群汊河道污染物输移机理及对离散能力的响应关系研究

群汊型河道是一种特定而时常遇到的河道形态，本课题着重就群汊型河道的污染物输运机理及对离散能力响应关系展开研究。针对在天然情形下大量群汊河道的分汊形态特征调查基础上，遴选出由三个或三个以上不同形状分汊岛及不同排列组合方式形成的具有代表意义的典型天然不同群汊河道类型，探求污染物从顺直段进入群汊段再汇合的各种典型群汊河道的输运机理、穿越过程、掺混机制和离散特性，揭示群汊段中关键水动力驱动因子对污染物穿越与掺混强度的影响机制，提出典型群汊段中各分汊岛间污染物分配与分汊岛空间分布、分流比、汊道宽度等的内在关系。剖析群汊河道对污染物质离散能力的响应机制，提出典型群汊段纵向横向离散系数确定方法和计算经验公式，从而为针对群汊型河道这一特定且在自然情况下经常遇到的河道类型污染物输移规律和该类型河道为国家工农业生产服务及水污染控制提供基础研究性的积累与支撑。

该项目针对群汊型河道，分别制作完成了存在有三个、四个、五个分汊岛的不同群汊型河道的物理模型，分别进行了对三个、四个、五个不同分汊岛群汊型河道水流及污染物质输运特性试验研究，模拟了污染物质在顺直河道经群汊型河道再汇合的整个输运过程，模型试验河段将包括顺直河道、群汊河段和汇合段，物理模型全长约25.0米，其中主体试验段和群汊型河道采用有机玻璃制作而成，当完成存在三个分汊岛的群汊型河道模型试验后，再更换存在四个分汊岛群汊型河道进行试验，最后进行五个岛的群汊型河道水流及污染物输移的物理模型。模型分别进行了5种不同上游流量工况下群汊段的水流特性试验，量测了群汊型中河道的流速分布、雷诺应力、紊动动能等参数，其中三个、四个、五个分汊岛的群汊型河道测量断面分别为20个、26个和29个，获得了群汊段的三维水流结构和紊动强度，揭示了不同群汊对水流结构和紊动特性的影响。同时，在群汊段进口上游3m处设置污染物排放断面，试验时考虑了在排放断面上的五个在横向上的不同排放位置，即离左岸1/6河宽、1/3河宽、1/2河宽、2/3河宽、5/6河宽处排放示踪剂，在不同来流流量条件下观测示踪污染带的输移扩散过程，揭示污染物在群汊河道中的混合输移的变化过程。基于无结构网格，构建了三维群汊河道的水动力及污染物质输运数学模型，进行“数值试验”对群汊河道物模试验工况进行补充，数学模型构建引入适用于非结构网格的Q-QUICK高阶精度格式。揭示了群汊段中各分汊岛间污染物分配与分汊岛空间分布、分流比、汊道宽度等的内在关系，剖析群汊河道对污染物质离散能力的响应机制，提出了污染物纵向离散系数的反优化计算方法，基于反问题思想，根据下游断面量测的浓度分布通过定义目标函数将离散系数的参数计算问题转化为极值问题，并将黄金分割优化算法应用到极值问题求解中。该项目研究为掌握群汊型河道污染物输移规律机制具有重要的理论意义与实际应用价值。