倾斜岸河库污染物浓度分布的理论分析与实验研究

项目针对江河水库普遍存在的倾斜岸坡、岸边排污以及侧向与垂向扩散系数不相等的实际情况，以研究倾斜岸坡形成角形域顶点排污浓度分布规律和应用为目标。在内角角度θ=2π/β，其中β为自然数条件下，采用镜像法原理研究角形域的边界反射规律，分析求解角形域顶点排放浓度分布的理论公式。采用"屏幕振荡"系统模拟侧向与垂向扩散系数不相等的扩散实验环境，通过静止水体中水面与倾斜岸坡形成角形域顶点瞬时线源排放的水槽立面扩散实验验证浓度分布的正确性。在β为非自然数条件下，通过角形域顶点瞬时线源排放的水槽立面多方案扩散实验，给出角形域顶点排污浓度分布曲线的变化特征，研究倾斜岸坡角形域顶点排污浓度分布曲线类型随内角角度的变化规律，给出β为非自然数条件下浓度分布的插值方法。同时，研究纵向均匀流动中岸边污染混合区各特征值的计算方法。对于江河水库水污染控制与水环境功能区划，推动环境水力学的发展，具有重要的理论价值和实际意义。

项目针对江河水库普遍存在的倾斜岸坡、岸边排污以及侧向与垂向扩散系数不相等的实际情况，以研究倾斜岸坡形成的角形域顶点排污浓度分布规律和应用为目标。在角形域角度θ=2π/β的（角域映射系数β为自然数）条件下，基于镜像法原理和角形域平面镜映射实验，给出了横向和垂向扩散系数不相等的角形域污染源映射图谱。分析推导出角形域顶点排污瞬时线源扩散的浓度计算公式（β为偶数）和近似计算公式（β为奇数），进而得到了角形域顶点排污等强度连续点源移流扩散浓度分布的理论公式。.研制了顶点排污立面斜角二维扩散水槽实验装置，采用变频格栅振荡系统模拟侧向与垂向扩散系数不相等的实验环境，对8个倾角θ=360º/β（β=4~11）的角形域，按振荡频率n=20，40，60 r/min的三种情况进行了一系列扩散实验，采用图像采集与数字图像处理新技术测量二维浓度场分布。结果表明，各倾角的横向和垂向扩散系数均随格栅振荡频率的增大而增大，并随倾角的大小呈现波状变化特征，垂向扩散系数平均占横向扩散系数的7.4～10.3%。理论分析和实验结果表明，角形域角度对污染物的浓度分布影响很大，其浓度分布呈现以角域映射系数β的奇、偶数不同和以β=4的倍数的周期性变化规律，即具有复杂性和多重性。在β为非自然数条件下，根据两相邻β为奇、偶数或偶、奇数的角形域污染物浓度分布的理论公式按线性插值计算即可。.在横向和垂向扩散系数不相等的倾斜岸坡大宽度深水情况下，推导出了水面无限和有限宽（污染带）瞬时污染源下二维扩散污染物浓度分布的理论计算公式；在河流水库纵向均匀流动的平面二维、倾斜岸和铅垂岸三维条件下，提出了污染混合区的解析计算方法和等浓度标准曲线（曲面）的无量纲统一方程，表明污染混合区具有相似性。给出了污染混合区各特征值的理论计算公式，提出了由污染混合区各特征值和平均流速确定侧向与垂向扩散系数的计算公式和采用水面横向积分浓度确定垂向扩散系数的实用方法，完整系统地提出了二维、三维移流扩散方程定量化的简化条件和基于环境扩散条件的河流宽度分类判别准则。.本项目的研究成果对江河水库环境功能区划、水域纳污能力计算和地表水环境影响评价，推动环境水力学的学科发展，具有重要的理论价值和实际意义。