陸偉剛,周秀彩
(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州225127;2.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 揚(yáng)州225009)
目前,城市化的發(fā)展直接或間接地改變著水環(huán)境,可用水資源日益減少,以致影響了人民的生活質(zhì)量和社會(huì)總體福利水平[1],減污、治污工作迫在眉睫.為此,必須研究污染物在水中擴(kuò)散輸移的過程,其主要方法有理論分析、物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等[2-6].有關(guān)污染物的降解過程,國外對(duì)水質(zhì)模型研究較多[7-11];國內(nèi)也開展了一些研究,如吳迪軍等[12]建立了水污染擴(kuò)散的二維數(shù)學(xué)模型,采用有限差分法求解水動(dòng)力方程和污染擴(kuò)散方程,獲得污染物濃度的時(shí)空分布;武周虎等[13]給出了河流污染物濃度的二維解析計(jì)算方法及污染物的無量綱濃度分布方程;李娜[14]結(jié)合WebGIS技術(shù),提出了水污染事故應(yīng)急分析中的一維水體污染擴(kuò)散模擬實(shí)現(xiàn)方案.本文主要探討污染物橫向擴(kuò)散過程,對(duì)現(xiàn)有水力學(xué)理論公式進(jìn)行簡化,建立二維流場(chǎng)污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型,以揭示污染物擴(kuò)散過程中期濃度在平面流場(chǎng)中隨時(shí)間的變化規(guī)律,為預(yù)報(bào)納污水域中水體受污染的程度、水質(zhì)的保護(hù)、水資源的開發(fā)和利用提供依據(jù).
污染物通過在水體中溶解擴(kuò)散以及隨流輸移而擴(kuò)大影響范圍,其與水體的混合過程通常可分為3個(gè)階段:第1階段是發(fā)生在排污口附近水域,通常稱為近區(qū),其他2個(gè)階段發(fā)生過程距離排污口較遠(yuǎn),稱為遠(yuǎn)區(qū);第2階段可作為二維擴(kuò)散問題處理;第3階段可作為一維縱向離散問題處理.
在通常情況下,近區(qū)問題關(guān)聯(lián)因素眾多,須作為三維模型進(jìn)行研究,但在某些特定條件下可以化為二維模型處理.一般河道,其水深比河寬小得多,所以污染物在垂向的混合幾乎在瞬間完成,隨后主要是橫向擴(kuò)散過程.若污染物為中性物質(zhì),接近納污水體重度,則三維擴(kuò)散可簡化為二維擴(kuò)散,本文著重討論污染物在特定條件下的二維擴(kuò)散問題.
假設(shè)明渠屬于理想的順直河流,則擴(kuò)散系數(shù)可視為常數(shù);河流以縱向平流作用為主,可忽略二維擴(kuò)散方程[15]右邊第1項(xiàng);垂向以混合擴(kuò)散作用為主,可忽略垂向平流作用,故二維擴(kuò)散方程左邊第3項(xiàng)也可忽略;因分子擴(kuò)散作用很小,故其方程第3,4項(xiàng)可忽略,則污染物的二維擴(kuò)散方程可變?yōu)?/p>
式中c為污染物濃度,t為污染物擴(kuò)散時(shí)間,U 為水流縱向平均流速,Ey為河流橫向擴(kuò)散系數(shù),K 為污染物的衰減速度常數(shù),x,y 分別為河流的縱向和橫向坐標(biāo).
通常情況下污水連續(xù)排放,為時(shí)間連續(xù)源,本文著重分析連續(xù)點(diǎn)源排放問題.設(shè)投放物質(zhì)強(qiáng)度為m,則連續(xù)點(diǎn)源二維擴(kuò)散的解為
式中y0為污染點(diǎn)源與坐標(biāo)原點(diǎn)的橫向距離.對(duì)于不可降解物質(zhì),K=0,式(2)變?yōu)閏(x,y,t)=設(shè)河道寬度為B,y0分別為0,0.3B,0.5B,0.7B時(shí)的污染物擴(kuò)散濃度分布示于圖1.由圖1可以看出:濃度峰值位于排放點(diǎn)處.若污水排放口在河道中心線上,則濃度的分布對(duì)稱于河道中心線.從實(shí)繪圖形分析來看,結(jié)論是合理的.污染物排放點(diǎn)定為坐標(biāo)原點(diǎn),y0=0,則c(x,y,t)=為計(jì)算方便,取1 次反射,并忽略污染物降解項(xiàng),得
圖1 y0 分別為0,0.3B,0.5B,0.7B 時(shí)的橫向濃度分布Fig.1 Abeam concentration distribution of pollutants with y0=0,0.3B,0.5B,0.7B
設(shè)垂向擴(kuò)散完成的時(shí)間尺度為tz,橫向擴(kuò)散完成的時(shí)間尺度為ty,因tz與H2/(4Ez),ty與B2/(4Ey)成正比,所以
式中H 為水深,B 為河寬,Ey為橫向擴(kuò)散系數(shù),Ez為垂向擴(kuò)散系數(shù).通常取Ey=0.6 Hu*,Ez=0.067 Hu*,其中u*為垂線上的渠底摩阻流速,則
河流具有代表性的深寬比為H/B=1/30,于是
由此可見,污染物橫向擴(kuò)散時(shí)間的長短與其垂向擴(kuò)散的時(shí)間有關(guān).
在通常情況下,污染物為連續(xù)源排放,本文討論與水體密度相當(dāng)?shù)奈廴疚锶苜|(zhì),接納水體是明渠均勻流,河流含沙量較?。?/p>
工程中假定為順直明渠,擴(kuò)散系數(shù)粗略認(rèn)為是常數(shù);對(duì)于河道縱向,平流作用遠(yuǎn)大于離散作用,所以污染物二維擴(kuò)散方程可以忽略右邊離散項(xiàng);對(duì)于河道垂向,混合擴(kuò)散作用遠(yuǎn)大于平流作用,因此可以忽略污染物擴(kuò)散方程的左邊平流項(xiàng);同橫向擴(kuò)散一樣,也可忽略右邊第3,4項(xiàng),則污染物二維擴(kuò)散方程可變?yōu)?/p>
式中z為河流的垂向坐標(biāo).
設(shè)m 為連續(xù)源單位時(shí)間投放的物質(zhì)強(qiáng)度,則時(shí)間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散方程可解為
式中z0為污染點(diǎn)源與坐標(biāo)原點(diǎn)的垂向距離.此時(shí)可粗略計(jì)算排污口下游控制斷面的污染物濃度,坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在污染源排放中心點(diǎn)處,z0=0,僅反射1次,則
通常污染源多為表面排放,此時(shí)坐標(biāo)原點(diǎn)若設(shè)在污染源排放中心點(diǎn)處,則z0=0.假設(shè)在水面(z=0)及河底(z=H)處完全反射,則那么式(9)可寫為
式中n為水面及河底反射次數(shù).
對(duì)于連續(xù)排放的等強(qiáng)度污染源,其最大與最小濃度分別出現(xiàn)在水面與河底處.設(shè)c(x,0,t)為河道表面濃度,c(x,H,t)為河底濃度,則河底與水面的濃度比值為
定義污染物在近區(qū)垂向均勻混合距離lmin為污染排放點(diǎn)到垂向均勻混合點(diǎn)的縱向長度.取n=1,由c(x,H,t)=R c(x,0,t),列出方程
若某一方向上污染物濃度差在5%以內(nèi),則可認(rèn)為該方向上污染物已完全均勻混合,此時(shí)取R=95%,則污染排放點(diǎn)到垂向均勻混合點(diǎn)的縱向長度為
本文用文獻(xiàn)[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證,比較情況列于表1.由表1可見,垂向均勻混合縱向距離的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值結(jié)果較為接近.
表1 垂向均勻混合縱向距離的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Tab.1 Comparison between calculated and measured values for the fore-and-aft distance of vertical uniformity mixing
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