明渠混合污染物侧向和垂向扩散系数的计算方法及其应用

明渠的侧向和垂向扩散系数是衡量岸边水流对污染物质混合输移能力的重要水质参数之一,其值的准确与否直接关系到明渠水质预测预报成果的可靠性。基于污染混合区的理论计算方法,推导了污染混合区外边界标准曲线和曲面的统一方程,包含最大长度Ls、最大宽度bs和最大深度ds等特征尺度。该曲线形状近似于半椭圆,曲面形状为近似椭球体的一部分,表明污染混合区具有相似性。给出了由岸边污染混合区外边界最大长度、最大宽度或最大深度和平均流速确定侧向或垂向扩散系数的计算公式,提出了采用污染混合区面积或体积进行总体控制的侧向或垂向扩散系数计算方法和采用水面横向积分浓度确定垂向扩散系数的实用方法。通过现场观测结果分析,给出了洸府河下游河段枯水期的侧向扩散系数0.27 m2/s。

垂向悬沙扩散与近岸挟沙力理论研究

根据垂向二维悬沙扩散方程和谢才公式,假定泥沙垂向扩散系数为常数或为水深和摩阻流速的函数时,从理论上推导得到一个新的不仅适用一般水域,也适用于高含沙水域的挟沙力公式。公式一阶近似形式上与近岸海域常用的刘家驹公式相一致也不显含泥沙沉速,从理论上证明了刘家驹公式的合理性,说明其经验公式在理论上也成立。对更高阶近似,公式显含泥沙沉速,与维利卡诺夫以及张瑞瑾等挟沙力公式相一致,说明了张瑞瑾公式的合理性。分析了导出的公式的物理意义以及与刘家驹公式和张瑞瑾公式的异同。新的挟沙力公式也表明挟沙力公式的近似应是流速平方的多项式,选择低阶项作为近似会有一定的误差。

基于布谷鸟搜索算法的水质污染扩散仿真

传统水质污染扩散跟踪方法忽略了对水体横向扩散系数的考虑与计算,导致污染垂向跟踪结果与实际情况不符。为此,提出基于布谷鸟搜索(Cuckoo Search,CS)算法的水质污染垂向扩散跟踪建模方法。以混合区域外边界的标准曲线特征尺度作为基础,建立流速分布函数,在各向同性的紊动条件下,获取水体垂向扩散系数。将沿着水深均匀流动量视作水体污染垂直方向上的流场,跟踪水体内水流垂向与污染物浓度变化,完成水质污染垂向扩散跟踪的建模。实验证明:所提模型与实际跟踪结果对比,垂向扩散系数基本相同,验证了模型所得结果符合真实情况。

Rouse方程的应用及其改进

结合经典Rouse方程推导中的几个主要假设从泥沙垂向扩散系数和水流垂向流速作为出发点,分析了经典Rouse方程在河口海岸地区的适用性,并给出了垂向扩散系数一般形式时的悬沙分布方程。明确推导了由Rouse方程确定泥沙沉降速率的计算公式。考虑到传统的泥沙理论是建立在假设垂向流速忽略的基础上,而在河口海岸地区的实际问题中,不可忽视的垂向流速导致泥沙守恒方程形式中多出了因为垂向流速产生的输运量,通过引入垂向流速分布函数对经典Rouse方程进行了适当的修正,明确给出了受潮汐影响水域中的Rouse方程形式。