08 環(huán)境水力學(xué) 天然河流中的離散.ppt

環(huán)境水力學(xué) 1 蔣定國(guó)水利與環(huán)境學(xué)院 天然河流中的離散 2 本節(jié)主要內(nèi)容 天然河流中的離散河流離散系數(shù)的估計(jì)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(gè)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(guān)稀釋的含義 當(dāng)廢水進(jìn)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(gè)階段 初始稀釋段 射流的方式和周圍水體摻混及擴(kuò)散 直到垂向混合均勻 一般是三維問題橫向混合階段 當(dāng)深度上達(dá)到濃度分布均勻后 橫向上的混合過程在持續(xù) 經(jīng)過一定距離后污染物在整個(gè)橫斷面上達(dá)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(kuò)散問題 天然河流中的離散 5 污水入河后的三個(gè)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(dǎo)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(yuǎn)區(qū) 天然河流中的離散 6 污水入河后的三個(gè)階段 天然河流中的離散 7 污水入河后的三個(gè)階段 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 8 紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)在擴(kuò)散過程中起著十分重要的作用 實(shí)際天然河道普遍具有三維的 不均勻的流速場(chǎng) 因此河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的確定也十分復(fù)雜 縱向 橫向和垂向和紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)一般數(shù)值不同 而且隨著空間位置以致于時(shí)間而變化 紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)重要而不易確定的參數(shù) 它常常帶有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的性質(zhì) 要依靠室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)加以確定 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 9 通用表達(dá)式 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 10 垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 對(duì)于寬深比很小的河流 誤差可能較大對(duì)于感潮河流 摩阻流速變動(dòng) 漲潮和退潮的垂向擴(kuò)散系數(shù)有差別詳細(xì)推導(dǎo)見 環(huán)境水力學(xué) 張書農(nóng) 河海大學(xué)出版社 1988 12 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 11 橫向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 橫向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的規(guī)律目前還不很清楚 因?yàn)楹又兴鞑皇歉飨蛲晕闪?不能從垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)推出橫向紊動(dòng)擴(kuò)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(dá)式 所以也不可能從流速分布來推求橫向動(dòng)量交換系數(shù) 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 12 橫向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 通過試驗(yàn)來確定也有一定困難 目前雖然在平直矩形實(shí)驗(yàn)水槽和天然的河渠中已進(jìn)行了大量橫向混合試驗(yàn) 但由于斷面上存在副流 橫向混合過程不只是橫向紊動(dòng)擴(kuò)散的作用 而且還有剪切分散的作用 在試驗(yàn)中很難把兩者區(qū)分開來 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 13 橫向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 順直明渠 天然河道 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 14 縱向紊動(dòng)擴(kuò)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(dòng)擴(kuò)散作用 所以用比較粗糙的辦法估計(jì)縱向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 其誤差對(duì)縱向混合系數(shù)值的影響不大 河流的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 15 縱向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 污染帶的計(jì)算 16 確定污染帶內(nèi)的濃度分布確定污染帶寬度確定污染物擴(kuò)展至全河寬和達(dá)到全斷面混合所需經(jīng)歷的距離 污染帶的計(jì)算 17 河寬遠(yuǎn)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(shí)間連續(xù)線源的分布函數(shù) 污染帶內(nèi)的濃度分布 污染帶的計(jì)算 18 只考慮同岸單邊界反射 污染帶內(nèi)的濃度分布 污染帶的計(jì)算 19 對(duì)于岸邊排放 污染帶內(nèi)的濃度分布 當(dāng)排污量相等 同一橫坐標(biāo)上的點(diǎn) 岸邊排放為中心排放2倍 污染帶的計(jì)算 20 無量綱化 污染帶內(nèi)的濃度分布 污染帶的計(jì)算 21 岸邊排放擴(kuò)散區(qū)分布與中心排放一側(cè)相似岸邊排放橫向擴(kuò)展寬度相當(dāng)于中心排放時(shí)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(duì)應(yīng)沿排放岸和沿另一岸 污染帶內(nèi)的濃度分布 污染帶的計(jì)算 22 當(dāng)邊遠(yuǎn)點(diǎn)的濃度為同一斷面上最大濃度的5 時(shí) 該點(diǎn)即可認(rèn)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(shí)際上是橫向濃度分布的計(jì)算問題 污染帶寬度的確定 污染帶的計(jì)算 23 當(dāng)同一斷面上最大濃度與最小濃度之差小于5 時(shí) 即認(rèn)為全斷面達(dá)到均勻混合中心排放和岸邊排放達(dá)到完全混合的距離不同 達(dá)到全斷面均勻混合的距離 污染帶的計(jì)算 24 中心排放 達(dá)到全斷面均勻混合的距離 岸邊排放 污染帶的計(jì)算 25 例2 3污染帶寬度的計(jì)算已知允許最大排污濃度 排污量的計(jì)算例2 4排污帶寬度計(jì)算縱向距離計(jì)算 河流的縱向離散系數(shù) 26 方程求解的關(guān)鍵在于縱向離散系數(shù)的確定常用實(shí)測(cè)資料或經(jīng)驗(yàn)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(dòng)順直河道結(jié)果接近沿程斷面變化較大的 計(jì)算結(jié)果不理想 實(shí)測(cè)斷面流速分布資料推算 縱向離散系數(shù)估算方法 28 更準(zhǔn)確在河流適當(dāng)位置放示蹤劑 在下游適當(dāng)位置監(jiān)測(cè)分析單站法雙站法演算法最優(yōu)化方法 現(xiàn)場(chǎng)濃度觀測(cè)資料計(jì)算 縱向離散系數(shù)估算方法 29 測(cè)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(jiǎn)單要求測(cè)量斷面距投放點(diǎn)距離足夠遠(yuǎn) 避免計(jì)算結(jié)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(cè)量精度低 會(huì)有虛假方差出現(xiàn) 使結(jié)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(shí)測(cè)值比較 若差距較大 修正離散系數(shù) 重新計(jì)算得到的為斷面間的平均離散系數(shù)較為精確 但計(jì)算工作量大 縱向離散系數(shù)估算方法 34 最優(yōu)化方法 實(shí)際上是單站法把示蹤物質(zhì)當(dāng)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(jì)算簡(jiǎn)單在河床形狀及水文參數(shù)變化不大的情況下 計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定 縱向離散系數(shù)估算方法 36 采用實(shí)測(cè)方法確定縱向離散系數(shù)最可靠但現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)耗費(fèi)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(jīng)驗(yàn)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