三島型群汊河道中二次流分布對(duì)污染物擴(kuò)散的影響研究

紀(jì) 偉

（湖南城市學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000）

0 引言

天然河流中存在著順直、彎曲、單島雙汊、群汊等多種河段形態(tài)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種河段的水流特性和污染物輸移擴(kuò)散特性均進(jìn)行了一定的探討。

彎曲河道的水流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象是天然河流中常見的、作曲線運(yùn)動(dòng)的彎道水流，在重力與離心力作用下顯現(xiàn)出特有的運(yùn)動(dòng)特性。20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，不少學(xué)者對(duì)彎道水流相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了多方面的研究。Blanckaert,K.等[1]為了研究彎道中二次環(huán)流的規(guī)律推導(dǎo)出了一個(gè)非線性數(shù)學(xué)模型，由于該非線性模型解釋了二次環(huán)流、下游流速垂向分布及其橫向分布之間的反饋關(guān)系，因此，它能再現(xiàn)下游流速垂向分布和二次環(huán)流隨曲率增大而衰減的過(guò)程，此外，該模型為量化分析急彎河道中二次環(huán)流自限制特性奠定了基礎(chǔ)。Ottevanger,W.等[2]研究了急彎河道中三維流速分布，并提出了一個(gè)無(wú)曲率限制的非線性水力模型，該模型能反映出急彎河道中二次流隨曲率增大而減小的現(xiàn)象，此現(xiàn)象的機(jī)理可以用二次流飽和度的概念來(lái)解釋，二次流飽和的同時(shí)也伴隨著流速重分布的衰減。Sang Soo Han 等[3]對(duì)含有垂直葉片的彎道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，結(jié)果顯示垂直葉片對(duì)減小二次流強(qiáng)度和沿內(nèi)邊壁水流分離是有效的，三葉片結(jié)構(gòu)對(duì)形成均勻流更加有效。

關(guān)于單島雙汊型河道中水流運(yùn)動(dòng)與污染物輸運(yùn)規(guī)律的研究，主要集中在數(shù)值模擬研究上。楊春平等[4]建立了二維模型對(duì)彎曲型分汊河道中污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，當(dāng)排污位置位于左岸邊時(shí)，一個(gè)明顯的污染帶出現(xiàn)在污染源下游，江心洲左岸汊道容納了大部分污染物，在下游匯流區(qū)來(lái)自兩個(gè)汊道的污染物摻混更為充分。江帆等[5]針對(duì)彎曲性分汊河道，應(yīng)用有限單元法對(duì)污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果表明，由于彎道分離區(qū)繞流和回流的作用，污染物擴(kuò)散態(tài)勢(shì)不同，其中在彎道分離處污染物呈現(xiàn)多向性擴(kuò)散，在岸邊位置出現(xiàn)減緩的擴(kuò)散趨勢(shì)，而污染物緩慢的擴(kuò)散行為發(fā)生在回流狀態(tài)下和繞流尾跡區(qū)。

三島型群汊河道在天然河流中廣泛存在，由三個(gè)分汊島分割形成的汊道長(zhǎng)短不一、寬淺各異，其水流結(jié)構(gòu)與污染物的輸移擴(kuò)散過(guò)程比彎曲河道和單島雙汊型河道更為復(fù)雜。揭示三島型群汊河道水流結(jié)構(gòu)與污染物的輸移擴(kuò)散過(guò)程，可為河道整治、航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)、水資源保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)，為此，必須對(duì)二次流分布對(duì)污染物擴(kuò)散的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)裝置與儀器設(shè)備

對(duì)三島型群汊河段分汊島的形態(tài)進(jìn)行了概化，以便于開展物理模型試驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)安排在一個(gè)特制的水槽中進(jìn)行，水槽中間段特別做成放寬的矩形（4 m×2.2 m×0.6 m），以安裝群汊河道模型，其余部分保持為寬0.5 m、高0.6 m 的直槽。試驗(yàn)測(cè)量段由主河道、群汊段兩部分組成，各汊道的橫斷面均為矩形，三島型群汊河道被分汊島M1、M2 分割為3 條汊道B1、B2、B3，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備的平面布置見圖1。試驗(yàn)中，水槽流量由進(jìn)口閥門、電磁流量計(jì)以及量水堰共同控制，平水頭水箱處于一定高度以保證水頭恒定。

試驗(yàn)采用美國(guó)SonTek 公司進(jìn)口的16 MHz 聲學(xué)多普勒流速計(jì)Micro ADV 測(cè)量水流的三維流速。Micro ADV 在每個(gè)測(cè)點(diǎn)以25 Hz 頻率采樣45 s，每點(diǎn)共有1125 個(gè)瞬時(shí)數(shù)據(jù)。

圖2 為試驗(yàn)測(cè)量斷面布置圖，各橫斷面的垂線量測(cè)條數(shù)根據(jù)汊道寬度而有所變化。每條垂線上設(shè)置7 個(gè)垂向測(cè)點(diǎn)，間隔為2 cm。河道水深H0固定為14.5 cm，并選取2 種不同的上游來(lái)流量，即工況1：9.6 L/s、工況2：4.8 L/s。流速用主河道斷面平均流速V0無(wú)量綱化，三個(gè)時(shí)均流速分量分別為u*=/V0、v*=/V0、w*=/V0。

圖1 三島型群汊河道試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備的平面布置示意圖

圖2 三島型群汊河道測(cè)量斷面布置圖

為進(jìn)行污染物擴(kuò)散的研究，在群汊段上游分別布置了不同排放點(diǎn)位，增加一套污染物排放系統(tǒng)和多點(diǎn)電導(dǎo)自動(dòng)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)中采用成都新三可儀器有限公司研發(fā)的多點(diǎn)電導(dǎo)自動(dòng)采集系統(tǒng)(THANK-2000 化學(xué)儀表工作站采集模塊)測(cè)量污染物示蹤劑的電導(dǎo)率。

污染物排放位置設(shè)在分汊口上游2.9 m 處（圖1 中斷面RP），在該斷面上排放點(diǎn)分別設(shè)在1/6 河寬、2/3 河寬處，與圖1中排放斷面RP 上的①、②點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。排放方式采用點(diǎn)源排放，示蹤劑由一個(gè)平水頭排污箱排出，污染物排放流量恒定為50 L/h，在1/2 水深處與水流同方向流出，河道水深H0為6.0 cm。

考慮兩個(gè)上游來(lái)流流量：2 L/s、6 L/s。濃度測(cè)量斷面為6個(gè)，斷面S1 布置在主河道，斷面S2，S3，S4，S5，S6 分別布置在汊道B1、B2。各支汊中濃度測(cè)量垂線條數(shù)，隨著斷面寬度變化而變化。濃度垂線上有4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

對(duì)污染物濃度的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，其基準(zhǔn)值采用所有測(cè)量斷面的最大測(cè)量值Cmax。下文中使用的污染物濃度值均采用無(wú)量綱化后數(shù)據(jù)處理結(jié)果，其值分布范圍為[0～1]。無(wú)量綱化的y，z 坐標(biāo)用y*（y*=y/B0）和z*（z*=z/B0）表示，B0為主河道寬度。

2 不同汊道二次流分布分析

三島型群汊河道的二次流分布非常復(fù)雜，每個(gè)汊道的斷面二次流方向均不同，有些斷面存在環(huán)流，而有些斷面二次流雜亂，不存在環(huán)流，因此，三島型群汊河道與彎道、單島雙汊型河道之間均存在較大的差異。本文選取汊道B1、B2 中的典型斷面S3、S5 進(jìn)行分析討論。

斷面二次流分布見圖3，并結(jié)合圖2 可見，汊道B1 位于分汊島M1 與左岸之間，斷面S3 的平面流速矢量向左岸的偏轉(zhuǎn)角從表層到底層略有增大，且斷面中間有回流，從而在斷面S3的中部表層二次流向凸岸，底層二次流向凹岸，在兩種工況下斷面S3 二次流分布的形態(tài)相似，形成一個(gè)順時(shí)針環(huán)流。汊道B2 位于分汊島M1 與M2 之間，由于汊道B2 平面水流偏向右側(cè)，從而造成斷面S5 二次流從左向右流動(dòng)。

圖3 斷面二次流分布

3 不同汊道斷面濃度分布分析

第一級(jí)兩個(gè)汊道中斷面濃度分布是研究群汊河道污染物輸移擴(kuò)散規(guī)律的基本內(nèi)容之一，下面通過(guò)分析斷面濃度高值區(qū)的范圍、位置、濃度值的大小等三個(gè)因子的變化，來(lái)探討不同上游流量條件下，二次流對(duì)不同汊道斷面濃度分布的影響。

為了討論在不同上游來(lái)流流量工況下，即Q=2 L/s、Q=6 L/s，1/6 河寬、2/3 河寬兩種排污位置的不同汊道斷面濃度分布的變化，遴選以下汊道的斷面進(jìn)行分析：對(duì)于1/6 河寬排污位置，污染帶靠左側(cè)，選擇汊道B1 的3 個(gè)典型斷面；對(duì)于2/3 河寬排污位置，污染帶靠右側(cè)，選擇汊道B2 的2 個(gè)典型斷面。

圖4～圖6 為1/6 河寬、2/3 河寬排污位置不同流量條件下進(jìn)口斷面的濃度分布。

不同流量條件下，在1/6 河寬排污位置，汊道B1 的各測(cè)量斷面濃度分布見圖5。在1/6 河寬排污位置，上游流量為2 L/s時(shí)，斷面S2 污染物濃度高值區(qū)位于y*=0.4 附近區(qū)域；上游流量為6 L/s 時(shí)，斷面S2 濃度高值區(qū)向底層擴(kuò)展。上游流量為2 L/s 時(shí)，斷面S3 濃度高值區(qū)位于y*=0.5 左側(cè)；上游流量為6 L/s時(shí)，斷面S3 濃度高值區(qū)擴(kuò)展到斷面右岸，高值區(qū)濃度值也明顯增加。上游流量為2 L/s 時(shí)，斷面S4 濃度高值區(qū)位于y*=0.3 左側(cè)；上游流量為6 L/s 時(shí)，斷面S4 高值區(qū)濃度值增大。

汊道B2 在不同流量條件下，2/3 河寬排污位置的各測(cè)量斷面濃度分布見圖7。在2/3 河寬排污位置，上游流量為2 L/s 時(shí)，斷面S5 和S6 濃度高值區(qū)不明顯；上游流量為6 L/s 時(shí)，斷面S5 濃度高值區(qū)有較大擴(kuò)展，且位于y*=0.25 和0.5 之間，高值區(qū)濃度值也增幅較大，斷面S6 位于y*=0.4 和0.7 之間出現(xiàn)明顯的濃度高值區(qū)。

圖4 1/6 河寬排污位置，進(jìn)口斷面S1 濃度分布

圖5 1/6 河寬排污位置，汊道B1 的斷面濃度分布

圖6 2/3 河寬排污位置，進(jìn)口斷面S1 濃度分布

圖7 2/3 河寬排污位置，汊道B2 的斷面濃度分布

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)兩個(gè)汊道二次流的分析，可以看出三島型群汊河道的二次流分布與彎道、單個(gè)島的雙汊河道是明顯不同的，其二次流方向和大小與分汊島之間的位置關(guān)系、進(jìn)入汊道水流的初始流速分布密切相關(guān)。

（2）在大小兩種上游來(lái)流流量工況下，沿河寬方向不同排污位置，汊道B1、B2 中斷面二次流環(huán)流又明顯影響著兩個(gè)汊道中斷面濃度分布的高值區(qū)范圍、位置、濃度值的大小。