河流交汇对主河道污染物掺混影响机制及与之响应的混合系数确定新方法

The phenomenon of channel confluence is common in natural rivers. The mixing mechanism and transverse mixing capability of pollutants in the main river will change significantly after the tributary convergence. Related researches are extremely rarely. Transverse mixing coeffiecient is an important reflection of river transverse mixing capability, but the study on its variations in the main river before, during and after the confluence and its determination method are almost blank. In this study, pollutants mixing mechanism and new determination method of mixing coefficient in the main river with tributary action are researched. Laboratory and field tracer tests will be conducted in different confluent morphologies and hydraulic conditions. Combined with "numerical experiment", this study will explore the influence mechanism of pollutants mixing caused by velocity, turbulent energy, and circulation structure in the confluence, upstream and downstream of main river under different conditions. Additive effect of characteristic parameters such as vegetation type, growth range, density and flexibility to confluent morphologies is analyzed to study transverse mixing mechanism in confluenct channels. A new method for determining the transverse mixing coefficient under complex hydraulic condition of confluent channel will be proposed. The influence mechanism of transverse mixing capability, affected by different key driving factors, will be explored, and the function relation between transverse mixing coefficient and its driving factors will also be established for confluent channels.

自然界中河道交汇现象非常普遍，支流入汇后主河道污染物的掺混机制和横向混合能力将显著改变，相关研究十分零星，且作为河流横向混合能力重要体现的横向混合系数，在河道交汇前、中、后的变化规律和确定方法更是一片空白。本课题将对河流交汇后主河道中污染物掺混机制及与之响应的混合系数确定新方法进行研究。开展不同交汇形态和水力条件下交汇河道室内和野外示踪试验，并结合"数值试验"，探求交汇口和主河道上、下游断面中流速、紊动能、环流结构等分布改变对污染物掺混的影响机制；剖析植物类型、生长范围、密度、柔韧性等特征参数对交汇河道横向混合影响的叠加效应；提出确定交汇河道复杂水流条件下污染物横向混合系数的新方法；探明不同关键驱动因子对交汇河道横向混合系数的影响机制，建立交汇河道横向混合系数与其驱动因子的函数关系式。

交汇河道在自然界广泛存在，污染物在交汇河道中的掺混机制还不清楚，污染物的横向混合系数研究更是少之甚少。本项目针对不同类型的交汇河道，通过野外示踪试验、室内物理模型试验，以及“数值试验”相结合的方法，开展交汇河道污染物掺混机制、横向混合系数分布规律以及确定方法的研究。首先从不同交汇角、汇流比、河床高差、污染物不同排放方式等情形下交汇河道的水流运动特性进行剖析，发现交汇口和主河道上、下游断面中流速、环流结构、紊动能等分布特征随驱动因子而改变，从而影响污染物掺混的机制，其中大交汇角度、高汇流比，和河床高差的存在有利于交汇河道污染物的输移扩散；其次，针对有无植被、植物类型、植物生长范围、植物密度、植物高度等情形下交汇河道水流特性及污染物分布规律进行了研究，发现植物具有明显的阻流作用，断面环流结构更为紊乱，当植物全河道分布、密度小和高度矮时更有利于断面污染物的混合；项目针对交汇河道水流特征，提出了确定交汇河道复杂水流条件下污染物横向混合系数的改进分区计算方法；探明不同关键驱动因子对交汇河道横向混合系数的影响机制，发现大交汇角度、高汇流比、河床存在高差情形下，污染物无量纲横向混合系数ay值会增大，且随着汇流比的增大ay断面最大值得出现有向后延迟的趋势；有植被存在的情况下，不利于污染物的横向混合，交汇水槽断面ay值会减小，同时存在河床高差与植物情形下，高差增大ay值的效应大于植被减小ay值的效应，综合效果是ay值增大；最后建立了交汇河道特征断面横向混合系数与关键驱动因子的函数关系式。研究结果可为准确计算交汇型河道污染物输运扩散过程提供科学依据，为其环境容量计算、环境保护和控制工程提供理论支撑，进而为国民经济建设服务，研究具有重要的理论意义与应用价值。