群汊河道出口汇流断面污染物混合特性研究

纪 伟

（1.河北泽润信息科技有限公司，河北 保定 071000；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098）

0 引言

顺直河道、弯曲河道、单岛双汊型河道、群汊河道等各种类型的河道形态广泛分布在大型冲积河流的中下游。每种类型河道中污染物的输移扩散规律各不相同，各有特点。其中，群汊河道一般由3～5 个不同几何形态的分汊岛组成，河道被分汊岛分割成多条长短不一、宽窄各异的汊道。上下游汊道交汇区与分汊区相互耦合，其水流结构与紊动特性相互影响，导致污染物的输移扩散过程比顺直河道、弯曲河道、单岛双汊型河道更为复杂。准确预报群汊河道中污染物扩散范围与混合过程，可为工业和市政排放工程设计、取水口保护区范围确定、水资源保护和水环境风险评估等提供科学依据。

弯曲河道中二次流形成螺旋运动，能够显著提高污染物的横向分散速率，加快污染物在弯道中的混合。许多学者对弯曲河道中污染物输移扩散问题进行了多方面的探索。Baek，K.O.和Seo，I.W.[1]基于横向流速沿垂向分布的方程，同时考虑了二次流的作用，推导出计算污染物横向混合程度的理论公式。Kyong Oh Baek和II Won Seo.[2]基于描述横向流速沿主流方向变化的理论公式，通过敏感性分析，发现二次流对污染物横向混合作用的大小与糙率成正比。槐文信[3]将纵向分散与拉格朗日型的湍流扩散相比拟，得到了弯曲河道纵向分散系数的计算公式。许唯临等[4]建立了弯道中含污染物湍流的三维代数应力模型，针对左右两岸分别排放污染物的情况进行了计算。

对单岛双汊型河道的污染物输移扩散规律的研究也有少量的文献报道，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及下游河道的污染物混合过程，得出汇流区的上游来流影响着混合过程的速度。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。杨春平等[8]建立了二维模型对弯曲型分汊河道中污染物浓度场进行了计算，发现当排污位置位于左岸边时，在下游汇流区来自两个汊道的污染物掺混更为充分。

但是，目前对群汊河道中污染物输移扩散规律的研究几乎没有文献报道。群汊河道出口汇流断面污染物混合特性又是群汊河道中污染物输移扩散机理研究的重要方面。为此，本文选取存在3～5个分汊岛的群汊河道，在不同上游流量、不同排放位置条件下开展物理模型试验，从群汊段污染物浓度分布的沿程变化、上游流量和排污位置对出口汇流断面浓度分布的影响两个方面来探求3种典型群汊河道出口汇流断面污染物混合特性。

1 物理模型试验系统与方案设计

将天然群汊河道分汊岛的形态进行概化，选取三岛型、四岛型和五岛型群汊河段，开展物理模型试验研究。模型试验水槽全长25 m，可进行±1°变坡，除水槽中间段外，其余部分为宽0.5 m、高0.6 m的直槽。各汊道的横断面均为矩形，主支汊的纵坡均为0.2%，安装一套污染物排放系统和多点电导自动采集系统。三岛型、四岛型、五岛型群汊河道的物理模型试验系统平面布置及污染物排放位置见图1。试验中，由进口阀门、电磁流量计以及量水堰共同控制水槽流量，平水头水箱处于一定高度以保证水头恒定。

图1 物理模型试验系统平面布置及污染物排放位置图

利用氯化钠、乙醇和水的混合液为示踪剂，排放方式采用点源排放，示踪剂由一个平水头排污箱排出，污染物流量保持恒定，污染物在1/2水深处与水流同方向流出，河道水深H0为6.0 cm，污染物排放量恒定为50 L/h，主河道宽度为B。从污染物示踪剂排放断面RP 上的排放点RP1、RP2、RP3 到上游主河道左岸的距离分别为1/3B、1/2B、5/6B。

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。电导率的测量范围为0～20 000 μS/cm，精度为±0.5F.S，温度电极误差为±0.3℃。

1.1 试验工况

分别考虑2、3、4、5、6L/s五个上游来流流量和1/3B、1/2B、5/6B三个不同的污染物排放位置。具体试验工况见表1。

表1 试验工况表

1.2 测量断面及测点位置分布

三岛型群汊河道测量断面位置示意图见图2（a），浓度测量断面为20 个，S1 为进口断面，S20 为出口汇流断面，断面S2～S19 布置在各汊道B1～B7。本文选取断面S5、S6、S10 作为一个横向剖面，记为断面T1；将断面S8、S11、S15 看成一个横向剖面，记为断面T2；选取断面S16、S17 作为一个横向剖面，记为断面T3。

图2 三种典型群汊河道测量断面位置示意图

四岛型群汊河道测量断面位置示意图见图2（b），浓度测量断面为26 个，S1 为进口断面，S26 为出口汇流断面，断面S2～S25 布置在各汊道B1～B10。本文将断面S7、S8、S6 看成一个横向剖面，记为断面T1；选取断面S11、S12、S16、S17 作为一个横向剖面，记为断面T2；将断面S18、S21、S22 看成一个横向剖面，记为断面T3；选取断面S23、S25 作为一个横向剖面，记为断面T4。

五岛型群汊河道测量断面位置示意图见图2（c），浓度测量断面为29 个，S1 为进口断面，S29 为出口汇流断面，断面S2～S28 布置在各汊道B1～B13。本文将断面S6、S7、S8 看成一个横向剖面，记为断面T1；选取断面S12、S13、S14 作为一个横向剖面，记为断面T2；将断面S21、S22、S23、S24 看成一个横向剖面，记为断面T3；选取断面S27、S28 作为一个横向剖面，记为断面T4。

各汊道中浓度测量垂线条数，随着断面宽度变化而变化，浓度垂线上有4 个测点。每种工况测量前，电导率探头需用标准液重新标定。

2 群汊段污染物浓度分布的沿程变化分析

采用无量纲化处理方法，对污染物浓度的测量数据进行无量纲化，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采用无量纲化后数据处理结果，其值分布范围为[0～1]。为了更好地研究各汊道断面浓度分布的差异性，用混合偏差程度E*来表示断面浓度分布的不均匀程度，由下式计算：

式中：C*为测点无量纲浓度；-C*为每个断面所有测点的平均浓度；n为每个断面测点的数目。E*越大，断面上污染物混合的越不均匀。

通过选取群汊段代表断面并计算其污染物混合偏差程度值，来分析在不同上游流量和排污位置条件下污染物在群汊段沿程浓度分布的变化情况。

各断面测点浓度值经无量纲化计算整理后，绘制出不同排污位置的各代表断面污染物混合偏差程度E*随上游流量变化图（见图3～5）。由图3～5可知，在相同流量、同一排污位置条件下，三岛型群汊河道断面混合偏差程度E*沿程变化情况是：断面T1＞T2＞T3；对于四岛型、五岛型群汊河道，断面混合偏差程度E*沿程变化情况是：断面T1＞T2＞T3＞T4。在同一排污位置条件下，对于三岛型、四岛型、五岛型群汊河道，随上游流量的增加，断面T1、T2、T3、T4混合偏差程度E*的变化趋势都是一致的。

图3 1/3B排污位置混合偏差程度随上游流量变化图

图4 1/2B排污位置混合偏差程度随上游流量变化图

图5 5/6B排污位置混合偏差程度随上游流量变化图

由图2可见，断面T1、T2、T3 在3 种典型群汊河道中的位置相近。根据图3～5显示的结果可知：①在同一上游流量、相同排污位置条件下，3种群汊河道的断面T1 混合偏差程度E*相差不大。②3 种群汊河道在断面T2混合偏差程度E*的差距开始增大，四岛型群汊河道与五岛型群汊河道的断面T2 混合偏差程度E*减小幅度较大，这是由于断面T2在四岛型群汊河道与五岛型群汊河道中通过了较多的分汊区与汇合区，受到较充分的掺混作用。③3种群汊河道在断面T3混合偏差程度E*的差距继续增大，五岛型群汊河道混合偏差程度E*减小幅度最大，四岛型群汊河道次之，三岛型群汊河道减小幅度最小；在断面T3，五岛型群汊河道混合得最均匀，三岛型群汊河道混合得最不均匀。④在断面T4，四岛型群汊河道混合偏差程度E*大于五岛型群汊河道。

3 上游流量和排污位置对出口汇流断面浓度分布的影响分析

计算3种典型群汊河道出口汇流断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条件下污染物输移扩散至群汊段出口汇流断面时浓度分布的变化特点。

不同排污位置3种典型群汊河道出口汇流断面E*随上游流量变化如图6所示。由图6可知，在3种排污位置工况下，三岛型、四岛型、五岛型群汊河道出口汇流断面混合偏差程度E*随上游流量的增大而增大；在相同排污位置工况下，三岛型群汊河道出口汇流断面混合偏差程度E*大于四岛型群汊河道与五岛型群汊河道，五岛型群汊河道出口汇流断面混合偏差程度E*最小；在1/2B、5/6B排污位置，四岛型群汊河道与五岛型群汊河道出口汇流断面混合偏差程度差别较小。结合图2分析可知，四岛型群汊河道与五岛型群汊河道的右半部分分汊岛数目均为3个且布局相近，在排污位置偏向右侧的条件下，两种群汊河道对污染物输移扩散的作用近似，因此在1/2B、5/6B排污位置，四岛型群汊河道与五岛型群汊河道出口汇流断面混合偏差程度差别较小。

图6 不同排污位置三种群汊河道出口汇流断面E＊随上游流量变化图

4 结论

本文进行了不同横向排污位置和不同上游来水流量条件下群汊河道污染物输移物理模型试验，对三岛型、四岛型、五岛型群汊河道中代表断面浓度分布进行了计算，并采用混合偏差程度来描述污染物在断面上的分布特征，得到结论如下：

（1）在相同流量、同一排污位置条件下，断面混合偏差程度E*沿程减小。

（2）在同一排污位置条件下，随着分汊岛数量的增多，群汊段出口汇流断面混合偏差程度E*值越小，即出口汇流断面污染物混合的越均匀。