復雜岸坡岸邊排放濃度分布及側向與垂向擴散系數(shù)的實驗研究.pdf

1、江河水庫等天然水體中的岸坡地形大多不規(guī)則，而實際工程中排污口常設于岸邊，污水排放往往在岸邊區(qū)域形成高濃度的污染混合區(qū)。針對不同岸坡地形及紊流條件，對天然水體角形域高濃度污染混合區(qū)污染物的濃度擴散規(guī)律進行探索研究，是水環(huán)境進行功能區(qū)劃分、管理決策、綜合整治的重要依據(jù)和技術環(huán)節(jié)。
　　本文在傾斜岸坡角形域污染物濃度分布理論和實驗研究成果的基礎上，對已有的實驗擴散模型提出改建方案，設計研發(fā)了立面槽中槽復雜岸坡模型污染擴散實驗裝置，用于模

2、擬江河水庫中普遍存在的側向與垂向擴散系數(shù)不相等，岸坡幾何條件復雜的河流斷面形態(tài)。設計的槽中槽結構，有效解決了以往研究模型出現(xiàn)的變形、位移和漏藥現(xiàn)象，大大提高了實驗的成功率。結合天然河庫的實際情況，給出了3種復雜岸坡情形的相關幾何參數(shù)，并針對不同岸坡條件合理制定設計了實驗所需的內槽模型。在頂點排污濃度分布理論的指導下，借助研發(fā)的立面二維槽中槽污染擴散實驗裝置，進行了角形域復雜岸坡頂點瞬時線源排放實驗。
　　在立面二維復雜岸坡水體斷面

3、頂點排放實驗的基礎上，提出采用數(shù)字圖像處理的方法進行二維濃度場的測量，采用羅丹明B作為示蹤物質，設計構建了針對本實驗方案的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，對采集到的示蹤劑擴散圖像進行處理，經(jīng)過同態(tài)濾波、中值濾波、顏色空間模型轉換和聚類分割等算法處理后最終得到效果較好的等濃度分布曲線，實現(xiàn)了濃度分布數(shù)據(jù)讀取的可視化，反映了示蹤劑在水中輸移擴散的基本特征。
　　以研究岸邊排放濃度分布規(guī)律和應用為目標，對天然河流和水庫普遍存在的傾斜階梯岸坡、傾斜波狀

4、岸坡、傾斜波狀階梯岸坡等3種岸坡形態(tài)展開實驗研究。采用立面二維擴散水槽實驗裝置和變頻格柵振蕩系統(tǒng)，模擬不同岸坡形態(tài)以及側向與垂向擴散系數(shù)不相等的實驗環(huán)境。對復式岸坡選擇不同幾何尺度、角形域角度θ=2π/β(角域映射系數(shù)β=8，9，10，11…)以及不同的波狀或階梯高度，研究其岸邊排放濃度分布規(guī)律、側向與垂向擴散系數(shù)的變化規(guī)律和縱向變擴散系數(shù)條件下污染混合區(qū)形態(tài)與各特征值的計算方法。實驗研究發(fā)現(xiàn):
　　(1)在波狀和傾斜岸坡中，污染

5、質在進入水體后，沿水面的側向擴散均明顯快于深度方向的擴散，側向擴散系數(shù)大于垂向擴散系數(shù)。波狀岸坡線傾角θ=30°和θ=45°時，污染物在水面處呈半正態(tài)濃度分布，分別與對應角度的理論濃度分布大致相同。隨著角形域角度的增大，θ=45°時產(chǎn)生的了明顯的旋渦，旋渦尺度較大，呈順時針方向，邊緣濃度高，中心濃度低，改變了污染物在岸坡上的濃度分布。實驗研究發(fā)現(xiàn)波狀岸坡的側向與垂向擴散系數(shù)均大于傾斜岸坡的擴散系數(shù)。隨振蕩頻率的增加，側向與垂向擴散系數(shù)均

6、增大，同一振蕩頻率下污染云團的側向擴散系數(shù)基本穩(wěn)定。
　　(2)在傾斜波狀階梯岸坡頂點排放實驗中，污染物沿水面的側向擴散較深度方向擴散快，在污染云團擴散至中部區(qū)域之前尤為明顯，側向擴散系數(shù)大于垂向擴散系數(shù)，階梯的側向位置坐標越小，污染云團在階梯處的側向擴散特征越明顯。隨著頻率的增加，污染云團在側向和垂向發(fā)展加快。階梯對污染云團的擴散發(fā)展和污染混合區(qū)形態(tài)有很大影響。
　　對復雜岸坡河庫岸邊排放濃度分布規(guī)律及側向與垂向擴散系數(shù)進