倾斜岸水库污染混合区的理论分析及简化条件

在恒定连续点源条件下,从一维流动中三维扩散方程的解析解出发,给出了顺直倾斜岸大宽度深水水库污染混合区的解析计算方法和等浓度曲面方程,分析了污染混合区断面和平面形状的变化规律;提出了采用污染混合区下游长度作为特征长度定义贝克来数Pe,给出了污染混合区无量纲上、下游长度、最大宽度与最大深度及相应纵坐标和面积的计算公式及其曲线图.表明污染混合区的无量纲尺度主要取决于贝克来数,其中无量纲最大宽度和面积还与横向(垂向)和纵向扩散系数的比值有关、无量纲最大深度还与和岸坡倾角有关,提出了一维流动中三维扩散方程的简化条件.该解析方法和计算公式可为天然水库污染混合区的估算提供理论依据.     

考虑河流流速和横向扩散系数变化的污染混合区理论分析及其分类

宽阔河流的中部深槽和远岸地形变化,对排放岸附近污染混合区范围的影响很小。因此,河流断面平均流速和横向扩散系数不能很好地反映排放岸附近污染物的移流扩散特性。通过对长江黄沙溪排污混合区平水期同步观测资料的分析,提出了深度平均流速的横向指数分布和横向扩散系数的二维变化关系式。在宽阔河流顺直岸边稳定点源条件下,求解了变系数二维移流扩散方程浓度分布的解析解,进行了浓度分布的特性分析。在此基础上,推导了污染混合区最大长度、最大宽度和对应纵向坐标以及面积的理论公式,给出了污染混合区边界归一化(等浓度)曲线方程。讨论了深度平均流速和横向扩散系数分布的特性参数(m,n和α)对污染混合区形态的影响规律,提出了河流岸边排放污染混合区的类别、形状特征、分类条件和变横向扩散系数的估算方法。实例表明,α-Ⅰ型污染混合区、边界曲线方程和几何特征参数,能够较好地表征长江黄沙溪排污混合区平水期COD_(Cr)现场观测等值线形状。     

倾斜岸河库水面污染源下浓度分布的理论分析

从保守物质横向和垂向扩散系数不相等的静止水体中瞬时线源二维扩散的解析解人手,分析推导出半无限水面瞬时污染源下二维扩散的浓度计算公式。在顺直倾斜岸坡大宽度深水情况下,借助于横向和垂向扩散系数不相等的角形域映射原理,进而推导出倾斜岸水面瞬时污染源下角形域中二维扩散浓度分布的理论公式。在简化条件下该理论公式与可对比理论解完全一致。结果分析与讨论表明:角形域倾角对污染物的浓度分布影响较大;角形域内浓度分布具有倾角参数n(180/)为奇数和偶数不同的双重特性;计算点距离岸坡顶点越近倾斜岸坡对浓度分布的影响越大;横坐标越大影响越小;水深越大影响也越小。该理论公式可为河库水质监测布点与数据的归纳分析、水质模型的验证和污染混合区浓度估算提供有力的工具。     

倾斜岸坡角形域顶点排污浓度分布的理论分析

为了获得倾斜岸坡角形域顶点排污浓度的分布,基于镜像法原理和角形域平面镜映射实验,给出了横向和垂向扩散系数不相等的角形域映射图。从无限区域静止水体中瞬时线源的二维扩散和等强度连续点源三维移流扩散简化方程的解析解人手,分析推导出角形域顶点排污瞬时线源扩散的浓度计算公式,进而得到了角形域顶点排污等强度连续点源移流扩散浓度分布的理论公式。对该理论公式的分析与讨论表明,在简化条件下该理论公式与可对比理论解完全一致,角形域内角角度对污染物的浓度分布影响很大,角形域顶点排污浓度分布具有复杂性和多重性。该理论公式可为水库岸边污染混合区浓度估算提供有力的工具。适用条件为顺直倾斜岸坡大宽度深水情况,满足内角θ=180 /n(n 为自然数)的角形域顶点排污的浓度计算。     

倾斜岸河流和水库水面污染带下的污染物质量浓度分布

基于静止水体中横向和垂向扩散系数不相等的瞬时线源二维扩散的解析解,推导出水面有限宽瞬时污染源二维扩散的质量浓度分布计算公式。在顺直倾斜岸坡大宽度深水情况下,基于横向和垂向扩散系数不相等的角形域映射原理,推导出倾斜岸水面瞬时污染带下角形域中二维扩散污染物质量浓度分布的理论公式。计算与分析结果表明,在简化条件下该公式与理论解完全一致,角形域倾角对污染物的质量浓度分布影响较大,角形域内质量浓度分布具有随倾角参数为奇、偶数而不同的特性,计算点距离岸坡顶点越近,角形域倾角对污染物质量浓度分布的影响越大;横坐标越大,影响越小;水深越大,影响也越小。     

明渠混合污染物侧向和垂向扩散系数的计算方法及其应用

明渠的侧向和垂向扩散系数是衡量岸边水流对污染物质混合输移能力的重要水质参数之一, 其值的准确与否直接关系到明渠水质预测预报成果的可靠性。基于污染混合区的理论计算方法,推导了污染混合区外边界标准曲线和曲面的统一方程,包含最大长度Ls、最大宽度bs和最大深度ds等特征尺度。该曲线形状近似于半椭圆,曲面形状为近似椭球体的一部分,表明污染混合区具有相似性。给出了由岸边污染混合区外边界最大长度、最大宽度或最大深度和平均流速确定侧向或垂向扩散系数的计算公式,提出了采用污染混合区面积或体积进行总体控制的侧向或垂向扩散系数计算方法和采用水面横向积分浓度确定垂向扩散系数的实用方法。通过现场观测结果分析,给出了洸府河下游河段枯水期的侧向扩散系数0.27 m2/s。     

倾斜岸坡角形域顶点排污浓度分布的理论分析

基于镜像法原理和角形域平面镜映射实验，给出了横向和垂向扩散系数不相等的角形域映射图。从无限区域静止水体中瞬时线源的二维扩散和等强度连续点源三维移流扩散简化方程的解析解人手，分析推导出角形域顶点排污瞬时线源扩散的浓度计算公式，进而得到了角形域顶点排污等强度连续点源移流扩散浓度分布的理论公式。对该理论公式的分析与讨论表明，在简化条件下该理论公式与可对比理论解完全一致，角形域内角角度对污染物的浓度分布影响很大，角形域顶点排污浓度分布具有复杂性和多重性。该理论公式可为水库岸边污染混合区浓度估算提供有力的工具。适用条件为顺直倾斜岸坡大宽度深水情况，满足内角 （n为自然数）的角形域顶点排污的浓度计算。     

污染混合区的二维解析计算及移流扩散方程的分类简化条件

在恒定时间连续点源条件下，从移流扩散（离散）方程的完全二维解析解出发，给出了污染混合区的二维解析计算方法和等浓度曲线方程，分析了污染混合区的形状变化规律；以简化二维移流扩散条件下的污染混合区长度L为特征长度，定义了佩克莱特数Pe ，给出了污染混合区无量纲上、下游长度、最大宽度及相应纵坐标和面积的试算公式及诺莫图。表明污染混合区的无量纲尺度主要取决于佩克莱特数，其次无量纲最大宽度和面积还与 有关。给出了非保守物质污染混合区的修正计算方法以及保守与非保守物质的计算分区图；完整系统地提出了二维移流扩散方程定量化的分类简化条件，具有很好的可操作性和实用性。     

河流混合污染物浓度二维移流扩散方程的解析计算及其简化计算的条件Ⅰ：顺直宽河流不考虑边界反射

在恒定连续点源条件下,从移流扩散方程的二维解析解出发,给出了顺直宽河渠无边界反射情况下,污染混合区的二维解析计算方法和等浓度曲线方程,分析了污染混合区的形状变化规律。以简化二维移流扩散条件下的污染混合区长度为特征长度L、流速U和纵向扩散系数E-L,定义了贝克来数Pe=UL/E-L,给出了污染混合区无量纲上、下游长度、最大宽度及相应纵坐标和面积的试算公式及诺莫图。结果表明,污染混合区的无量纲长度主要取决于贝克来数,而无量纲最大宽度和面积既取决于贝克来数也与横向与纵向扩散系数的比值λy有关。在此基础上,给出了非保守物质污染混合区的修正计算方法,以及保守与非保守物质的计算分区图。系统地提出了二维移流扩散方程的简化计算条件。     

岩质滑坡涌浪对三峡库区岸坡的冲刷模型试验

为了解岩质滑坡涌浪对三峡库区岸坡的冲刷破坏情况,以万州港为原型,设计岩体滑坡涌浪物理模型试验,分析了不同滑坡体体积和滑面倾角情况下滑坡涌浪对库区3种不同粒径岸坡的冲刷深度和静水面上下15 m岸坡整体的冲刷特性。试验结果表明:岸坡最大冲刷深度与滑坡体宽度及厚度呈正相关关系;滑坡体体积较大时,岸坡冲刷深度在滑坡体滑面倾角为40°时最大,滑坡体体积较小时,岸坡冲刷深度在滑坡体滑面倾角为60°时最大;岸坡需防护范围为静水面上下7 m,在静水面和岸坡接触的部位需重点防护。根据试验数据,给出了计算岸坡最大冲刷深度的经验公式。     

水环境影响预测中计算参数的确定及敏感性分析

无论采用解析计算还是数学模拟对河流污染混合区开展分析,其计算参数的准确性比选择不同数学模型对预测结果的影响更大,应予以重视。基于宽阔河流污染混合区几何特征尺度的理论公式,分析并提出了采用多年平均枯水期流量确定环境设计流量的方法和考虑排污风险修正系数的排污强度确定方法,给出了河流污染混合区各计算参数正、负误差分别引起的最大长度、最大宽度和面积误差的敏感性排序。结果表明,水深、流速和横向扩散系数的正误差会减小污染混合区范围,而排污强度的正误差则会增大污染范围,而且,污染混合区几何特征尺度的误差变化幅度远超过其计算参数的误差变化幅度,揭示了计算误差的放大效应。     

90°等宽明渠交汇水流污染物混合规律数值模拟

为研究明渠交汇水流污染物混合规律,针对90°等宽顺直明渠水流交汇口,建立三维水动力-污染物耦合输运数学模型,对6 种不同汇流比情况进行数值模拟研究。计算结果表明:交汇水流污染物分布存在明显的三维特征,且与二次流密切相关;水体表层污染带最大宽度与汇流比的关系和水体内部不同,表层水体污染带最大宽度在小汇流比工况下为主渠宽度,不随汇流比的变化而改变,在大汇流比工况下与汇流比呈良好的一次函数关系;中下层水体污染带最大宽度与汇流比呈二次曲线关系;汇流比越接近0. 5,污染物混合越不均匀,且汇流比越大,污染物混合速率越快。     

交汇角对明渠交汇口污染物输运特性影响的数值模拟分析

针对等宽矩形断面明渠交汇口建立三维两相流水动力-污染物耦合数学模型,将污染物视作保守物质,不考虑其降解作用。该耦合模型以雷诺应力模型为基础,定量研究不同交汇角工况下交汇口的分离区几何特性及污染物输运规律。计算结果表明：交汇口分离区几何形状、污染物分布特性均存在明显的三维特征,且受交汇角影响;交汇角较大时分离区的几何对称性更强,不同交汇角下断面环流的位置不同,污染物的分布也不同,污染带最大宽度、混合界面宽度均随交汇角的增大而增大;分离区及其上游污染物混合速率随交汇角的增大而加快,在流速恢复区及其下游,混合速率基本不受交汇角影响,其沿程变化符合指数函数关系。     

SIGMA-COORDINATE NUMERICAL MODEL FOR SIDE-DISCHARGE INTO NATURAL RIVERS

Due to large topography slopes in natural rivers, pollutant concentration embodies a property of three-dimensional distribution when wastewater is discharged from effluents along the bank. With the sigma coordinate along the vertical dimension fitted to both the moving free surface and the bed topography, a three-dimensional numerical model was developed in the present work to address pollutant transport processes in the above-mentioned cases. To avoid the reduction in accuracy caused by spurious diffusion in the case of steep bottom slopes, a formula for horizontal diffusion in the sigma coordinate system was derived. A case study for the side discharge into a straight open-channel flow shows that numerical results are verified well by experimental data. Furthermore, the present model is also verified by the simulation of discharging wastewater from Fuling Phosphorus Factory effluent into the Three Gorges Reservoir and the agreement between the numerical simulation results and field observation data is satisfactory. The change of the mixing zone scope in the water surface versus the layers along the vertical dimension was also discussed in detail. The study shows that a more realistic calculation for pollutant discharge has been provided by the present model than by the depth-average model which predicts an unrealistically smaller mixing zone.     

连续点源河流污染带几何特征参数研究

全面探讨连续点源河流污染带的几何特征,在考虑了两岸边界的一次反射、污染物的降解和背景值共同影响的条件下,给出排污口在任意位置的污染带特征参数的计算方法,在简化情况下给出了直接计算公式。这些几何特征参数包括污染物达到全断面均匀混合的距离、污染带最大长度、最大宽度及其出现的位置、污染带面积等。并利用污染带的几何特征参数反演推算了允许排污量和削减量。所提方法独特,简便易行,具有较高精度,可用于河流污染带预测。     

Flow distribution and mass removal in floating treatment wetlands arranged in series and spanning the channel width

Floating treatment wetlands (FTWs) use plants’ roots for water quality improvement. The plants are supported by a buoyant structure deployed at the water surface. The roots form a porous zone beneath the structure and remove pollutants carried in suspension through filtering, absorption and uptake. This paper used CFD simulation to model FTWs arranged in series and spanning the channel width and to study the effects of root length and spacing between FTWs on flow distribution and mass removal. The root zone was modelled as a porous media, and removal was computed using first-order decay, for which a range of removal constants was tested. Longer roots increased the reactive volume of the root zone, which increased the fraction of pollutant inflow entering the FTWs. Increasing the distance between FTWs allowed greater mixing between water that went through and beneath the upstream FTW. This increased the concentration entering each FTW, which enhanced mass removal per FTW. However, a larger distance between FTWs reduced the number of FTWs in the channel, reducing the reactive volume. In the tradeoff between mixing and reactive volume, the reactive volume was more important, such that total removal in the channel increased with longer roots and more units of FTW (shorter gap distance). However, removing the gap entirely was detrimental, as FTWs in series removed more mass than a continuous FTW of same volume. This study points to two design recommendations for FTWs in series. First, if resources for building FTWs are not limiting, but the channel length is, it is preferable to prioritize higher reactive volume (shorter gap distance) to achieve maximum removal per channel length. Second, if resources for FTWs are limiting, but channel length is not, it is better to place the FTWs with a longer gap distance, preferably along enough to allow mixing over the full depth between FTWs, as this will achieve maximum removal per FTW.