復(fù)雜岸坡岸邊排放濃度分布及側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、江河水庫等天然水體中的岸坡地形大多不規(guī)則，而實(shí)際工程中排污口常設(shè)于岸邊，污水排放往往在岸邊區(qū)域形成高濃度的污染混合區(qū)。針對(duì)不同岸坡地形及紊流條件，對(duì)天然水體角形域高濃度污染混合區(qū)污染物的濃度擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行探索研究，是水環(huán)境進(jìn)行功能區(qū)劃分、管理決策、綜合整治的重要依據(jù)和技術(shù)環(huán)節(jié)。
　　本文在傾斜岸坡角形域污染物濃度分布理論和實(shí)驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散模型提出改建方案，設(shè)計(jì)研發(fā)了立面槽中槽復(fù)雜岸坡模型污染擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置，用于模

2、擬江河水庫中普遍存在的側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)不相等，岸坡幾何條件復(fù)雜的河流斷面形態(tài)。設(shè)計(jì)的槽中槽結(jié)構(gòu)，有效解決了以往研究模型出現(xiàn)的變形、位移和漏藥現(xiàn)象，大大提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。結(jié)合天然河庫的實(shí)際情況，給出了3種復(fù)雜岸坡情形的相關(guān)幾何參數(shù)，并針對(duì)不同岸坡條件合理制定設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)所需的內(nèi)槽模型。在頂點(diǎn)排污濃度分布理論的指導(dǎo)下，借助研發(fā)的立面二維槽中槽污染擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了角形域復(fù)雜岸坡頂點(diǎn)瞬時(shí)線源排放實(shí)驗(yàn)。
　　在立面二維復(fù)雜岸坡水體斷面

3、頂點(diǎn)排放實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出采用數(shù)字圖像處理的方法進(jìn)行二維濃度場(chǎng)的測(cè)量，采用羅丹明B作為示蹤物質(zhì)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了針對(duì)本實(shí)驗(yàn)方案的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，對(duì)采集到的示蹤劑擴(kuò)散圖像進(jìn)行處理，經(jīng)過同態(tài)濾波、中值濾波、顏色空間模型轉(zhuǎn)換和聚類分割等算法處理后最終得到效果較好的等濃度分布曲線，實(shí)現(xiàn)了濃度分布數(shù)據(jù)讀取的可視化，反映了示蹤劑在水中輸移擴(kuò)散的基本特征。
　　以研究岸邊排放濃度分布規(guī)律和應(yīng)用為目標(biāo)，對(duì)天然河流和水庫普遍存在的傾斜階梯岸坡、傾斜波狀

4、岸坡、傾斜波狀階梯岸坡等3種岸坡形態(tài)展開實(shí)驗(yàn)研究。采用立面二維擴(kuò)散水槽實(shí)驗(yàn)裝置和變頻格柵振蕩系統(tǒng)，模擬不同岸坡形態(tài)以及側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)不相等的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對(duì)復(fù)式岸坡選擇不同幾何尺度、角形域角度θ=2π/β(角域映射系數(shù)β=8，9，10，11…)以及不同的波狀或階梯高度，研究其岸邊排放濃度分布規(guī)律、側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律和縱向變擴(kuò)散系數(shù)條件下污染混合區(qū)形態(tài)與各特征值的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):
　　(1)在波狀和傾斜岸坡中，污染

5、質(zhì)在進(jìn)入水體后，沿水面的側(cè)向擴(kuò)散均明顯快于深度方向的擴(kuò)散，側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)大于垂向擴(kuò)散系數(shù)。波狀岸坡線傾角θ=30°和θ=45°時(shí)，污染物在水面處呈半正態(tài)濃度分布，分別與對(duì)應(yīng)角度的理論濃度分布大致相同。隨著角形域角度的增大，θ=45°時(shí)產(chǎn)生的了明顯的旋渦，旋渦尺度較大，呈順時(shí)針方向，邊緣濃度高，中心濃度低，改變了污染物在岸坡上的濃度分布。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)波狀岸坡的側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)均大于傾斜岸坡的擴(kuò)散系數(shù)。隨振蕩頻率的增加，側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)均

6、增大，同一振蕩頻率下污染云團(tuán)的側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)基本穩(wěn)定。
　　(2)在傾斜波狀階梯岸坡頂點(diǎn)排放實(shí)驗(yàn)中，污染物沿水面的側(cè)向擴(kuò)散較深度方向擴(kuò)散快，在污染云團(tuán)擴(kuò)散至中部區(qū)域之前尤為明顯，側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)大于垂向擴(kuò)散系數(shù)，階梯的側(cè)向位置坐標(biāo)越小，污染云團(tuán)在階梯處的側(cè)向擴(kuò)散特征越明顯。隨著頻率的增加，污染云團(tuán)在側(cè)向和垂向發(fā)展加快。階梯對(duì)污染云團(tuán)的擴(kuò)散發(fā)展和污染混合區(qū)形態(tài)有很大影響。
　　對(duì)復(fù)雜岸坡河庫岸邊排放濃度分布規(guī)律及側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)