复杂岸坡河库岸边排放浓度分布的实验研究

摘要

水是一种不可或缺的战略资源，在生态环境、社会生产生活中起着重要作用。一段时间以来，由于污废水的不达标排放引起的水环境问题频发，业已成为经济和社会发展的重要制约因素，科学规划、加大治理力度已刻不容缓。实际工程中的排污口多设置在岸边，污水进入水体后受岸坡地形以及紊流条件的影响，在排污口附近形成较高浓度的污染混合区。对这一区域污染物浓度分布规律的研究，是进行水环境管理、功能区划分和综合治理的重要依据。
　　河流和水库等自然水体的岸坡地形大都不规则，倾斜阶梯或复式岸坡（统称复杂岸坡）是较为常见的岸坡形态。基于岸边排污扩散理论，改进并研制了双层水槽立面二维扩散装置，通过改变内水槽的几何特征或尺寸，来模拟倾斜阶梯岸坡、复式阶梯岸坡和复式梯形岸坡等3种复杂岸坡；通过调节格栅震荡频率，来模拟不同的横向和垂向扩散系数。以罗丹明B为示踪物质，进行瞬时线源排放扩散实验，使用数码相机记录扩散过程浓度场的RGB彩图，借助数字图像处理技术得到二维浓度分布，依据二维线源扩散与三维点源移流扩散的转换关系式，进而得到三维空间浓度分布。分析了断面浓度分布和纵向均匀流中水面与深度平均浓度分布规律，并提出用深度累积浓度矩法来估算横向扩散系数。研究结果表明：
　　（1）断面浓度分布，倾斜阶梯岸坡为：在阶梯处产生了大尺度的顺时针漩涡，使其附近浓度较低；45°倾角岸坡在格栅震荡频率15r/min时，于扩散初期产生了较为明显的重力流。复式阶梯岸坡为：在漫滩上，浓度沿垂向变化不大，污染云团近乎“齐头并进”向主槽扩散；在主槽中，浓度分布依工况差异较大，污染云团形态呈现出多种特征。复式梯形岸坡为：在漫滩上，浓度沿垂向递减，但梯度不大；在过渡部分和主槽中，污染云团形态较为简单。随着振荡频率的增大，污染云团横向与垂向扩散尺度之比变大。
　　（2）水面或深度平均浓度沿横向和纵向递减，且横向梯度远大于纵向，污染混合区呈现出纵向尺度远大于横向的带状分布。对于倾斜阶梯岸坡和复式阶梯岸坡，其深度平均浓度在阶梯处垂直减小，等浓度线与阶梯线重合，污染混合区被阶梯线隔断。复式梯形岸坡的深度累积浓度，在水深渐变段先增大后减小。
　　（3）结合数值模拟计算，推导并提出深度累积浓度矩，来估算横向扩散系数。计算结果表明：横向扩散系数随着格栅震荡频率的增大而增大，但增加的快慢不尽相同。当震荡频率一定时，45°倾斜阶梯岸坡的横向扩散系数比30°的更大。对于复式岸坡，当漫滩宽度较大时，横向扩散系数对漫滩水深较为敏感，漫滩水深较大时横向扩散系数也较大；反之，则不敏感，二者的值比较接近。同种工况下，复式梯形岸坡的横向扩散系数大于复式阶梯岸坡。
　　对复杂岸坡河库岸边排放浓度分布进行实验研究，并揭示其浓度分布规律，可为水环境数学模型的构建、现场观测数据分析以及水环境功能区的计算提供科学依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究综述

1.3与本课题相关的研究

1.4本文的主要内容与方法

第2章 实验装置的研制与实验方法

2.1引言

2.2立面外水槽及背景灯箱原理与设计

2.3立面内水槽与加药箱原理与设计

2.4格栅震荡系统原理与设计

2.5立面二维扩散装置效果图

2.6实验方案与步骤

2.7本章小结

第3章 基于MATLAB的浓度场图像处理技术

3.1引言

3.2浓度的标定

3.3数字图像基础知识

3.4 MTLAB简介

3.5浓度场图像处理方法

3.6本章小结

第4章 倾斜阶梯岸坡浓度分布的实验研究

4.1倾斜阶梯岸坡简介

4.2倾斜阶梯岸坡θ=45o

4.3倾斜阶梯岸坡θ=30o

4.4横向扩散系数估算

4.5本章小结

第5章 复式岸坡浓度分布的实验研究

5.1复式岸坡简介

5.2复式阶梯岸坡b=0.40m

5.3复式阶梯岸坡b=0.80m

5.4复式梯形岸坡b=0.40m

5.5横向扩散系数估算

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢

附录