管,当水流经过时,该装置可使水流由管流状态 —— 4—— 圈1流动雨洪水模拟下渗仪装置 过渡到漫流状态;连接装置前端接渗流槽,可保 证水流以漫流形式均匀流经渗流槽中砂介质。 图2连接装置 3)下渗及排水装置(装置如3所示): 选取渗流槽一部分填充中砂介质,砂柱体积 为(12*12*3O)cm。,这样可保证水流的来水 量大于下渗量,并在砂柱一侧安装两组测压管, 渗流槽空余部分用泡沫填充,保证砂柱的稳定 性。 在渗流槽空余部分表面用塑料布覆盖,使流 经中砂介质的剩余水流平缓流入渗流槽排水装置 中。 在渗流槽中下部安装一透水板,并且将渗流 槽前后两端的透水板密封,从而可得到垂向一维 流,同时也保证下渗水流迅速排出。 1.3 实验过程 1)将配好的雨洪水水样倒入伯努利方程试 验仪水箱中,打开水泵,使伯努利方程试验仪上 面蓄水箱的水保持溢流状态,同时不断在水箱和 蓄水箱中搅动,使水样始终保持浑浊状态。之后 将清水倒入渗流槽的中砂介质中,使中砂介质处 于饱水状态。 吉林水利 流速对雨洪水漫流下渗的影响分析 贾承霖等 2010年2月 图3 渗及排水装置 2)打开阀门,水样流经渗流槽进行下渗实 验。分别在第3、6、9、12、15、20、25、30、 35、4O、45分钟内收集下渗的雨洪水,同时观 测测压管的水头变化情况。 3)每个下渗试验进行三次重复试验,每个 时段的下渗量取其平均值。共计进行48个下渗 试验,每个下渗试验历时45min。 1.4实验对比方案 1)通过毕托管原理测定流速,知实验仪器 能提供的最大流速为20cm/s。用清水分别在 8cm/s,15cm/s,20cm/s三种流速下进行漫流 下渗试验,作为对照。 2)将配好的五种水样分别在三种流速下进 行漫流下渗试验,比较五种水样下渗量变化情 况。 2 实验结果及分析 流速通过影响介质表面淤积层的形成来影响 雨洪水下渗,淤积层的形成跟雨洪水水样的含沙 量和泥沙的颗粒配比有很大关系,因此从含沙量 和颗粒配比两方面来分析流速对雨洪水下渗的影 响机制。 2.1清水下渗 图4是清水下渗时下渗量变化情况,从图4 可看出固定流速下,清水漫流下渗时,不同时段 内的下渗量大小的变化幅度很小;不同流速下, 下渗量大小的变化情况几乎相同。在介质处于饱 和状态时,清水下渗中能引起下渗量大小变化的 因素是位置水头的大小,试验中不同流速下清水 下渗量变化几乎相同,说明流速的变化不会引起 明显的位置水头变化,流速对位置水头的影响可 忽略。 图4不同流速下清水下渗的下渗量大小变化图 注;小、中、大代表流速分别为8cm/s,15cm/s, 2Ocm/s,Q代表下渗量. 2.2测压管水位变化情况 在每组下渗试验中,测压管的水位刚开始不 发生变化,然后慢慢下降,最后达到稳定,所有 下渗试验中这个过程最多需要六分钟。随着淤积 层的形成,下渗量越来越小,使中砂介质由饱和 状态逐渐变为不饱和状态,进而使测压管水头不 发生变化,由此可知在六分钟前淤积层已经对下 渗量产生明显的影响。 l8咖湖啪喜}0一 2.3含沙量与流速对雨洪水下渗的影响分析 2.3.1 不同含沙量水样的下渗量大小变化对比 图5不同含沙量水祥的下渗量大小变化对比图 注:8O代表泥土和砂土的混合中泥土质量占8O%I 5、 1.0、2.0分别代表水样含沙量为0.5 、1.0 、1.5%,小、 中、大分别代表下渗时流速为v小=8cm/s、v中=15cm/s、v 大=20cm/s,Q代表下渗量,下面各图中的含义同图3相同。 一5一 吉林水利 流速对雨洪水漫流下渗的影响分析 贾承霖等 2010年2月 图5中所有水样的颗粒配比相同,且a、b、 c三个图中各自的三个水样的流速也相同,单独 分析a、b、C三个图可得出: 1)相同流速和颗粒配比的水样的下渗量都 .随着时间的增长而减小,最后趋于一个稳定值。 水样流经介质时有泥沙沉积下来,逐渐形成一层 比中砂介质渗透率小的淤积层,下渗量减小,当 渗透率不变时,下渗量达到稳定。 2)相同流速和颗粒配比情况下,含沙量大 的水样的下渗量随时间的增长减小快并最先达到 稳定。含沙量大的水样在相同时间内沉积的颗粒 多,形成淤积层的速率快,下渗量减小快,最先 达到稳定。 3)相同流速和颗粒配比的水样的下渗量最 后都趋向于同一个值,与含沙量大小无关。相同 流速的水流冲刷作用和挟沙能力相同,因此无论 含沙量的大小,同流速下形成的淤积层的渗透率 相同,稳定下渗量也相同。 对比a、b、c三个图可看出: 4)流速越大,不同含沙量水样的下渗量变 化曲线形态越接近,下渗量大小变化越接近。随 一娜 湖 0 0 0 Ⅲ 的 0 0 O 着流速的增大,水流的冲刷作用和挟沙能力变 强,沉积下来形成淤积层的颗粒越来越少,颗粒 的粒径越来越大,形成的淤积层的渗透率越来越 大,当流速增大到一定程度,水流的冲刷作用和 挟沙能力很强,几乎没有颗粒沉积下来形成淤积 层,此时可近似看作清水下渗。 2.3.2 不同流速水样的下渗量大小变化对比 图6中所有水样的颗粒配比相同,且a、b、 c三个图中各自的三个水样的含沙量也相同,单 独分析a、b、c三个图可得出: 1)流速越大,下渗量减小的越慢,下渗量 达到稳定所需的时间越长,稳定下渗量也越大。 随着流速的增大,水流的冲刷作用和挟沙能力变 强,单位时间内沉降的颗粒减少,渗透率减小 慢,从而下渗量减小也慢。同时形成稳定淤积层 所需时间变长,下渗量达到稳定所需时间也变 长。在大流速下先沉降的颗粒较大,形成稳定淤 积层的渗透率较大,稳定下渗量较大。 对比a、b、C三个图可得出: 2)含沙量越小,不同流速水样的下渗量变 化曲线形态越接近,下渗量大小变化越接近。随 着含沙量的减少,单位时间内沉积到介质表面的 颗粒减少,形成稳定淤积层所需时间变长,当含 沙量接近零时,所需时间无限长,此时都可近似 一6一 看作清水下渗。 图6不同流速水样的下渗量大小变化对比图 2.4颗粒配比与流速对雨洪水下渗的影响分析 2.4.1 不同颗粒配比水样的下渗量大小变化对 比 图7中所有水样的含沙量相同,且a、b、C 三个图中各自的三个水样的流速也相同,单独分 析a、b、C三个图可得出: 1)相同流速和含沙量水样的下渗量都随着 时间的增长而减少,最后趋于一个稳定值。雨洪 水水样流经介质时有泥沙沉积下来,逐渐形成一 层比中砂介质渗透率小的淤积层,下渗量减少, 当淤积层渗透率不变时,下渗量达到稳定。 2)相同流速和含沙量情况下,泥土百分比 大的水样下渗量随时间增长减小快,但下渗量最 后达到稳定。泥土百分比大的水样在介质表面形 成淤积层时,淤积层中的小颗粒含量高,渗透率 小,下渗量减小快。泥土百分比大的水样小颗粒 多,被水流冲走的颗粒较多,形成稳定淤积层的 时间较长,下渗量达到稳定所需时间较长。 3)相同流速和含沙量情况下泥土百分比大 的水样稳定下渗量较小。泥土百分比大的水样沉 积小颗粒所占比例较大,形成的淤积层的渗透率 吉林水利 流速对雨洪水漫流下渗的影响分析 贾承霖等 2010年2月 ∞ ∞蝎 m 较小,稳定下渗量较小。∞∞∞∞ ∞∞0 对比a、b、C三个图可得: 图7不同颗粒配比水样的下渗量大小变化对比图 4)流速越大,不同颗粒配比水样的下渗量 变化曲线形态越接近,下渗量大小变化越接近。 随着流速的增大,水流的冲刷作用和挟沙能力变 强,沉积下来形成淤积层的颗粒越来越少,颗粒 的粒径越来越大,形成的淤积层的渗透率越来越 大,当流速增大到一定程度,水流的冲刷作用和 挟沙能力很强,几乎没有颗粒沉积下来形成淤积 层,此时可近似看作清水下渗。 2.4.2不同流速水样的下渗量大小变化对比 图8中所有水样的含沙量相同,且a、b、c 三个图中各自的三个水样的颗粒配比也相同,单 独分析a、b、c三个图可得出: 1)流速越大,下渗量减小的越慢,下渗量 达到稳定所需的时间越长,稳定下渗量也越大。 随着流速的增大,水流的冲刷作用和挟沙能力变 强,单位时间内沉降的颗粒减少,渗透率减小 慢,从而下渗量减小也慢。同时形成稳定淤积层 所需时间变长,下渗量达到稳定所需时间也变 长。在大流速下先沉降的颗粒较大,形成稳定淤 积层的渗透率较大,稳定下渗量较大。 2500 ;2000 l】500 l1000 :500  :,0 2500 2000 1500 1000 500 0 啪 柳 啪 Ⅲ ∞ O 0 O O 0 0 一 一 图8不同流速水样的下渗量大小变化对比图 对比a、b、C三个图可得: 2)泥土百分越小,不同流速水样下渗量变 化曲线形态越接近,下渗量大小变化越接近。随 着泥土百分比减小,大颗粒占的百分比越来越 大,水流能冲走的颗粒越少,不同流速下沉积的 颗粒越来越接近,因流速不同而引起淤积层渗透 率的差异越来越小,下渗量变化曲线的形态越来 越接近。 3 结 语 本文从含沙量和颗粒配比两方面分析了流速 对雨洪水漫流下渗的影响,得出以下结论: 1)清水进行漫流下渗时,相同位置水头下, 下渗量的大小不受流速大小的影响。 2)雨洪水进行漫流下渗时,在流速和颗粒 配比一定时,含沙量越大,下渗量减小的越快, 达到稳定所需时间越短,最终的稳定下渗量都相 等;对于不同流速的雨洪水,含沙量越小,下渗 量大小变化越接近。 3)雨洪水进行漫流下渗时,在流速和含沙 量一定时,泥土百分比越大,下渗量减小的越 一7一 吉林水利 流速对雨洪水漫流下渗的影响分析 贾承霖等2010年2月 快,、达到稳定所需时间越长,最终的稳定下渗量 入渗的影响[J]水利学报,2007,38(5);61l--616. 越小;对于不同流速的雨洪水,泥土百分比越 Y23武晟,汪志荣,张建丰等.不同下垫面径流系数与雨强及 小,下渗量大小变化越接近。 历时关系的实验研究[J]中国农业大学学报.2006.11 (5):55—59. 4)雨洪水进行漫流下渗时,在含沙量和颗 [3]姚雷,马吉明,任理等.浑水入渗的滞留物分布特征及影 粒配比一定时,流速越大,下渗量减小的越慢, 响因素分析[J]水利发电,2004,30(11):20—22. 达到稳定下渗量所需时间越长,最终的稳定下渗 [43白丹,李占斌,洪小康等.浑水入渗规律试验研究[J]土 量越大;对于不同含沙量和颗粒配比的雨洪水, 壤侵蚀与水土保持学报,1999,5(1):59—62. 流速越大,下渗量大小变化越接近。口 [5]王文焰,张建丰等.黄土浑水入渗能力的试验研究[J]水 土保持学报,1994,8(1):59--63. [6]杨素宜.浑水入渗规律及畦灌补源技术研究[D]中国优秀 参考文献: 博硕士学位论文全文数据库(硕士),2006,(12). [1]张光辉。费宇红等.降水补给地下水过程中包气带变化对 Analysis for the impact of velocity on controlled flooding percolation Jia Cheng--lin,Liu Peng--fei,Sun Yang,Kong Hui—min,Cheng Wei--guo Abstract:Flow impacts flooding percolation mainly by infecting the formation of the sediment layer of media surface which has an important relation with the proportion of sandiness and silt.In order to make the test closer to the real rain flood infihration.the experimental design includes the two aspects that is as the following:First,establishing infiltration device of mobile muddy water simulation which is not only able to provide a stable flow rate and disturbances in the state of the muddy water,but also make them vertical infiltration even;second,collecting and analyzing rain floods in field,according to results of the analysis to configure a different ratio of sediment and particle。and make it infihrate a single medium of sand,and measured the volume at different times and get the curve of the amount change with time.Analysis from curve shows when the ratio of flow and particles is constant,the greater the sediment the amount of infihration reduced faster,the shorter the time required to stabilize and ultimately the infihration capacity of stability are equal:when velocity and sediment ratio is con— stant,the greater the percentage of the soil,infiltration amount reduced faster,longer time to stabi— lize and ultimately the infihration amount of stability smaller:when sediment and particle ratio is con— stant,the greater flow,the amount reduced the slower,longer time to achieve stability,the final a— mount of stability of infihration the greater. Key words:velocity;floods;controlled flooding;Infiltration amount (上接第2页) 果的评价或评分。当实测值的误差与预报值的误 2)由于仪器测量和计算等造成的误差,特 差相比不可忽略时,也可把实测值看作一模糊 别是受目前预报理论发展水平的限制,使得实测 数,这时可用贴近度来评价预报结果。 值和预报值都不是精确的,特别是中长期预报, 3)本方法不但可以用于方案的相互比较, 不可能是一个确切的值,一般只能达到区间预 而且可用于预报结果的评分,此时只需把得到的 报。因此,实测值的误差要比预报值的误差小得 I(x )或gD(x )乘以100即可。口 多。把实测值按精确值来看待,不会影响预报结 A fuzzy method for hydrological point value prediction and evaluation of range forecast preclmon Yan Tian—Yi Abstract:This article put forwards a fuzzy method of hydrological point value prediction and evalua— tion of range forecast precision based on the fuzzy numbers and the maximum subj ection principle,and provides a new method of evaluating comparison for the different kinds of forecasting program. Key words:the maximum subjection degree;fuzzy mathematics;range forecast 8一 

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