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随着社会经济的快速发展,我国面临洪涝灾害频繁、水环境恶化、水资源短缺三大问题。为了促进水环境的可持续发展,我国越来越重视生态河流的建设。具有生态功能的河流总是天然或是人工生长着植物,然而由于水生植物的存在,河流内的水力环境被改变,尤其当有污染物进入水体后,其输移扩散规律被打乱,难以对河流水质与污染物扩散断面进行准确预测。鉴于此,寻求含植物水体内污染物的扩散输移规律具有广泛的现实意义。
本论文采用实验室水槽试验,对含植物明渠中流速的垂向分布进行了研究,然后通过示踪剂试验法重点研究了污染物在进入水体后其横向扩散和纵向离散的规律,分析计算了不同试验条件下的横向扩散系数和纵向离散系数,详细探讨了不同植物类型、植物密度、布置方式以及不同的相对水深对污染物扩散的影响。
(1)含植物明渠中流速的垂向分布,结果表明:流速在植被区以下呈现“S”形,即在植被中部以上,流速随高度的变化在植被层内的上半部,削减迅速,在植被层顶部有一流速反转梯度,而在下半部则较缓慢,甚至近似为常数。在植被区以上的区域内,流速的垂向分布呈现“J”形,表明流速分布符合半对数关系,也就是说植被层之上的水流结构符合紊流边界层理论。
(2)含植物明渠中污染物扩散试验,试验表明:当水深处于H/h=2下时,横向扩散系数Dy值和纵向离散系数DL值均不随明渠内植物密度的改变而变化;当水深为H/h=0.6或H/h=1时,在一定植物密度范围内,横向扩散系数DL随明渠中植物密度的增加而增大,而纵向离散系数DL却随着明渠中植物密度的增加而减小。
(3)在含植物明渠中,当水深处于H/h=0.6或H/h=1时,刚性植物对横向扩散系数Dy以及纵向离散系数DL的影响都要明显大于柔性植物对其造成的影响。说明在天然河道中,当河道内的植物处于半淹没或初淹没状态时,刚性植物对污染物的横向与纵向扩散输移所产生的影响要大于柔性植物对其所产生的影响。
(4)同时,当水深处于H/h=0.6或H/h=1时,刚性植物对横向扩散系数Dy值以及纵向离散系数DL值的影响都要明显大于柔性植物对其造成的影响。同时,相对于交错布置而言,当模拟植物对齐布置时,污染物的横向扩散系数和纵向离散系数更容易受到植物密度的影响。