17第5章污染物在河流中的混合 环境水力学 教学课件

第一节 河流中的混合过程
对三个阶段的划分也不是严格的，因为各个方向的混合并不是 截然分开的，这样的划分只是反映了混合过程各个时期的主要 特征，况且在实际问题中，也不一定都按三个阶段进行处理：
（1）污染物质的非射流排放，第一阶段的距离可能很短，可 忽略不计；
（2）如果河流的宽度比深度大的多，垂向混合与横向混合相 比可认为是瞬时完成，也可忽略第一阶段；
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
当坐标原点与污染原点重合时, 参照连续无限长恒定线源 一维随流一维横向紊动扩散的稳态情形的解的形式：
c(x,y) 4m E zyuxexp4uEyy2x
可得式(5-2-1) 的解为:
c(x,y)
m z
V2y ex p( )
4MyVx 4Myx
（5-2-2a）
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
一、污染带的浓度 当河槽近似为矩形棱柱体，水流近似为均匀流，水深和
断面平均流速分别为h和V ，假设： 断面上所有点流速u≈ V ,u=w=0; 污染源为时间连续沿水深的线源,单位时间内沿水深方向 上注入的污染物质质量为m(z量纲为[MT-1L-1]); 不考虑岸边对横向扩散的反射作用和污染物质的非守恒 性； 浓度和横向混合系数沿水深平均，研究浓度的垂线平均 值在纵向和横向上的变化。
式中：cm 的意义为污水与河水完全（均匀）混合后的浓度； Q为河流流量； Qd和cd分别为从排污口注入河流的污水流量和浓度。
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
c 1 exp(y2)
cm 4x
4x
图5-3 污染源点位于y0
c(x,y) cm
41 xexp (y[4 xy0 )2]
或
c(x,y) 4m M zyVe百度文库xxp V(4 [yM yyx 0)2]
第一节 河流中的混合过程
排污口的位置有表面排放与淹没排放两类。如果污水在 水下较深处排放，则可利用较大的水深使污水在河流中达 到较好的初始稀释。
在初始稀释过程中，射流的动量和浮力的作用也将随之 减弱，在第二阶段就不考虑其影响。
对第一阶段的计算需要用浮力射流理论等有关知识。
第一节 河流中的混合过程
（5-2-3a） （5-2-3b）
行求解； （2）随机方法从扩散位移是随机过程的观点出发，采用概
率论的数学方法处理。
本章主要介绍在矩形河道均匀流中和在不规则河道渐变流 中污染带计算的确定性方法。
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
在大多数河流中，河宽远大于水深。例如：有一河流宽 W=30m、深h=1m，初步用下式估算垂向紊动扩散系数Ez和横 向混合系数My：
图5-2 污水与河流的混合过程
第一节 河流中的混合过程
❖ 第一阶段在排污口附近，称为近区。一般是三维问题，需 要浮力射流理论。
❖ 第二、第三阶段发生在离排污口较远的区域，称为远区。
顺直河流断面完全混合时的距离（河长）： 中心排污：L=0.1VB2/My 岸边排污：L=0.4VB2/My
My为河流横向混合扩散系数。
将式（5-2-2a ）改写为：
令
cm
，mz
VW
c
1
exp{(y/w )2 }
m z/V ( )W4(M yx/VW 2) 4[M yx/V ( W 2)]
x， M y x，y便 有y
VW 2
W
c1
y2
exp ( )
cm 4x
4x
（5-2-2a） （5-2-2b）
cmVm W z V cdQ W d hM Q
（2）第二阶段(横向混合段或初始段)
从污水在垂直均匀混合之后算起至河流横向（在断面上） 均匀混合为止。
在本阶段中，初始动量和浮力已经消失，混合取决于河流 中的二次环流和横向紊动的作用。在此过程中，横向的污染 范围逐渐变宽。如果污水的出流是恒定的时间连续源（即稳 态情形）在本段将形成一条稳定的污染带。横向混合的结果 导致达到全断面的均匀混合。
第五章 污染物在河流中的混合
河流的水质好坏对直接工农业生产和人民的生活。 自环境问题出现以来，人们对河流污染的预测和防治进行了 大量的研究，已取得了很多成果。
混合：是指污水进入环境水体之后的混掺和输移的过程
本章将对河流在稳态和动态情况下初始段和远区的浓度计 算问题进行介绍，其中对污染带的计算将给出较详细的分析 和论述。
（3）由于河流不太宽，而射流排放的初始动量很大，垂向混 合段很长，污染物质在第一阶段就扩展至全断面，所以 不存在第二阶段；
（4）如果进行水质规划，从大范围来看河流的混合，相对说 来，第一和第二阶段很短，第三阶段才是主要的，此时 也可以忽略第一和第二阶段。
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
就计算方法而言，有确定性方法和随机方法两类： （1）确定性方法以紊流扩散为控制方程，对浓度等问题进
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
在上述假设下，求污染带的浓度问题便简化为求一维纵 向随流一维横向紊动扩散的稳态解，其控制方程：
c t
V
c x
My
2c y2
随流紊动扩散方程
c
2c
V x My y2
（5-2-1）
式中：c 和My 均为沿水深的平均值，在不致引起混乱的情况 下, 省去在字母两侧的代表沿水深取平均的两条竖线。
||Ez||0.06h8u
My 0.650% hu*
My≈10Ez
由量纲分析可知，混合时间t∝L2/Ei（L表示某一特征长 度），故有：
ty tz
W h2 2//E M zy
1(W)290 10h
通常认为垂向混合相对于横向混合来说是瞬时完成的
第二节 矩形河道均匀流污染带的计算
在实际应用中，为了研究方便，可以假定污染物质在开始 时就是沿垂线均匀混合的（即忽略第一阶段），或者说开始 时就可以作为一条垂直均匀混合线源来分析其水平二维扩散 问题。如果第二阶段的距离不是太长，此时可以忽略污染物 质的非守恒性，作为示踪物质考虑。
为了简化分析，可以对该阶段的流速，浓度和横向混合系 数都各自沿水深平均，只研究垂线上平均值的纵向和横向变 化，按水平二维的混合过程处理，可以应用二维紊流扩散方 程作为控制方程和进行计算。
第一节 河流中的混合过程
（3）第三阶段(纵向分散段) 从河流横断面均匀混合以后起算的阶段。
在本阶段中，在横断面上的浓度分布是均匀的，服从一 维纵向分散方程，同时必须考虑污染物质的非保守性。