群汊河道出口匯流斷面污染物混合特性研究

紀 偉

（1.河北澤潤信息科技有限公司，河北 保定 071000；2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，南京 210098）

0 引言

順直河道、彎曲河道、單島雙汊型河道、群汊河道等各種類型的河道形態廣泛分布在大型沖積河流的中下游。每種類型河道中污染物的輸移擴散規律各不相同，各有特點。其中，群汊河道一般由3～5 個不同幾何形態的分汊島組成，河道被分汊島分割成多條長短不一、寬窄各異的汊道。上下游汊道交匯區與分汊區相互耦合，其水流結構與紊動特性相互影響，導致污染物的輸移擴散過程比順直河道、彎曲河道、單島雙汊型河道更為復雜。準確預報群汊河道中污染物擴散范圍與混合過程，可為工業和市政排放工程設計、取水口保護區范圍確定、水資源保護和水環境風險評估等提供科學依據。

彎曲河道中二次流形成螺旋運動，能夠顯著提高污染物的橫向分散速率，加快污染物在彎道中的混合。許多學者對彎曲河道中污染物輸移擴散問題進行了多方面的探索。Baek，K.O.和Seo，I.W.[1]基于橫向流速沿垂向分布的方程，同時考慮了二次流的作用，推導出計算污染物橫向混合程度的理論公式。Kyong Oh Baek和II Won Seo.[2]基于描述橫向流速沿主流方向變化的理論公式，通過敏感性分析，發現二次流對污染物橫向混合作用的大小與糙率成正比。槐文信[3]將縱向分散與拉格朗日型的湍流擴散相比擬，得到了彎曲河道縱向分散系數的計算公式。許唯臨等[4]建立了彎道中含污染物湍流的三維代數應力模型，針對左右兩岸分別排放污染物的情況進行了計算。

對單島雙汊型河道的污染物輸移擴散規律的研究也有少量的文獻報道，且主要集中在數值模擬研究上。Biron等[5]用三維數學模型模擬了天然交匯河道及下游河道的污染物混合過程，得出匯流區的上游來流影響著混合過程的速度。Lee 等[6]采用數學模型模擬了韓國Han River 一個分汊河段的污染物輸移過程，并且對Nodeul分汊島左右兩側汊道中污染物分布特征進行了分析。李克鋒等[7]建立了一個深度平均的全場紊流模型，將流場與濃度場耦合求解以確定流場和濃度場的分布。楊春平等[8]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，發現當排污位置位于左岸邊時，在下游匯流區來自兩個汊道的污染物摻混更為充分。

但是，目前對群汊河道中污染物輸移擴散規律的研究幾乎沒有文獻報道。群汊河道出口匯流斷面污染物混合特性又是群汊河道中污染物輸移擴散機理研究的重要方面。為此，本文選取存在3～5個分汊島的群汊河道，在不同上游流量、不同排放位置條件下開展物理模型試驗，從群汊段污染物濃度分布的沿程變化、上游流量和排污位置對出口匯流斷面濃度分布的影響兩個方面來探求3種典型群汊河道出口匯流斷面污染物混合特性。

1 物理模型試驗系統與方案設計

將天然群汊河道分汊島的形態進行概化，選取三島型、四島型和五島型群汊河段，開展物理模型試驗研究。模型試驗水槽全長25 m，可進行±1°變坡，除水槽中間段外，其余部分為寬0.5 m、高0.6 m的直槽。各汊道的橫斷面均為矩形，主支汊的縱坡均為0.2%，安裝一套污染物排放系統和多點電導自動采集系統。三島型、四島型、五島型群汊河道的物理模型試驗系統平面布置及污染物排放位置見圖1。試驗中，由進口閥門、電磁流量計以及量水堰共同控制水槽流量，平水頭水箱處于一定高度以保證水頭恒定。

圖1 物理模型試驗系統平面布置及污染物排放位置圖

利用氯化鈉、乙醇和水的混合液為示蹤劑，排放方式采用點源排放，示蹤劑由一個平水頭排污箱排出，污染物流量保持恒定，污染物在1/2水深處與水流同方向流出，河道水深H0為6.0 cm，污染物排放量恒定為50 L/h，主河道寬度為B。從污染物示蹤劑排放斷面RP 上的排放點RP1、RP2、RP3 到上游主河道左岸的距離分別為1/3B、1/2B、5/6B。

試驗中，采用多點電導自動采集系統（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。電導率的測量范圍為0～20 000 μS/cm，精度為±0.5F.S，溫度電極誤差為±0.3℃。

1.1 試驗工況

分別考慮2、3、4、5、6L/s五個上游來流流量和1/3B、1/2B、5/6B三個不同的污染物排放位置。具體試驗工況見表1。

表1 試驗工況表

1.2 測量斷面及測點位置分布

三島型群汊河道測量斷面位置示意圖見圖2（a），濃度測量斷面為20 個，S1 為進口斷面，S20 為出口匯流斷面，斷面S2～S19 布置在各汊道B1～B7。本文選取斷面S5、S6、S10 作為一個橫向剖面，記為斷面T1；將斷面S8、S11、S15 看成一個橫向剖面，記為斷面T2；選取斷面S16、S17 作為一個橫向剖面，記為斷面T3。

圖2 三種典型群汊河道測量斷面位置示意圖

四島型群汊河道測量斷面位置示意圖見圖2（b），濃度測量斷面為26 個，S1 為進口斷面，S26 為出口匯流斷面，斷面S2～S25 布置在各汊道B1～B10。本文將斷面S7、S8、S6 看成一個橫向剖面，記為斷面T1；選取斷面S11、S12、S16、S17 作為一個橫向剖面，記為斷面T2；將斷面S18、S21、S22 看成一個橫向剖面，記為斷面T3；選取斷面S23、S25 作為一個橫向剖面，記為斷面T4。

五島型群汊河道測量斷面位置示意圖見圖2（c），濃度測量斷面為29 個，S1 為進口斷面，S29 為出口匯流斷面，斷面S2～S28 布置在各汊道B1～B13。本文將斷面S6、S7、S8 看成一個橫向剖面，記為斷面T1；選取斷面S12、S13、S14 作為一個橫向剖面，記為斷面T2；將斷面S21、S22、S23、S24 看成一個橫向剖面，記為斷面T3；選取斷面S27、S28 作為一個橫向剖面，記為斷面T4。

各汊道中濃度測量垂線條數，隨著斷面寬度變化而變化，濃度垂線上有4 個測點。每種工況測量前，電導率探頭需用標準液重新標定。

2 群汊段污染物濃度分布的沿程變化分析

采用無量綱化處理方法，對污染物濃度的測量數據進行無量綱化，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采用無量綱化后數據處理結果，其值分布范圍為[0～1]。為了更好地研究各汊道斷面濃度分布的差異性，用混合偏差程度E*來表示斷面濃度分布的不均勻程度，由下式計算：

式中：C*為測點無量綱濃度；-C*為每個斷面所有測點的平均濃度；n為每個斷面測點的數目。E*越大，斷面上污染物混合的越不均勻。

通過選取群汊段代表斷面并計算其污染物混合偏差程度值，來分析在不同上游流量和排污位置條件下污染物在群汊段沿程濃度分布的變化情況。

各斷面測點濃度值經無量綱化計算整理后，繪制出不同排污位置的各代表斷面污染物混合偏差程度E*隨上游流量變化圖（見圖3～5）。由圖3～5可知，在相同流量、同一排污位置條件下，三島型群汊河道斷面混合偏差程度E*沿程變化情況是：斷面T1＞T2＞T3；對于四島型、五島型群汊河道，斷面混合偏差程度E*沿程變化情況是：斷面T1＞T2＞T3＞T4。在同一排污位置條件下，對于三島型、四島型、五島型群汊河道，隨上游流量的增加，斷面T1、T2、T3、T4混合偏差程度E*的變化趨勢都是一致的。

圖3 1/3B排污位置混合偏差程度隨上游流量變化圖

圖4 1/2B排污位置混合偏差程度隨上游流量變化圖

圖5 5/6B排污位置混合偏差程度隨上游流量變化圖

由圖2可見，斷面T1、T2、T3 在3 種典型群汊河道中的位置相近。根據圖3～5顯示的結果可知：①在同一上游流量、相同排污位置條件下，3種群汊河道的斷面T1 混合偏差程度E*相差不大。②3 種群汊河道在斷面T2混合偏差程度E*的差距開始增大，四島型群汊河道與五島型群汊河道的斷面T2 混合偏差程度E*減小幅度較大，這是由于斷面T2在四島型群汊河道與五島型群汊河道中通過了較多的分汊區與匯合區，受到較充分的摻混作用。③3種群汊河道在斷面T3混合偏差程度E*的差距繼續增大，五島型群汊河道混合偏差程度E*減小幅度最大，四島型群汊河道次之，三島型群汊河道減小幅度最小；在斷面T3，五島型群汊河道混合得最均勻，三島型群汊河道混合得最不均勻。④在斷面T4，四島型群汊河道混合偏差程度E*大于五島型群汊河道。

3 上游流量和排污位置對出口匯流斷面濃度分布的影響分析

計算3種典型群汊河道出口匯流斷面的污染物混合偏差程度值，分析不同上游流量和排污位置條件下污染物輸移擴散至群汊段出口匯流斷面時濃度分布的變化特點。

不同排污位置3種典型群汊河道出口匯流斷面E*隨上游流量變化如圖6所示。由圖6可知，在3種排污位置工況下，三島型、四島型、五島型群汊河道出口匯流斷面混合偏差程度E*隨上游流量的增大而增大；在相同排污位置工況下，三島型群汊河道出口匯流斷面混合偏差程度E*大于四島型群汊河道與五島型群汊河道，五島型群汊河道出口匯流斷面混合偏差程度E*最小；在1/2B、5/6B排污位置，四島型群汊河道與五島型群汊河道出口匯流斷面混合偏差程度差別較小。結合圖2分析可知，四島型群汊河道與五島型群汊河道的右半部分分汊島數目均為3個且布局相近，在排污位置偏向右側的條件下，兩種群汊河道對污染物輸移擴散的作用近似，因此在1/2B、5/6B排污位置，四島型群汊河道與五島型群汊河道出口匯流斷面混合偏差程度差別較小。

圖6 不同排污位置三種群汊河道出口匯流斷面E＊隨上游流量變化圖

4 結論

本文進行了不同橫向排污位置和不同上游來水流量條件下群汊河道污染物輸移物理模型試驗，對三島型、四島型、五島型群汊河道中代表斷面濃度分布進行了計算，并采用混合偏差程度來描述污染物在斷面上的分布特征，得到結論如下：

（1）在相同流量、同一排污位置條件下，斷面混合偏差程度E*沿程減小。

（2）在同一排污位置條件下，隨著分汊島數量的增多，群汊段出口匯流斷面混合偏差程度E*值越小，即出口匯流斷面污染物混合的越均勻。