分汊型河道水流運動特性和污染物輸移規律研究進展

顧 莉,華祖林,褚克堅,劉曉東

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;

2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;3.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京 210098)

分汊型河道是一種特定而時常遇到的河道形態,由于江心洲的存在,河道水流發生分汊現象,如長江中下游、珠江廣東段、贛江、湘江、松花江、黑龍江、美國Mississippi河、非洲Niger河和Benue河等都時常遇到。分汊型河道一般由順直段、分汊段和再匯合段3部分組成,邊界條件復雜,其水流結構和污染物輸移規律不同于順直或彎曲河道,具有自身的獨特性。由于分汊型河道與一般河道同樣也擔負著供水、納污和灌溉等眾多重要的功能。因此,深入研究分汊型河道中水流和污染物輸運特性可為確定該類河道中污染物的摻混機制、納污能力和水污染控制提供依據,并為國民經濟生產服務提供支撐,具有重要的理論意義和實際應用價值。

筆者擬對分汊型河道中水流運動特性和污染物輸移擴散規律的研究進展進行綜述,介紹有關分汊型河道中分流口、交匯口和整個分汊河道的水流運動規律方面的研究成果,總結和分析污染物在分汊型河道中的輸運擴散規律,并提出分汊型河道中有待深入研究的問題。

1 分汊型河道水流運動特性的研究進展

由于分汊型河道的水流結構和運動特性十分復雜。因此,分汊型河道水流結構的探索一直為人們所關注,下面分別對分汊河道中分汊口、交匯口及整個分汊河道的水流運動特性的研究進展進行闡述。

1.1 分汊口水流運動特性

在分汊口,水流被江心洲分成2股或多股,流線彎曲產生離心作用,從而形成水面橫向比降和橫向環流,流線方向改變劇烈時,支汊進口段還可能形成分離區,成為污染物滯留的場所。分汊口復雜的水流結構與分汊口的平面形態、地形特征和上游來流等眾多因素有關。20世紀40年代從邊界相對簡單的分汊明渠開始,眾多學者利用物理模型試驗和理論分析的方法研究了分汊明渠一維和二維水流的過流特征,包括主支汊流量、明渠上下游水深、支汊回流尺寸、最大斷面收縮系數以及能量損失等。其中,具有代表性的有:Taylor[1]通過等寬直角分汊明渠試驗,發現分流量的多少取決于分汊口水動力條件和支汊的回流特性,并圖示了分流比與水深比之間的關系,但由于Taylor假設支汊的入流不受尾門控制,致使關系圖的應用有一定的局限性[2];Law等[3]通過理論分析,建立了Fr與分流比、收縮系數等因子之間的關系,同時通過試驗觀測水位隨Fr增大的變化規律;Ramamurthy等[4]從能量、連續和動量方程出發,推導了主汊Fr與支汊分流比以及主汊上下游水深比之間的理論關系式,支汊分流比與收縮系數、主支汊寬度比以及主支汊速度比之間的理論關系式,這些關系式在主汊下游Fr小于0.7和支汊下游Fr大于 0.35等條件下與試驗結果吻合良好;Hager[5]通過假設支汊收縮斷面處水流處于臨界狀態,推導得出支汊能量損失系數的表達式。后來,Ramamurthy等[6]還研究了直角分汊流的能量損失情況,得出主支汊間能量損失與分流比和主支汊寬度比有關,而主汊在分汊前后斷面的能量損失主要取決于分流比,并給出了不同主支汊寬度比情況下的流速和壓力分布圖。Hsu等[7]通過試驗研究了直角等寬分汊明渠的水力特性,發現支汊的收縮系數反比于主汊的上下游流量比,并建立了能力損失系數與流量比、上游Fr和水深比的關系。Kesserwani等[8]提出一個可以計算多種流態分汊明渠分流比的模型,通過與前人試驗數據比較可知該模型計算結果優于其他估算公式。

隨著測量技術的提高,從20世紀90年代開始有關分汊口三維特性的研究逐漸開展起來。Neary等[9]對直角分汊明渠不同水深處的流場進行了測量,發現分汊口表、中、底層水流結構具有較大差異,支汊分離區尺寸和主支汊分流面均沿水深方向變化,底床糙度和主支汊流速比對分汊口水流結構有顯著影響。羅福安等[10]根據對直角分水口前不同水深處平面流場的測量結果,將水流流態劃分為加速區、穩速區、擴散減速區、分離減速區、潛流加速區、潛流減速區、滯留區和回流區共8個區,分析并說明了每個區的特征、范圍和形成原因,還建立了分流寬度與單寬分流比、相對流速和水流Fr之間的關系。遺憾的是由于測量手段的限制,Neary等[9]和羅福安等[10]沒能測量出斷面二次環流結構的分布特征。Barkdoll等[11]測量了明渠分汊流的流速分布和自由表面的水位變化,發現明渠中存在顯著的二次流,并且支汊中轉彎水流的外緣水位高于內緣水位。童朝鋒[12]測量了30°角分汊口的水流結構,比較了表層和底層流場的差別,并給出了主支汊橫斷面上方向相反的2個環流結構。近來,Ramamurthy等[13]進一步詳細地觀測了直角分汊明渠的水流結構,得到了分汊口區域水位變化圖和三維流速分布圖,分析了不同水深處平面流場和不同斷面二次流,指出支汊進口處回流區尺寸反比于支汊流量比,主支汊不同斷面二次環流結構存在較大差異。

數值模擬也是研究分汊口水流結構的一個重要手段。在二維紊流模型方面,Chen等[14]以及李克鋒等[15]分別建立了二維k-ε紊流模型,對分汊明渠流場進行模擬,Chen的模型適合于分流比較小的情形,對于分流比較大的情況,模型計算結果存在較大偏差;李克鋒等[15]提出了區域坐標系統法來處理分汊口的不規則邊界,模型計算結果令人滿意。Shamloo等[16]利用二維RSM紊流模型模擬分汊明渠的水流結構,模型較好地再現了分汊口的回流區,回流區尺寸的計算值與試驗值吻合良好。在三維紊流模型方面,Issa等[17]首先采用三維紊動模型模擬了“T”形分汊流,模型采用k-ε紊流方程閉合三維時均N-S方程,并采用壁函數和一階精度的有限體積法求解方程。Neary等[18]也建立了一個三維紊流模型,探討了“T”形口復雜的三維結構和底沙輸運過程,并考慮底床糙率變化對分汊水流結構的影響,但是模型沒有考慮水面變化的影響。由于分汊河道受復雜邊界的限制,較難生成具有良好正交性的曲線網格。童朝鋒[12]建立了廣義曲線坐標系下的三維水流數學模型,解決了網格非正交的影響,模型采用逆變流速張量作為主變量,模擬了試驗條件下不同邊界分汊口的水動力結構,并成功地對天然分汊河道的水流結構進行模擬。Ramamurthy等[13]利用VOF方法追蹤自由表面的水位變化,建立了具有自由表面的三維紊流模型,模型較好地重現了支汊進口處和主汊在“T”形口下游處的回流特性。李琳琳等[19]采用帶旋流修正的k-ε雙方程紊流模型,成功地模擬了分汊口門處表底層水流的差異及橫向環流的存在,并發現分汊口門處的環流強弱和懸移質垂線分布是影響分沙比與分流比關系的主要因素。Li等[20]建立了三維 RANS紊流模型,對 Ramamurthy等[13]的分汊明渠試驗結果進行模擬,模型較好地計算了三維流速值與水面線的變化情況。

1.2 交匯口水流運動特性

交匯口是分汊型河道另一個重要的組成部分,交匯河道的水流流動結構與單一河槽相比有顯著不同。交匯處水流相互頂托,發生紊動摻混,形成旋渦,流速小,其能量損失使泥沙、卵石在匯口處淤積成灘;同時,支汊水流受上游來流的擠壓和河岸固壁的限制,在交匯口下游附近易形成分離區,束窄過流斷面,而且斷面環流明顯。Taylor早在1944年就推導出了明渠交匯口匯流比的關系式,并與匯流角為45°和135°的試驗結果進行比較,結果表明在小交匯角時該方法比較有效[1]。Modi等[21]利用理論分析方法研究明渠匯流處分離區的寬度和長度變化特征。Best等[22-23]通過試驗研究分離區的最大寬度,指出Modi的理論方法計算出的分離區寬度偏大,并發現匯流角度為直角情況下,分離區的寬度和長度比為常數0.19。Biron等[24]研究了被前人忽略的河床高差對交匯流的影響,河床高差的存在可使下層分離區受到空間限制,甚至消失,還會引起混合層垂向軸線發生偏轉扭曲,不再與河床垂直。Ramamurthy等[25]在理論分析基礎上,通過試驗測定了直角封閉矩形水槽的匯流區域二維流場、壓力分布,研究了不同主支汊流量比及主支汊形態大小對能量損失系數、支流到主流的動量傳遞與匯流區幾何形態等的影響。Hsu等[26]研究了30°,45°和60°的交匯口分離區結束斷面處的能量和動量校正系數,建立了主河道上下游水深比的函數關系式,分析發現水深比與交匯角和Fr成正相關,并且建立了能量損失系數與主河道上游流量比、水深比以及Fr之間的函數關系式。茅澤育等[27]對等寬明渠交匯口水流分離區的形狀及尺寸進行了試驗研究,研究結果表明,明渠匯流所引起的水流分離區的尺寸(長度和寬度)隨交匯角及流量比的增加而增大,但其形狀基本保持不變,通過理論分析提出了分離區收縮系數及能量損失系數的表達式。王協康等[28]則以較為翔實的水槽實驗資料為基礎,采用流線法和等值線法對實驗資料進行比較,發現水流分離區幾何尺度隨著水深及流量比而變化,而這種變化取決于交匯區域內二次流對流速分布的影響。

除上述有關明渠交匯口的一維和二維水力特性、能量損失情況和水流分離特征研究外,Rhoads等[29]測量了一個天然非對稱交匯河流的流速分布,在枯水期時水流結構主要受主支汊動量比、上游來流流量和河床地形等條件影響。Weber等[30]利用ADV對直角明渠匯流處的三維水流結構進行測定,分析了流場分布、紊動結構和水面變化等規律,并利用部分試驗數據驗證了前人關于水深比的模型,結果表明這些關于匯流的簡單模型是可信的。茅澤育等[31]采用試驗手段探索等寬45°交匯角的匯流區三維流動結構,對于給定的交匯口形狀及尺寸、分離區形狀基本保持不變,分離區尺寸隨主支渠流量比變化并具有較好的相關關系。郭維東等[32]通過試驗發現“Y”形匯流口水流總體向下游呈螺旋流,隨著匯流比的增大,河床高差的存在,這種螺旋流趨勢減弱。吳迪等[33]對復式斷面河道“Y”形交匯河口水流進行試驗研究,發現交匯口處水流水位呈現中間低、兩邊高的形態,灘地上水位出現干流側水位低、支流側水位高的現象;河流洪水漫灘以后,在灘槽交界面附近水深發生急劇變化,水面形成大大小小的旋渦。劉同宦等[34]研究了支流90°入匯后的水面比降變化和時均流速分布特征,試驗發現匯流比增大時,入匯口上游斷面時均流速減小,入匯口下游斷面產生高、低流速帶,形成回流分離區;入匯口上游的干支流水面坡降取決于干支流相互頂托影響,入匯口處及其下游合流摻混區水面坡降隨匯流比增大而減小。

關于交匯口的二維數學模型從20世紀80年代后期開始發展,但是這些模型主要考慮橫向剪切作用,忽略了水力參數在垂向的變化[35-36]。在發現交匯口的二次環流結構后,三維模型漸漸發展起來。Weerakoon等[37]利用三維數學模型對匯流口的水流結構進行模擬計算,模型采用剛蓋假定,表層與底層水流特征的模擬結果與實測值吻合較好,不足的是回流區的長度誤差較大,兩者相差30%左右。Bradbook等[38]也對匯流口進行了三維數值模擬,研究了非對稱匯流口存在高差的河床對水流結構的影響,模擬結果表明主支汊河床的高差作用顯著增大了二次流強度,雖然該模型不能完全定量地再現交匯口細微的水流結構,如上升流的流速大小存在一定差異,但模擬結果是對交匯流研究的重要補充和延續。Huang等[39]建立的三維數學模型經90°角的交匯明渠試驗數據驗證后,進一步探索了其他交匯角對明渠水流特性的影響。Wang等[40]利用三維數學模型模擬了主支汊有高差的“Y”形交匯明渠的水流結構,與試驗結果吻合較好。最近,張挺等[41]采用雷諾平均N-S方程和k-ω渦黏紊流模型成功地模擬了交匯口下游附近的分離區和二次流等主要水流特性,模型計算出的交匯口分離區形狀參數、支渠入流角及斷面收縮系數等參數值與前人實測值吻合良好。馮鏡潔等[42]采用k-ε雙方程模型結合VOF方法,對不同入匯角及不同匯流比的入匯型水槽中水流進行了三維數值模擬,成功模擬出了分離區的出現、分離區的幾何尺度、交匯區域的水位變化等現象。最近,Shakibainia等[43]利用三維數學模型系統深入地研究了交匯明渠的水力特性,模擬結果表明交匯角、流量、寬度比和Fr對流速的轉向、分離以及二次環流有顯著影響。

1.3 分汊型河道整體水流運動特性

上述研究都是針對分汊型河道中分汊口和交匯口處的水流特性研究,對整個分汊型河道水流結構的野外觀測與物模試驗研究相對較少。Richardson等[44]測量了雅魯藏布江上Jamuna River中分汊河道的三維流場結構和支汊地形地貌演變過程,分析得出單一河道中流場分割成多流線的水流結構早于河底地形的分汊,是分汊型河流形成的前提條件。余新明等[45]通過水槽試驗探索了分汊型河道底沙輸移演化特征和整體水流結構,長條狀的江心洲模型固定在矩形斷面水槽中,試驗對江心洲周圍的縱向流速分布進行了測量和分析,著重關注了底沙輸運特征的研究。華祖林等[46]建立了不同分汊角度和不同支汊寬度比的汊道物理模型試驗系統,詳細測量了整個分汊河道的水流結構和紊動特征,試驗結果表明在大分汊角模型的支汊進口段存在回流區,回流區的尺寸和位置隨支汊寬度比而變化,小分汊角模型中不存在回流區;大、小分汊角模型支汊中的二次流旋轉方向相反;水流紊動能分布規律也與回流區相關。

相對于物理模型試驗,采用數學模型模擬包含江心洲的天然分汊河道水流的比較多。不少二維或三維數學模型模擬了長江口多級分汊河道的水流特性、底沙輸運或鹽度分布情況,如竇希萍等[47]在正交坐標系下建立了能較好擬合長江口邊界的平面二維潮流和全沙數學模型,該全沙數學模型成功復演了長江口流場、含沙量場和地形變化;龔政等[48]建立了σ坐標系下長江口正壓、斜壓診斷及斜壓預報模式的三維流場數學模型,通過模擬結果的定量比較,發現長江口三維斜壓診斷模式與斜壓預報模式的流場計算結果在量值上有可觀的差異(一般在10cm/s左右),斜壓預報模式更為精確;馬鋼峰等[49]利用ECOM模式建立了一個長江口水動力鹽度三維數值模型,計算和分析了南北槽垂向鹽度分布和鹽水通量過程。此外,Nicholas等[50]計算了瑞士阿爾卑斯山下Ferpècle River中分汊河流的三維流場,模型精細地模擬出分汊口前斷面二次流發生分汊現象,右支汊彎曲度和斷面放寬率大,其進口部分存在回流區,且右支汊中水深淺、流速慢;相反,左支汊則水深大、流速快,在交匯斷面存在2個高流速區。余新明等[51]基于無結構化網格,建立了分汊型河道二維水沙數學模型,模擬了武漢天興洲汊道段的水流泥沙運動,模型較好地再現了天然分汊河段的流場變化、泥沙輸移、左右汊水沙分配及河床沖淤演變過程。張為等[52]針對分汊淺灘河道的特性,建立了正交曲線坐標下河道二維水流泥沙數學模型,較好地模擬了沙市河段的沿程水面線、斷面流速大小及分布,反映了該河段的水流運動規律。齊王君等[53]建立了長江水系武漢段的三維水動力模型,計算發現天興洲右岸河道內流速大,與沖蝕溝一起構成了逆時針環狀流場,加劇了沖蝕溝的沖蝕;而天興洲左岸河道內的流速小,河床淤積嚴重。雖然這些研究沒有系統地探明分汊河型的水流運動特性,但客觀上促進了分汊型河道研究的深入。

2 分汊型河道中污染物輸移特性研究進展

關于分汊型河道中污染物輸運規律的研究并不多,而且主要集中在數值模擬上。李克鋒等[54]利用二維k-ε紊流模型研究了污染物在上游岸邊橫向入射后分汊明渠口的濃度分配規律,結果表明,當排放口到分汊點的距離增大,或者入射動量增大時,同岸側汊道的分污比均呈下降趨勢。楊春平等[55]利用二維模型計算了彎曲型分汊河道中水質的濃度場分布,污染物在左岸邊排放后,污染源下游有一個明顯的污染帶,大部分污染物進入江心洲左側的支汊,在下游交匯口處左右汊污染物進一步摻混,濃度趨向均勻。楊具瑞等[56]建立了江心洲型分汊河流平面二維數學模型,計算結果表明,污染物位于江心洲上游2km排放后,污染物流經汊道時還沒有完全達到全斷面混合,污染物在擴散、降解過程中受到江心洲地理位置的影響,混合長度增加。Biron等[57]用三維數學模型對污染物在實驗室和天然交匯河道中交匯口及下游河道中的混合過程進行了模擬,實驗室中交匯明渠的兩汊存在底部高差時混合過程加速,天然情形下交匯口的上游來流小時混合較快,遠區的混合主要由河道的彎曲程度決定。江帆等[58]采用有限元方法求解彎曲性分汊河道中的污染物擴散數學模型,污染物在彎道分離處回流和繞流等水流作用下,呈現出不同的擴散態勢,其中在岸邊擴散有減緩的趨勢,在彎道分離處污染物擴散呈現多向性,而在回流狀態下和繞流尾跡區,污染物擴散緩慢,有利于污染物的收集和集中治理。Lee等[59]利用數學模型對韓國Han River某一分汊河段中污染物的傳輸過程進行了模擬,也分析了污染物流經Nodeul Island時在左右兩汊中的分布特征。此外,還有不少針對長江口多級分汊河口的岸邊排放污染物后濃度場的數值模擬研究[60-61]。

利用物理模型進行研究的成果報道非常零星,顧莉[62]通過分汊型河道物理模型試驗,在分汊口上游斷面的不同橫向位置處點源排放污染物,探索分汊型河道中污染物的輸移擴散規律,研究表明左側岸邊排放下,污染物分配受支汊寬度比的影響較小,污染物大部分進入左支汊,在下游2支汊水流交匯界面附近濃度等值線密集;河道中心、1/3河寬與2/3河寬位置排放下,污染物分配規律與支汊寬度比密切相關;通過計算不同工況下污染物進入支汊的分配比,建立了不同排放位置下分汊型河道分污比與分流比的函數關系式。顧莉[62]還對分汊型河道中污染物的縱向離散能力進行研究,進行縱向離散示蹤試驗,計算分汊型河道縱向離散系數,分析表明縱向離散系數與平均流速、水深、糙率和分汊角呈遞增關系,并隨兩汊寬度的差值增加而增大,并建立了分汊型河道污染物縱向離散系數與流量、分汊角、分流比、水深等因子的經驗公式。

3 結 語

分汊型河道是自然界廣泛存在的一種河道形態,目前,分汊型河道水流結構的研究主要集中在分汊口和交匯口處。分汊口部分關注較多的是分汊明渠,分汊明渠的水流特性研究成果在一、二維上較為豐富,三維水流結構的探究仍值得深入,目前主要對直角平底分汊明渠的三維流場進行了測量與分析,對分汊口水流的紊動特征關注較少。此外,對于天然分汊口詳細的水流結構和紊動特征的研究尚不多見,值得進一步深入探究。

交匯口部分的研究不論是室內模型還是天然交匯口的水流特性研究均有較多報道,主支汊的河床高低差異和沖刷坑等多種復雜因素的影響均有被考慮到。但是,對于交匯口的螺旋結構形態以及水面變化規律等方面的問題還存在爭議,野外匯流口在眾多復雜邊界和水力條件下的水流結構研究也較為欠缺,還有繼續深入探索的空間。

由于分汊型河道的復雜性,有關整個分汊型河道的水流特性研究相對較少。目前研究主要為對包含江心洲的分汊型河道的數值模擬,對水流細部結構探究不夠。主支汊縱向與橫向比降、江心洲形狀、江心洲數量等眾多因子對整個分汊型河道水流流場的影響尚不清楚,此外分汊型河道中岸邊淺灘分布以及淺灘上有無植被的影響也值得深入探究。

有關分汊型河道中污染物輸移特性的研究更少,除了數值模擬計算外,亟須加強試驗研究,深入系統地探討不同排放方式下污染物在汊道中的分布特征和分配比例,不同密度的污染物與汊道水流相互作用下輸移擴散機制的研究以及不同的分汊形態對污染物輸運擴散的影響研究,從而為掌握復雜分汊型河道的污染物輸移規律提供科學基礎。

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