08 环境水力学 天然河流中的离散.ppt

环境水力学 1 蒋定国水利与环境学院 天然河流中的离散 2 本节主要内容 天然河流中的离散河流离散系数的估计非恒定剪切流的离散 天然河流中的离散 3 污水入河后的三个阶段 废水排入水体后 最先发生的过程是混合稀释 混合稀释是污染物迁移的重要方式之一 混合稀释能与水体的水文特征相关稀释的含义 当废水进入河流之后 便不断与河水发生混合交换作用 是保守污染物浓度沿流程逐渐降低 这一过程称为混合稀释过程 天然河流中的离散 4 污水入河后的三个阶段 初始稀释段 射流的方式和周围水体掺混及扩散 直到垂向混合均匀 一般是三维问题横向混合阶段 当深度上达到浓度分布均匀后 横向上的混合过程在持续 经过一定距离后污染物在整个横断面上达到浓度分布均匀 这一过程称为横向混合阶段 可视为二维扩散问题 天然河流中的离散 5 污水入河后的三个阶段 断面充分混合后阶段 在横向混合阶段后 污染物浓度在横断面上近似均匀 沿纵向的随流分散占主导地位 可视为一维纵向离散问题第一阶段为近区第二及第三阶段为远区 天然河流中的离散 6 污水入河后的三个阶段 天然河流中的离散 7 污水入河后的三个阶段 河流的紊动扩散系数 8 紊动扩散系数在扩散过程中起着十分重要的作用 实际天然河道普遍具有三维的 不均匀的流速场 因此河流的紊动扩散系数的确定也十分复杂 纵向 横向和垂向和紊动扩散系数一般数值不同 而且随着空间位置以致于时间而变化 紊动扩散系数是一个重要而不易确定的参数 它常常带有经验系数的性质 要依靠室内试验或现场观测加以确定 河流的紊动扩散系数 9 通用表达式 河流的紊动扩散系数 10 垂向紊动扩散系数 对于宽深比很小的河流 误差可能较大对于感潮河流 摩阻流速变动 涨潮和退潮的垂向扩散系数有差别详细推导见 环境水力学 张书农 河海大学出版社 1988 12 河流的紊动扩散系数 11 横向紊动扩散系数 横向紊动扩散系数的规律目前还不很清楚 因为河中水流不是各向同性紊流 不能从垂向紊动扩散系数推出横向紊动扩散系数 不仅如此 明渠水流还没有纵向流速分量的横向分布的理论表达式 所以也不可能从流速分布来推求横向动量交换系数 河流的紊动扩散系数 12 横向紊动扩散系数 通过试验来确定也有一定困难 目前虽然在平直矩形实验水槽和天然的河渠中已进行了大量横向混合试验 但由于断面上存在副流 横向混合过程不只是横向紊动扩散的作用 而且还有剪切分散的作用 在试验中很难把两者区分开来 河流的紊动扩散系数 13 横向紊动扩散系数 顺直明渠 天然河道 河流的紊动扩散系数 14 纵向紊动扩散系数 纵向混合过程和横向混合 垂向混合过程都有区别 纵向混合过程中分散作用往往大大超过纵向紊动扩散作用 所以用比较粗糙的办法估计纵向紊动扩散系数 其误差对纵向混合系数值的影响不大 河流的紊动扩散系数 15 纵向紊动扩散系数 污染带的计算 16 确定污染带内的浓度分布确定污染带宽度确定污染物扩展至全河宽和达到全断面混合所需经历的距离 污染带的计算 17 河宽远大于水深 并假定污染物在垂向均匀混合 可视为垂向浓度分布均匀的线源 采用时间连续线源的分布函数 污染带内的浓度分布 污染带的计算 18 只考虑同岸单边界反射 污染带内的浓度分布 污染带的计算 19 对于岸边排放 污染带内的浓度分布 当排污量相等 同一横坐标上的点 岸边排放为中心排放2倍 污染带的计算 20 无量纲化 污染带内的浓度分布 污染带的计算 21 岸边排放扩散区分布与中心排放一侧相似岸边排放横向扩展宽度相当于中心排放时的2倍岸边排放纵向浓度分布与中心排放相同 沿中心线和沿岸边分别对应沿排放岸和沿另一岸 污染带内的浓度分布 污染带的计算 22 当边远点的浓度为同一断面上最大浓度的5 时 该点即可认为是污染带的边界中心排放 断面最大浓度在中心线上岸边排放 断面最大浓度在排放岸实际上是横向浓度分布的计算问题 污染带宽度的确定 污染带的计算 23 当同一断面上最大浓度与最小浓度之差小于5 时 即认为全断面达到均匀混合中心排放和岸边排放达到完全混合的距离不同 达到全断面均匀混合的距离 污染带的计算 24 中心排放 达到全断面均匀混合的距离 岸边排放 污染带的计算 25 例2 3污染带宽度的计算已知允许最大排污浓度 排污量的计算例2 4排污带宽度计算纵向距离计算 河流的纵向离散系数 26 方程求解的关键在于纵向离散系数的确定常用实测资料或经验公式来估算 纵向离散系数估算方法 27 适用于断面沿程不变的流动顺直河道结果接近沿程断面变化较大的 计算结果不理想 实测断面流速分布资料推算 纵向离散系数估算方法 28 更准确在河流适当位置放示踪剂 在下游适当位置监测分析单站法双站法演算法最优化方法 现场浓度观测资料计算 纵向离散系数估算方法 29 测量断面浓度过程线的方差 单站法 纵向离散系数估算方法 30 纵向离散系数 单站法 方法简单要求测量断面距投放点距离足够远 避免计算结果受到初始段的影响 纵向离散系数估算方法 31 避免了初始段的影响但在浓度过程线后部有低浓度过程 该部分测量精度低 会有虚假方差出现 使结果误差较大 双站法 纵向离散系数估算方法 32 演算法 纵向离散系数估算方法 33 演算法 将求得的值与实测值比较 若差距较大 修正离散系数 重新计算得到的为断面间的平均离散系数较为精确 但计算工作量大 纵向离散系数估算方法 34 最优化方法 实际上是单站法把示踪物质当一维平面处理 混合均匀 纵向离散系数估算方法 35 最优化方法 求最小值离散系数误差小采样量小 计算简单在河床形状及水文参数变化不大的情况下 计算结果比较稳定 纵向离散系数估算方法 36 采用实测方法确定纵向离散系数最可靠但现场观测耗费人力物力巨大真正做到比较困难 纵向离散系数估算方法 37 只考虑流速影响 经验公式估算 考虑几何形状的影响 纵向离散系数估算方法 38 综合考虑流速及几