分汊型河道水流運(yùn)動(dòng)特性和污染物輸移規(guī)律研究進(jìn)展

顧 莉,華祖林,褚克堅(jiān),劉曉東

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;

2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,江蘇南京 210098)

分汊型河道是一種特定而時(shí)常遇到的河道形態(tài),由于江心洲的存在,河道水流發(fā)生分汊現(xiàn)象,如長(zhǎng)江中下游、珠江廣東段、贛江、湘江、松花江、黑龍江、美國(guó)Mississippi河、非洲Niger河和Benue河等都時(shí)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(fù)雜,其水流結(jié)構(gòu)和污染物輸移規(guī)律不同于順直或彎曲河道,具有自身的獨(dú)特性。由于分汊型河道與一般河道同樣也擔(dān)負(fù)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(yùn)特性可為確定該類河道中污染物的摻混機(jī)制、納污能力和水污染控制提供依據(jù),并為國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)服務(wù)提供支撐,具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

筆者擬對(duì)分汊型河道中水流運(yùn)動(dòng)特性和污染物輸移擴(kuò)散規(guī)律的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,介紹有關(guān)分汊型河道中分流口、交匯口和整個(gè)分汊河道的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面的研究成果,總結(jié)和分析污染物在分汊型河道中的輸運(yùn)擴(kuò)散規(guī)律,并提出分汊型河道中有待深入研究的問(wèn)題。

1 分汊型河道水流運(yùn)動(dòng)特性的研究進(jìn)展

由于分汊型河道的水流結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性十分復(fù)雜。因此,分汊型河道水流結(jié)構(gòu)的探索一直為人們所關(guān)注,下面分別對(duì)分汊河道中分汊口、交匯口及整個(gè)分汊河道的水流運(yùn)動(dòng)特性的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1.1 分汊口水流運(yùn)動(dòng)特性

在分汊口,水流被江心洲分成2股或多股,流線彎曲產(chǎn)生離心作用,從而形成水面橫向比降和橫向環(huán)流,流線方向改變劇烈時(shí),支汊進(jìn)口段還可能形成分離區(qū),成為污染物滯留的場(chǎng)所。分汊口復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)與分汊口的平面形態(tài)、地形特征和上游來(lái)流等眾多因素有關(guān)。20世紀(jì)40年代從邊界相對(duì)簡(jiǎn)單的分汊明渠開(kāi)始,眾多學(xué)者利用物理模型試驗(yàn)和理論分析的方法研究了分汊明渠一維和二維水流的過(guò)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(shù)以及能量損失等。其中,具有代表性的有:Taylor[1]通過(guò)等寬直角分汊明渠試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)分流量的多少取決于分汊口水動(dòng)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(guān)系,但由于Taylor假設(shè)支汊的入流不受尾門(mén)控制,致使關(guān)系圖的應(yīng)用有一定的局限性[2];Law等[3]通過(guò)理論分析,建立了Fr與分流比、收縮系數(shù)等因子之間的關(guān)系,同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)水位隨Fr增大的變化規(guī)律;Ramamurthy等[4]從能量、連續(xù)和動(dòng)量方程出發(fā),推導(dǎo)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(guān)系式,支汊分流比與收縮系數(shù)、主支汊寬度比以及主支汊速度比之間的理論關(guān)系式,這些關(guān)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(yàn)結(jié)果吻合良好;Hager[5]通過(guò)假設(shè)支汊收縮斷面處水流處于臨界狀態(tài),推導(dǎo)得出支汊能量損失系數(shù)的表達(dá)式。后來(lái),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(guān),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(guò)試驗(yàn)研究了直角等寬分汊明渠的水力特性,發(fā)現(xiàn)支汊的收縮系數(shù)反比于主汊的上下游流量比,并建立了能力損失系數(shù)與流量比、上游Fr和水深比的關(guān)系。Kesserwani等[8]提出一個(gè)可以計(jì)算多種流態(tài)分汊明渠分流比的模型,通過(guò)與前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較可知該模型計(jì)算結(jié)果優(yōu)于其他估算公式。

隨著測(cè)量技術(shù)的提高,從20世紀(jì)90年代開(kāi)始有關(guān)分汊口三維特性的研究逐漸開(kāi)展起來(lái)。Neary等[9]對(duì)直角分汊明渠不同水深處的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)分汊口表、中、底層水流結(jié)構(gòu)具有較大差異,支汊分離區(qū)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(duì)分汊口水流結(jié)構(gòu)有顯著影響。羅福安等[10]根據(jù)對(duì)直角分水口前不同水深處平面流場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果,將水流流態(tài)劃分為加速區(qū)、穩(wěn)速區(qū)、擴(kuò)散減速區(qū)、分離減速區(qū)、潛流加速區(qū)、潛流減速區(qū)、滯留區(qū)和回流區(qū)共8個(gè)區(qū),分析并說(shuō)明了每個(gè)區(qū)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(duì)流速和水流Fr之間的關(guān)系。遺憾的是由于測(cè)量手段的限制,Neary等[9]和羅福安等[10]沒(méi)能測(cè)量出斷面二次環(huán)流結(jié)構(gòu)的分布特征。Barkdoll等[11]測(cè)量了明渠分汊流的流速分布和自由表面的水位變化,發(fā)現(xiàn)明渠中存在顯著的二次流,并且支汊中轉(zhuǎn)彎水流的外緣水位高于內(nèi)緣水位。童朝鋒[12]測(cè)量了30°角分汊口的水流結(jié)構(gòu),比較了表層和底層流場(chǎng)的差別,并給出了主支汊橫斷面上方向相反的2個(gè)環(huán)流結(jié)構(gòu)。近來(lái),Ramamurthy等[13]進(jìn)一步詳細(xì)地觀測(cè)了直角分汊明渠的水流結(jié)構(gòu),得到了分汊口區(qū)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(chǎng)和不同斷面二次流,指出支汊進(jìn)口處回流區(qū)尺寸反比于支汊流量比,主支汊不同斷面二次環(huán)流結(jié)構(gòu)存在較大差異。

數(shù)值模擬也是研究分汊口水流結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(duì)分汊明渠流場(chǎng)進(jìn)行模擬,Chen的模型適合于分流比較小的情形,對(duì)于分流比較大的情況,模型計(jì)算結(jié)果存在較大偏差;李克鋒等[15]提出了區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)法來(lái)處理分汊口的不規(guī)則邊界,模型計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu),模型較好地再現(xiàn)了分汊口的回流區(qū),回流區(qū)尺寸的計(jì)算值與試驗(yàn)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(dòng)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(shí)均N-S方程,并采用壁函數(shù)和一階精度的有限體積法求解方程。Neary等[18]也建立了一個(gè)三維紊流模型,探討了“T”形口復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和底沙輸運(yùn)過(guò)程,并考慮底床糙率變化對(duì)分汊水流結(jié)構(gòu)的影響,但是模型沒(méi)有考慮水面變化的影響。由于分汊河道受復(fù)雜邊界的限制,較難生成具有良好正交性的曲線網(wǎng)格。童朝鋒[12]建立了廣義曲線坐標(biāo)系下的三維水流數(shù)學(xué)模型,解決了網(wǎng)格非正交的影響,模型采用逆變流速?gòu)埩孔鳛橹髯兞?模擬了試驗(yàn)條件下不同邊界分汊口的水動(dòng)力結(jié)構(gòu),并成功地對(duì)天然分汊河道的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xiàn)了支汊進(jìn)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(mén)處表底層水流的差異及橫向環(huán)流的存在,并發(fā)現(xiàn)分汊口門(mén)處的環(huán)流強(qiáng)弱和懸移質(zhì)垂線分布是影響分沙比與分流比關(guān)系的主要因素。Li等[20]建立了三維 RANS紊流模型,對(duì) Ramamurthy等[13]的分汊明渠試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬,模型較好地計(jì)算了三維流速值與水面線的變化情況。

1.2 交匯口水流運(yùn)動(dòng)特性

交匯口是分汊型河道另一個(gè)重要的組成部分,交匯河道的水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)與單一河槽相比有顯著不同。交匯處水流相互頂托,發(fā)生紊動(dòng)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(shí),支汊水流受上游來(lái)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(qū),束窄過(guò)流斷面,而且斷面環(huán)流明顯。Taylor早在1944年就推導(dǎo)出了明渠交匯口匯流比的關(guān)系式,并與匯流角為45°和135°的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明在小交匯角時(shí)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(qū)的寬度和長(zhǎng)度變化特征。Best等[22-23]通過(guò)試驗(yàn)研究分離區(qū)的最大寬度,指出Modi的理論方法計(jì)算出的分離區(qū)寬度偏大,并發(fā)現(xiàn)匯流角度為直角情況下,分離區(qū)的寬度和長(zhǎng)度比為常數(shù)0.19。Biron等[24]研究了被前人忽略的河床高差對(duì)交匯流的影響,河床高差的存在可使下層分離區(qū)受到空間限制,甚至消失,還會(huì)引起混合層垂向軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)扭曲,不再與河床垂直。Ramamurthy等[25]在理論分析基礎(chǔ)上,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了直角封閉矩形水槽的匯流區(qū)域二維流場(chǎng)、壓力分布,研究了不同主支汊流量比及主支汊形態(tài)大小對(duì)能量損失系數(shù)、支流到主流的動(dòng)量傳遞與匯流區(qū)幾何形態(tài)等的影響。Hsu等[26]研究了30°,45°和60°的交匯口分離區(qū)結(jié)束斷面處的能量和動(dòng)量校正系數(shù),建立了主河道上下游水深比的函數(shù)關(guān)系式,分析發(fā)現(xiàn)水深比與交匯角和Fr成正相關(guān),并且建立了能量損失系數(shù)與主河道上游流量比、水深比以及Fr之間的函數(shù)關(guān)系式。茅澤育等[27]對(duì)等寬明渠交匯口水流分離區(qū)的形狀及尺寸進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明,明渠匯流所引起的水流分離區(qū)的尺寸(長(zhǎng)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(guò)理論分析提出了分離區(qū)收縮系數(shù)及能量損失系數(shù)的表達(dá)式。王協(xié)康等[28]則以較為翔實(shí)的水槽實(shí)驗(yàn)資料為基礎(chǔ),采用流線法和等值線法對(duì)實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)水流分離區(qū)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(qū)域內(nèi)二次流對(duì)流速分布的影響。

除上述有關(guān)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(cè)量了一個(gè)天然非對(duì)稱交匯河流的流速分布,在枯水期時(shí)水流結(jié)構(gòu)主要受主支汊動(dòng)量比、上游來(lái)流流量和河床地形等條件影響。Weber等[30]利用ADV對(duì)直角明渠匯流處的三維水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定,分析了流場(chǎng)分布、紊動(dòng)結(jié)構(gòu)和水面變化等規(guī)律,并利用部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了前人關(guān)于水深比的模型,結(jié)果表明這些關(guān)于匯流的簡(jiǎn)單模型是可信的。茅澤育等[31]采用試驗(yàn)手段探索等寬45°交匯角的匯流區(qū)三維流動(dòng)結(jié)構(gòu),對(duì)于給定的交匯口形狀及尺寸、分離區(qū)形狀基本保持不變,分離區(qū)尺寸隨主支渠流量比變化并具有較好的相關(guān)關(guān)系。郭維東等[32]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“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(shì)減弱。吳迪等[33]對(duì)復(fù)式斷面河道“Y”形交匯河口水流進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)交匯口處水流水位呈現(xiàn)中間低、兩邊高的形態(tài),灘地上水位出現(xiàn)干流側(cè)水位低、支流側(cè)水位高的現(xiàn)象;河流洪水漫灘以后,在灘槽交界面附近水深發(fā)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?yún)R后的水面比降變化和時(shí)均流速分布特征,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)匯流比增大時(shí),入?yún)R口上游斷面時(shí)均流速減小,入?yún)R口下游斷面產(chǎn)生高、低流速帶,形成回流分離區(qū);入?yún)R口上游的干支流水面坡降取決于干支流相互頂托影響,入?yún)R口處及其下游合流摻混區(qū)水面坡降隨匯流比增大而減小。

關(guān)于交匯口的二維數(shù)學(xué)模型從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始發(fā)展,但是這些模型主要考慮橫向剪切作用,忽略了水力參數(shù)在垂向的變化[35-36]。在發(fā)現(xiàn)交匯口的二次環(huán)流結(jié)構(gòu)后,三維模型漸漸發(fā)展起來(lái)。Weerakoon等[37]利用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)匯流口的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算,模型采用剛蓋假定,表層與底層水流特征的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好,不足的是回流區(qū)的長(zhǎng)度誤差較大,兩者相差30%左右。Bradbook等[38]也對(duì)匯流口進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,研究了非對(duì)稱匯流口存在高差的河床對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響,模擬結(jié)果表明主支汊河床的高差作用顯著增大了二次流強(qiáng)度,雖然該模型不能完全定量地再現(xiàn)交匯口細(xì)微的水流結(jié)構(gòu),如上升流的流速大小存在一定差異,但模擬結(jié)果是對(duì)交匯流研究的重要補(bǔ)充和延續(xù)。Huang等[39]建立的三維數(shù)學(xué)模型經(jīng)90°角的交匯明渠試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后,進(jìn)一步探索了其他交匯角對(duì)明渠水流特性的影響。Wang等[40]利用三維數(shù)學(xué)模型模擬了主支汊有高差的“Y”形交匯明渠的水流結(jié)構(gòu),與試驗(yàn)結(jié)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(qū)和二次流等主要水流特性,模型計(jì)算出的交匯口分離區(qū)形狀參數(shù)、支渠入流角及斷面收縮系數(shù)等參數(shù)值與前人實(shí)測(cè)值吻合良好。馮鏡潔等[42]采用k-ε雙方程模型結(jié)合VOF方法,對(duì)不同入?yún)R角及不同匯流比的入?yún)R型水槽中水流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,成功模擬出了分離區(qū)的出現(xiàn)、分離區(qū)的幾何尺度、交匯區(qū)域的水位變化等現(xiàn)象。最近,Shakibainia等[43]利用三維數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)深入地研究了交匯明渠的水力特性,模擬結(jié)果表明交匯角、流量、寬度比和Fr對(duì)流速的轉(zhuǎn)向、分離以及二次環(huán)流有顯著影響。

1.3 分汊型河道整體水流運(yùn)動(dòng)特性

上述研究都是針對(duì)分汊型河道中分汊口和交匯口處的水流特性研究,對(duì)整個(gè)分汊型河道水流結(jié)構(gòu)的野外觀測(cè)與物模試驗(yàn)研究相對(duì)較少。Richardson等[44]測(cè)量了雅魯藏布江上Jamuna River中分汊河道的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和支汊地形地貌演變過(guò)程,分析得出單一河道中流場(chǎng)分割成多流線的水流結(jié)構(gòu)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(guò)水槽試驗(yàn)探索了分汊型河道底沙輸移演化特征和整體水流結(jié)構(gòu),長(zhǎng)條狀的江心洲模型固定在矩形斷面水槽中,試驗(yàn)對(duì)江心洲周?chē)目v向流速分布進(jìn)行了測(cè)量和分析,著重關(guān)注了底沙輸運(yùn)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(yàn)系統(tǒng),詳細(xì)測(cè)量了整個(gè)分汊河道的水流結(jié)構(gòu)和紊動(dòng)特征,試驗(yàn)結(jié)果表明在大分汊角模型的支汊進(jìn)口段存在回流區(qū),回流區(qū)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(qū);大、小分汊角模型支汊中的二次流旋轉(zhuǎn)方向相反;水流紊動(dòng)能分布規(guī)律也與回流區(qū)相關(guān)。

相對(duì)于物理模型試驗(yàn),采用數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型模擬了長(zhǎng)江口多級(jí)分汊河道的水流特性、底沙輸運(yùn)或鹽度分布情況,如竇希萍等[47]在正交坐標(biāo)系下建立了能較好擬合長(zhǎng)江口邊界的平面二維潮流和全沙數(shù)學(xué)模型,該全沙數(shù)學(xué)模型成功復(fù)演了長(zhǎng)江口流場(chǎng)、含沙量場(chǎng)和地形變化;龔政等[48]建立了σ坐標(biāo)系下長(zhǎng)江口正壓、斜壓診斷及斜壓預(yù)報(bào)模式的三維流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,通過(guò)模擬結(jié)果的定量比較,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江口三維斜壓診斷模式與斜壓預(yù)報(bào)模式的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果在量值上有可觀的差異(一般在10cm/s左右),斜壓預(yù)報(bào)模式更為精確;馬鋼峰等[49]利用ECOM模式建立了一個(gè)長(zhǎng)江口水動(dòng)力鹽度三維數(shù)值模型,計(jì)算和分析了南北槽垂向鹽度分布和鹽水通量過(guò)程。此外,Nicholas等[50]計(jì)算了瑞士阿爾卑斯山下Ferpècle River中分汊河流的三維流場(chǎng),模型精細(xì)地模擬出分汊口前斷面二次流發(fā)生分汊現(xiàn)象,右支汊彎曲度和斷面放寬率大,其進(jìn)口部分存在回流區(qū),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(gè)高流速區(qū)。余新明等[51]基于無(wú)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,建立了分汊型河道二維水沙數(shù)學(xué)模型,模擬了武漢天興洲汊道段的水流泥沙運(yùn)動(dòng),模型較好地再現(xiàn)了天然分汊河段的流場(chǎng)變化、泥沙輸移、左右汊水沙分配及河床沖淤演變過(guò)程。張為等[52]針對(duì)分汊淺灘河道的特性,建立了正交曲線坐標(biāo)下河道二維水流泥沙數(shù)學(xué)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。齊王君等[53]建立了長(zhǎng)江水系武漢段的三維水動(dòng)力模型,計(jì)算發(fā)現(xiàn)天興洲右岸河道內(nèi)流速大,與沖蝕溝一起構(gòu)成了逆時(shí)針環(huán)狀流場(chǎng),加劇了沖蝕溝的沖蝕;而天興洲左岸河道內(nèi)的流速小,河床淤積嚴(yán)重。雖然這些研究沒(méi)有系統(tǒng)地探明分汊河型的水流運(yùn)動(dòng)特性,但客觀上促進(jìn)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(jìn)展

關(guān)于分汊型河道中污染物輸運(yùn)規(guī)律的研究并不多,而且主要集中在數(shù)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(guī)律,結(jié)果表明,當(dāng)排放口到分汊點(diǎn)的距離增大,或者入射動(dòng)量增大時(shí),同岸側(cè)汊道的分污比均呈下降趨勢(shì)。楊春平等[55]利用二維模型計(jì)算了彎曲型分汊河道中水質(zhì)的濃度場(chǎng)分布,污染物在左岸邊排放后,污染源下游有一個(gè)明顯的污染帶,大部分污染物進(jìn)入江心洲左側(cè)的支汊,在下游交匯口處左右汊污染物進(jìn)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(shù)學(xué)模型,計(jì)算結(jié)果表明,污染物位于江心洲上游2km排放后,污染物流經(jīng)汊道時(shí)還沒(méi)有完全達(dá)到全斷面混合,污染物在擴(kuò)散、降解過(guò)程中受到江心洲地理位置的影響,混合長(zhǎng)度增加。Biron等[57]用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)污染物在實(shí)驗(yàn)室和天然交匯河道中交匯口及下游河道中的混合過(guò)程進(jìn)行了模擬,實(shí)驗(yàn)室中交匯明渠的兩汊存在底部高差時(shí)混合過(guò)程加速,天然情形下交匯口的上游來(lái)流小時(shí)混合較快,遠(yuǎn)區(qū)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(kuò)散數(shù)學(xué)模型,污染物在彎道分離處回流和繞流等水流作用下,呈現(xiàn)出不同的擴(kuò)散態(tài)勢(shì),其中在岸邊擴(kuò)散有減緩的趨勢(shì),在彎道分離處污染物擴(kuò)散呈現(xiàn)多向性,而在回流狀態(tài)下和繞流尾跡區(qū),污染物擴(kuò)散緩慢,有利于污染物的收集和集中治理。Lee等[59]利用數(shù)學(xué)模型對(duì)韓國(guó)Han River某一分汊河段中污染物的傳輸過(guò)程進(jìn)行了模擬,也分析了污染物流經(jīng)Nodeul Island時(shí)在左右兩汊中的分布特征。此外,還有不少針對(duì)長(zhǎng)江口多級(jí)分汊河口的岸邊排放污染物后濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[60-61]。

利用物理模型進(jìn)行研究的成果報(bào)道非常零星,顧莉[62]通過(guò)分汊型河道物理模型試驗(yàn),在分汊口上游斷面的不同橫向位置處點(diǎn)源排放污染物,探索分汊型河道中污染物的輸移擴(kuò)散規(guī)律,研究表明左側(cè)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(jìn)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(guī)律與支汊寬度比密切相關(guān);通過(guò)計(jì)算不同工況下污染物進(jìn)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(shù)關(guān)系式。顧莉[62]還對(duì)分汊型河道中污染物的縱向離散能力進(jìn)行研究,進(jìn)行縱向離散示蹤試驗(yàn),計(jì)算分汊型河道縱向離散系數(shù),分析表明縱向離散系數(shù)與平均流速、水深、糙率和分汊角呈遞增關(guān)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(shù)與流量、分汊角、分流比、水深等因子的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 結(jié) 語(yǔ)

分汊型河道是自然界廣泛存在的一種河道形態(tài),目前,分汊型河道水流結(jié)構(gòu)的研究主要集中在分汊口和交匯口處。分汊口部分關(guān)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(jié)構(gòu)的探究仍值得深入,目前主要對(duì)直角平底分汊明渠的三維流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量與分析,對(duì)分汊口水流的紊動(dòng)特征關(guān)注較少。此外,對(duì)于天然分汊口詳細(xì)的水流結(jié)構(gòu)和紊動(dòng)特征的研究尚不多見(jiàn),值得進(jìn)一步深入探究。

交匯口部分的研究不論是室內(nèi)模型還是天然交匯口的水流特性研究均有較多報(bào)道,主支汊的河床高低差異和沖刷坑等多種復(fù)雜因素的影響均有被考慮到。但是,對(duì)于交匯口的螺旋結(jié)構(gòu)形態(tài)以及水面變化規(guī)律等方面的問(wèn)題還存在爭(zhēng)議,野外匯流口在眾多復(fù)雜邊界和水力條件下的水流結(jié)構(gòu)研究也較為欠缺,還有繼續(xù)深入探索的空間。

由于分汊型河道的復(fù)雜性,有關(guān)整個(gè)分汊型河道的水流特性研究相對(duì)較少。目前研究主要為對(duì)包含江心洲的分汊型河道的數(shù)值模擬,對(duì)水流細(xì)部結(jié)構(gòu)探究不夠。主支汊縱向與橫向比降、江心洲形狀、江心洲數(shù)量等眾多因子對(duì)整個(gè)分汊型河道水流流場(chǎng)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(wú)植被的影響也值得深入探究。

有關(guān)分汊型河道中污染物輸移特性的研究更少,除了數(shù)值模擬計(jì)算外,亟須加強(qiáng)試驗(yàn)研究,深入系統(tǒng)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(kuò)散機(jī)制的研究以及不同的分汊形態(tài)對(duì)污染物輸運(yùn)擴(kuò)散的影響研究,從而為掌握復(fù)雜分汊型河道的污染物輸移規(guī)律提供科學(xué)基礎(chǔ)。

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