三岛型群汊河道污染物断面浓度分布影响因素研究

纪 伟

（湖南城市学院，湖南 益阳413000）

1 研究目标

天然河流中存在着单岛双汊、 三岛群汊等形态各异的河段， 国内外学者对单岛双汊型河段的水流特性和污染物输移扩散特性均进行了一定探讨。 对于单岛双汊型河道水流特性，着重从分汊区、交汇区水流运动的数值模拟方面进行了研究。

Chen等［1］提出了二维k-ε紊流模型来模拟分汊明渠水流运动，该模型适合于小分流比情况，而大分流比情况的计算结果偏差较大。 Shamloo等［2］利用二维RSM紊流模型对分汊明渠的水流结构进行了模拟，详细模拟了分汊口的回流区，得到的回流区几何参数与试验值非常接近。

对于交汇区水流特性的数值模拟研究从1980年以后开始逐渐增多。 CHU， V. H.［3］对汇流区紊动混合层横向扩展与河床摩擦力之间的关系进行了研究。 分析得出自由混合层名义速率是浅水混合层的横向扩散速率的1/2。 当河床摩擦力大于临界值0.09时，扩散速率在远区降低到零， 在河床摩擦力的稳定影响下，扩散速率反比于到分隔板的距离。 Weerakoon等［4］建立了采用刚盖假定的数学模型，模拟了汇流区的三维流场， 模型较好地重现了底层与表层水流特征，而回流区的长度与实测数据相差大约30%。

关于单岛双汊型河道中污染物输运规律的研究较少，且主要集中在数值模拟研究上。 Biron等［5］用三维数学模型模拟了天然交汇河道和实验室中汇流区及下游河道的污染物混合过程， 天然河道中汇流区的上游入流影响着混合过程的速度， 上游较小的流量可以使得混合加快， 而河道的弯曲程度是远区混合的主要决定性因素， 实验室中交汇明渠左右汊的底部高差可以加速混合过程。 Lee等［6］采用数学模型模拟了韩国Han River一个分汊河段的污染物输移过程， 并且对Nodeul 分汊岛左右两侧汊道中污染物分布特征进行了分析。 李克锋等［7］建立了一个深度平均的全场紊流模型， 将流场与浓度场耦合求解以确定流场和浓度场的分布， 通过数值积分得出分流比与污染物分配比。对分汊河渠不规则边界的处理，提出了一种新方法：区域坐标系统法。

三岛型群汊河道被三个分汊岛分割形成了多条长短不一、宽窄各异的支汊，其水流结构与污染物的输移扩散过程比单岛双汊型河道更为复杂。 探求三岛型群汊河道污染物断面浓度分布的影响因素，以揭示污染物在三岛型群汊河道中的输移扩散机理，可为水资源保护提供科学依据。

2 试验装置与仪器设备

对三岛型群汊河段分汊岛的形态进行概化，以便于开展物理模型试验研究。 模型试验安排在一个特制的水槽中进行， 水槽中间段特别做成放宽的矩形（4m×2.2m×0.6m），以安装群汊河道模型， 其余部分保持为宽0.5m、高0.6m 的直槽。 试验测量段由主河道、 群汊段两部分组成， 各汊道的横断面均为矩形，三岛型群汊河道被分汊岛M1，M2，M3分割为7条汊道，试验模型及设备的平面布置如图1。试验中，水槽流量由进口阀门、电磁流量计及量水堰共同控制，平水头水箱处于一定高度以保证水头恒定。

图1 三岛型群汊河道试验模型及设备的平面布置

试验测量断面布置如图2，测量断面为7个，断面S1布置在主河道，断面S2布置在汊道B1，断面S3布置在汊道B2，断面S4布置在汊道B4，断面S5布置在汊道B5，断面S6，S7布置在汊道B6。

安装一套污染物排放系统和多点电导自动采集系统，试验中采用多点电导自动采集系统（THANK-2000化学仪表工作站采集模块） 测量污染物示踪剂的电导率。

污染物排放位置设在分汊口上游2.9m处（图1中断面RP）， 在该断面上排放点分别设在1/6河宽、1/2河宽、2/3河宽处，与图1中排放断面RP上的①，②，③点相对应。排放方式采用点源排放，示踪剂由一个平水头排污箱排出， 污染物排放流量恒定为50L/h，在1/2水深处与水流同方向流出，河道水深H0为6.0cm。

考虑三个上游入流流量工况：2，5，6L/s。 各测量断面上浓度测量垂线条数， 随着断面宽度变化而变化，浓度测量垂线上有4个测点。

对污染物浓度的测量数据进行无量纲化处理，其基准值采用所有测量断面的最大测量值Cmax。 下文中使用的污染物浓度值均采用无量纲化后数据处理结果，其值分布范围为［0～1］。 无量纲化的y，z坐标用y*（y*=y/B0）和z*（z*=z/B0）表示，B0为主河道宽度。

3 不同上游流量对汊道断面浓度分布影响

断面浓度分布是研究群汊河道污染物输移扩散规律的基本内容之一， 通过浓度高值区的范围、位置、浓度值的大小等3个因子来分析上游入流量对三岛型群汊河道中不同汊道断面浓度分布的影响。 为了讨论在不同上游入流流量工况下， 即Q=2L/s、Q=6L/s，各汊道断面浓度分布的变化，遴选以下汊道的断面进行分析：对于1/6河宽排污位置，污染带靠左侧，选择B6的2个断面S6，S7；对于2/3河宽排污位置，污染带靠右侧，选择汊道B2的1个断面S3。

图3， 图5为不同流量条件下1/6河宽、2/3河宽排污位置进口断面的浓度分布。图4为不同上游来流流量条件下，1/6河宽排污位置汊道B6的各测量断面浓度分布。 在1/6河宽排污位置，上游流量为2L/s时，断面S6浓度高值区不明显；上游流量为6L/s时，断面S6浓度高值区向左略有收缩， 但高值区浓度值明显增大。断面S7在上游流量为2L/s时，浓度高值区不明显；上游流量为6L/s时，y*=0.45左侧出现浓度高值区。 上游流量为2L/s到6L/s时，汊道B6污染物浓度高值区始终位于左侧，且浓度从左岸到右岸逐渐递减。

图3 1/6河宽排污位置，进口断面S1浓度分布

图4 1/6河宽排污位置，汊道B6的断面浓度分布

图5 2/3河宽排污位置，进口断面S1浓度分布

在不同流量条件下，2/3河宽排污位置汊道B2的测量断面浓度分布如图6。 上游流量为2L/s时，在2/3河宽排污位置，断面S3浓度高值区不明显；上游流量为6L/s时，断面S3浓度高值区有较大扩展，且位于y*=0.25和0.5之间，高值区浓度值增幅较大。

图6 2/3河宽排污位置，汊道B2的断面浓度分布

综上所述，在Q=2L/s，Q=6L/s两种上游流量工况下， 汊道断面浓度分布的大致形态和趋势基本保持一致， 由小流量增至大流量时浓度高值区的范围有所缩小，浓度高值区的位置略向左岸移动，高值区浓度值有所增大。

4 不同排污位置对污染物断面浓度分布影响

选取排污位置1/6河宽、1/2河宽和2/3河宽，从浓度高值区的范围、位置、浓度值大小三个方面来分析不同排污位置对测量断面S2，S4，S5浓度分布的影响。 上游流量为5L/s时，不同排污位置条件下断面浓度分布如图7。

从1/6河宽到1/2河宽排污位置，断面S2整体浓度值减小，浓度高值区由左岸向右岸移动。 在1/6河宽排污位置条件下， 有三个浓度高值区分布在从y*=0到y*=0.68的区间范围，且在垂向上扩展至z*=0到z*=0.11之间，高值区浓度值大小为0.79左右，其他区间浓度值的大小为0.64～0.71。 当处于1/2河宽排污位置时， 断面S2上呈现出从左岸到右岸浓度值梯级递增分布， 浓度高值区分布在从y*=0.62到y*=0.7的区间范围，高值区浓度值的大小为0.21～0.29。

图7 上游流量为5L/s时断面浓度分布随排污位置变化

从1/6河宽到1/2河宽排污位置， 断面S4整体浓度值增大，浓度高值区由左岸转移到右岸。 当排污位置位于1/6河宽时， 断面S4上呈现出从右岸到左岸浓度值梯级递增分布，浓度高值区分布在从y*=0到y*=0.1的区间范围，高值区浓度值的大小为0.36～0.43。 在1/2河宽排污位置条件下，断面S4上呈现出从左岸到右岸浓度值梯级递增分布， 浓度高值区分布在从y*=0.42到y*=0.62的区间范围，高值区浓度值的大小为0.58～0.7。

当排污位置从1/2河宽移到2/3河宽时，断面S5整体浓度值增大， 且都呈现出从右岸到左岸浓度值梯级递增分布，高值区始终位于断面左岸。在1/2河宽排污位置条件下， 浓度高值区分布在从y*=0到y*=0.16的区间范围，高值区浓度值的大小为0.22～0.35。 当排污位置位于2/3河宽时， 浓度高值区分布在从y*=0到y*=0.18的区间范围，高值区浓度值的大小为0.58～0.69。

由以上分析可知，在1/6河宽、1/2河宽和2/3河宽不同排污位置条件下， 断面浓度分布呈现出趋势变化：当排污位置偏离测量断面的中心线越远，断面的整体浓度值越小；随着排污位置从1/6河宽移至1/2河宽、2/3河宽，浓度高值区由左岸向右岸移动；排污位置距离测量断面的中心线越近，高值区浓度值越大。

5 结语

（1）在大小两种上游流量工况下，汊道断面浓度分布的大致形态和趋势基本保持一致， 由小流量增至大流量时浓度高值区的范围略有缩小， 浓度高值区的位置稍向左岸移动，高值区浓度值有所增大。

（2）在沿河宽方向从左到右不同排污位置条件下，断面浓度分布呈现出趋势变化：当排污位置偏离测量断面的中心线越远，断面的整体浓度值越小；随着排污位置从左到右变化， 浓度高值区由左岸向右岸移动；排污位置距离测量断面的中心线越近，高值区浓度值越大。