三島型群汊河道中二次流分布對污染物擴散的影響研究

紀 偉

（湖南城市學院，湖南 益陽 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)，國內(nèi)外學者對各種河段的水流特性和污染物輸移擴散特性均進行了一定的探討。

彎曲河道的水流運動現(xiàn)象是天然河流中常見的、作曲線運動的彎道水流，在重力與離心力作用下顯現(xiàn)出特有的運動特性。20 世紀90 年代以來，不少學者對彎道水流相關問題進行了多方面的研究。Blanckaert,K.等[1]為了研究彎道中二次環(huán)流的規(guī)律推導出了一個非線性數(shù)學模型，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。Ottevanger,W.等[2]研究了急彎河道中三維流速分布，并提出了一個無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)象的機理可以用二次流飽和度的概念來解釋，二次流飽和的同時也伴隨著流速重分布的衰減。Sang Soo Han 等[3]對含有垂直葉片的彎道進行了三維數(shù)值模擬，結果顯示垂直葉片對減小二次流強度和沿內(nèi)邊壁水流分離是有效的，三葉片結構對形成均勻流更加有效。

關于單島雙汊型河道中水流運動與污染物輸運規(guī)律的研究，主要集中在數(shù)值模擬研究上。楊春平等[4]建立了二維模型對彎曲型分汊河道中污染物濃度場進行了計算，當排污位置位于左岸邊時，一個明顯的污染帶出現(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)來自兩個汊道的污染物摻混更為充分。江帆等[5]針對彎曲性分汊河道，應用有限單元法對污染物擴散數(shù)學模型進行求解，計算結果表明，由于彎道分離區(qū)繞流和回流的作用，污染物擴散態(tài)勢不同，其中在彎道分離處污染物呈現(xiàn)多向性擴散，在岸邊位置出現(xiàn)減緩的擴散趨勢，而污染物緩慢的擴散行為發(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，由三個分汊島分割形成的汊道長短不一、寬淺各異，其水流結構與污染物的輸移擴散過程比彎曲河道和單島雙汊型河道更為復雜。揭示三島型群汊河道水流結構與污染物的輸移擴散過程，可為河道整治、航運規(guī)劃設計、水資源保護等提供科學依據(jù)，為此，必須對二次流分布對污染物擴散的影響進行研究。

1 試驗裝置與儀器設備

對三島型群汊河段分汊島的形態(tài)進行了概化，以便于開展物理模型試驗研究。模型試驗安排在一個特制的水槽中進行，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。試驗測量段由主河道、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，試驗模型及設備的平面布置見圖1。試驗中，水槽流量由進口閥門、電磁流量計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。

試驗采用美國SonTek 公司進口的16 MHz 聲學多普勒流速計Micro ADV 測量水流的三維流速。Micro ADV 在每個測點以25 Hz 頻率采樣45 s，每點共有1125 個瞬時數(shù)據(jù)。

圖2 為試驗測量斷面布置圖，各橫斷面的垂線量測條數(shù)根據(jù)汊道寬度而有所變化。每條垂線上設置7 個垂向測點，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無量綱化，三個時均流速分量分別為u*=/V0、v*=/V0、w*=/V0。

圖1 三島型群汊河道試驗模型及設備的平面布置示意圖

圖2 三島型群汊河道測量斷面布置圖

為進行污染物擴散的研究，在群汊段上游分別布置了不同排放點位，增加一套污染物排放系統(tǒng)和多點電導自動采集系統(tǒng)，試驗中采用成都新三可儀器有限公司研發(fā)的多點電導自動采集系統(tǒng)(THANK-2000 化學儀表工作站采集模塊)測量污染物示蹤劑的電導率。

污染物排放位置設在分汊口上游2.9 m 處（圖1 中斷面RP），在該斷面上排放點分別設在1/6 河寬、2/3 河寬處，與圖1中排放斷面RP 上的①、②點相對應。排放方式采用點源排放，示蹤劑由一個平水頭排污箱排出，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。

考慮兩個上游來流流量：2 L/s、6 L/s。濃度測量斷面為6個，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 個測點。

對污染物濃度的測量數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，其基準值采用所有測量斷面的最大測量值Cmax。下文中使用的污染物濃度值均采用無量綱化后數(shù)據(jù)處理結果，其值分布范圍為[0～1]。無量綱化的y，z 坐標用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雜，每個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 進行分析討論。

斷面二次流分布見圖3，并結合圖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，形成一個順時針環(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，從而造成斷面S5 二次流從左向右流動。

圖3 斷面二次流分布

3 不同汊道斷面濃度分布分析

第一級兩個汊道中斷面濃度分布是研究群汊河道污染物輸移擴散規(guī)律的基本內(nèi)容之一，下面通過分析斷面濃度高值區(qū)的范圍、位置、濃度值的大小等三個因子的變化，來探討不同上游流量條件下，二次流對不同汊道斷面濃度分布的影響。

為了討論在不同上游來流流量工況下，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行分析：對于1/6 河寬排污位置，污染帶靠左側，選擇汊道B1 的3 個典型斷面；對于2/3 河寬排污位置，污染帶靠右側，選擇汊道B2 的2 個典型斷面。

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，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，斷面S2 濃度高值區(qū)向底層擴展。上游流量為2 L/s 時，斷面S3 濃度高值區(qū)位于y*=0.5 左側；上游流量為6 L/s時，斷面S3 濃度高值區(qū)擴展到斷面右岸，高值區(qū)濃度值也明顯增加。上游流量為2 L/s 時，斷面S4 濃度高值區(qū)位于y*=0.3 左側；上游流量為6 L/s 時，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，斷面S5 和S6 濃度高值區(qū)不明顯；上游流量為6 L/s 時，斷面S5 濃度高值區(qū)有較大擴展，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 結論

（1）通過對兩個汊道二次流的分析，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系、進入汊道水流的初始流速分布密切相關。

（2）在大小兩種上游來流流量工況下，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汊道中斷面濃度分布的高值區(qū)范圍、位置、濃度值的大小。