08 環(huán)境水力學 天然河流中的離散.ppt

環(huán)境水力學 1 蔣定國水利與環(huán)境學院 天然河流中的離散 2 本節(jié)主要內容 天然河流中的離散河流離散系數(shù)的估計非恒定剪切流的離散 天然河流中的離散 3 污水入河后的三個階段 廢水排入水體后 最先發(fā)生的過程是混合稀釋 混合稀釋是污染物遷移的重要方式之一 混合稀釋能與水體的水文特征相關稀釋的含義 當廢水進入河流之后 便不斷與河水發(fā)生混合交換作用 是保守污染物濃度沿流程逐漸降低 這一過程稱為混合稀釋過程 天然河流中的離散 4 污水入河后的三個階段 初始稀釋段 射流的方式和周圍水體摻混及擴散 直到垂向混合均勻 一般是三維問題橫向混合階段 當深度上達到濃度分布均勻后 橫向上的混合過程在持續(xù) 經過一定距離后污染物在整個橫斷面上達到濃度分布均勻 這一過程稱為橫向混合階段 可視為二維擴散問題 天然河流中的離散 5 污水入河后的三個階段 斷面充分混合后階段 在橫向混合階段后 污染物濃度在橫斷面上近似均勻 沿縱向的隨流分散占主導地位 可視為一維縱向離散問題第一階段為近區(qū)第二及第三階段為遠區(qū) 天然河流中的離散 6 污水入河后的三個階段 天然河流中的離散 7 污水入河后的三個階段 河流的紊動擴散系數(shù) 8 紊動擴散系數(shù)在擴散過程中起著十分重要的作用 實際天然河道普遍具有三維的 不均勻的流速場 因此河流的紊動擴散系數(shù)的確定也十分復雜 縱向 橫向和垂向和紊動擴散系數(shù)一般數(shù)值不同 而且隨著空間位置以致于時間而變化 紊動擴散系數(shù)是一個重要而不易確定的參數(shù) 它常常帶有經驗系數(shù)的性質 要依靠室內試驗或現(xiàn)場觀測加以確定 河流的紊動擴散系數(shù) 9 通用表達式 河流的紊動擴散系數(shù) 10 垂向紊動擴散系數(shù) 對于寬深比很小的河流 誤差可能較大對于感潮河流 摩阻流速變動 漲潮和退潮的垂向擴散系數(shù)有差別詳細推導見 環(huán)境水力學 張書農 河海大學出版社 1988 12 河流的紊動擴散系數(shù) 11 橫向紊動擴散系數(shù) 橫向紊動擴散系數(shù)的規(guī)律目前還不很清楚 因為河中水流不是各向同性紊流 不能從垂向紊動擴散系數(shù)推出橫向紊動擴散系數(shù) 不僅如此 明渠水流還沒有縱向流速分量的橫向分布的理論表達式 所以也不可能從流速分布來推求橫向動量交換系數(shù) 河流的紊動擴散系數(shù) 12 橫向紊動擴散系數(shù) 通過試驗來確定也有一定困難 目前雖然在平直矩形實驗水槽和天然的河渠中已進行了大量橫向混合試驗 但由于斷面上存在副流 橫向混合過程不只是橫向紊動擴散的作用 而且還有剪切分散的作用 在試驗中很難把兩者區(qū)分開來 河流的紊動擴散系數(shù) 13 橫向紊動擴散系數(shù) 順直明渠 天然河道 河流的紊動擴散系數(shù) 14 縱向紊動擴散系數(shù) 縱向混合過程和橫向混合 垂向混合過程都有區(qū)別 縱向混合過程中分散作用往往大大超過縱向紊動擴散作用 所以用比較粗糙的辦法估計縱向紊動擴散系數(shù) 其誤差對縱向混合系數(shù)值的影響不大 河流的紊動擴散系數(shù) 15 縱向紊動擴散系數(shù) 污染帶的計算 16 確定污染帶內的濃度分布確定污染帶寬度確定污染物擴展至全河寬和達到全斷面混合所需經歷的距離 污染帶的計算 17 河寬遠大于水深 并假定污染物在垂向均勻混合 可視為垂向濃度分布均勻的線源 采用時間連續(xù)線源的分布函數(shù) 污染帶內的濃度分布 污染帶的計算 18 只考慮同岸單邊界反射 污染帶內的濃度分布 污染帶的計算 19 對于岸邊排放 污染帶內的濃度分布 當排污量相等 同一橫坐標上的點 岸邊排放為中心排放2倍 污染帶的計算 20 無量綱化 污染帶內的濃度分布 污染帶的計算 21 岸邊排放擴散區(qū)分布與中心排放一側相似岸邊排放橫向擴展寬度相當于中心排放時的2倍岸邊排放縱向濃度分布與中心排放相同 沿中心線和沿岸邊分別對應沿排放岸和沿另一岸 污染帶內的濃度分布 污染帶的計算 22 當邊遠點的濃度為同一斷面上最大濃度的5 時 該點即可認為是污染帶的邊界中心排放 斷面最大濃度在中心線上岸邊排放 斷面最大濃度在排放岸實際上是橫向濃度分布的計算問題 污染帶寬度的確定 污染帶的計算 23 當同一斷面上最大濃度與最小濃度之差小于5 時 即認為全斷面達到均勻混合中心排放和岸邊排放達到完全混合的距離不同 達到全斷面均勻混合的距離 污染帶的計算 24 中心排放 達到全斷面均勻混合的距離 岸邊排放 污染帶的計算 25 例2 3污染帶寬度的計算已知允許最大排污濃度 排污量的計算例2 4排污帶寬度計算縱向距離計算 河流的縱向離散系數(shù) 26 方程求解的關鍵在于縱向離散系數(shù)的確定常用實測資料或經驗公式來估算 縱向離散系數(shù)估算方法 27 適用于斷面沿程不變的流動順直河道結果接近沿程斷面變化較大的 計算結果不理想 實測斷面流速分布資料推算 縱向離散系數(shù)估算方法 28 更準確在河流適當位置放示蹤劑 在下游適當位置監(jiān)測分析單站法雙站法演算法最優(yōu)化方法 現(xiàn)場濃度觀測資料計算 縱向離散系數(shù)估算方法 29 測量斷面濃度過程線的方差 單站法 縱向離散系數(shù)估算方法 30 縱向離散系數(shù) 單站法 方法簡單要求測量斷面距投放點距離足夠遠 避免計算結果受到初始段的影響 縱向離散系數(shù)估算方法 31 避免了初始段的影響但在濃度過程線后部有低濃度過程 該部分測量精度低 會有虛假方差出現(xiàn) 使結果誤差較大 雙站法 縱向離散系數(shù)估算方法 32 演算法 縱向離散系數(shù)估算方法 33 演算法 將求得的值與實測值比較 若差距較大 修正離散系數(shù) 重新計算得到的為斷面間的平均離散系數(shù)較為精確 但計算工作量大 縱向離散系數(shù)估算方法 34 最優(yōu)化方法 實際上是單站法把示蹤物質當一維平面處理 混合均勻 縱向離散系數(shù)估算方法 35 最優(yōu)化方法 求最小值離散系數(shù)誤差小采樣量小 計算簡單在河床形狀及水文參數(shù)變化不大的情況下 計算結果比較穩(wěn)定 縱向離散系數(shù)估算方法 36 采用實測方法確定縱向離散系數(shù)最可靠但現(xiàn)場觀測耗費人力物力巨大真正做到比較困難 縱向離散系數(shù)估算方法 37 只考慮流速影響 經驗公式估算 考慮幾何形狀的影響 縱向離散系數(shù)估算方法 38 綜合考慮流速及幾