滩地植被化复式弯曲河槽热污染输移机理研究

项目针对植被化河槽热污染物混合输移特性为对象，以研究植被、浮力和强二次流作用下滩地植被化明复式弯曲河槽热污染的迁移规律和预报模型为目标。（1）研究植被、浮力和弱二次流作用下滩地植被化复式弯曲明渠热扩散输移的流场和温度分布规律；(2) 研究植被、浮力和强二次流作用下滩地植被化复式断面明渠热混合输移流场和温度场的变化规律;(3) 在对植被化弯曲复式断面明渠热污染行为的过程和机理深入研究的基础上，建立考虑植被作用、浮力作用的三维水动力学模型以及热扩散模型。从而形成这类流动的理论分析方法，同时就该类流动的浮力效应、植被形成的强剪切以及二次流对热扩散的作用和紊流的普朗特数等进行深入研究。为河道环境规划与管理、以及研究控制和治理植被化河道上污染的措施提供科学依据。同时也可以丰富和拓宽环境水力学的体系和内容，因此该项目具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

弯道、植被是生态河道中存在的常见形式。植被与水流的相互作用，弯道及其河道地形等因素引起的二次流等均是影响污染物混合输移的主要因素。因此研究滩地植被化复式弯道河槽污染物混合输移机理对生态河道设计，环境影响评价具有重要的参考价值，同时也丰富了环境水力学的理论体系，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本研究重点对顺直部分植被河道的水流结构，动量交换，能量输移转换和消耗特性进行了实验研究和数值理论分析。建立了植被河道水深平均二维水流数学模型，并给出了相应的数值解法，考虑了植被与水流的相互作用和复式断面二次流的描述，形成了植被河道明渠流动的分析理论；针对悬浮植被水流，首次建立了立面二维植被水流数学模型，得出了与试验资料十分吻合的结果；对多层植被存在的明渠水流，采用多孔介质理论和水流的控制方程，建立了层流状态和紊流状态下立面二维水流数学模型，揭示了植被与水流相互作用机理，给出了水流提供能量，能量的传递与消耗的解析表达式，解析表达了能量守恒性。针对弯道植被水流，采用室内试验得到了基于ADV测量的部分植被与无植被存在多种工况下的水流结构的时均和紊动特性，探讨了植被、强二次流等因素对水流的作用机理，同时为相应的数值模拟奠定了对比基础。建立了基于RNG紊流模型的水深平均二维植被弯道水流数学模型，给出了相应的数值解法，与实验资料的良好吻合证明了模型和数值方法的有效性和正确性，特别对弯道植被水流，提出了刻画二次流的简单且有效的表达式，揭示出随着弯道角度的增大，二次流系数逐渐增加的规律；建立了基于大涡模拟的植被弯道水流全三维数值模型，将植被直接视为边界，模拟结果精度高，同时验证了植被群拖曳力计算模式的正确性，揭示了植被弯道河床切应力的演替规律。针对滩地植被化弯道水流，试验采用罗丹明荧光染料作为示踪剂，采用YSI 公司生产的6-Series水质探测仪对若干个典型断面中心处的浓度时间分布进行测量，重点考虑了植被，弯道，复式断面形成的二次流对污染物输移的影响，给出了弯道植被水流纵向离散系数的估计理论。