复杂岸坡立面二维扩散浓度分布的理论分析与实验研究

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首先,推导了角域映射系数β为奇数时,倾斜岸水面污染带下角形域中污染物浓度分布的理论公式,并结合角域映射系数为偶数时污染物浓度分布的理论公式,分析得出倾斜岸水面污染带下角形域中污染物二维浓度分布呈现以角域映射系数β=4的倍数的周期性变化规律。对倾斜岸水面污染带与岸边线源扩散浓度分布进行比较,结果表明,在水面污染带条件下,污染物分布范围较广,有利于污染物扩散;在岸边线源条件下,污染物分布范围较小,在近岸区域容易集聚,近岸区污染较为严重。其次,在倾斜岸坡角形域污染物浓度分布研究成果和已建立面斜角二维扩散水槽实验装置的基础上,提出改建方案,设计与研制了多功能复杂岸坡立面二维扩散水槽的实验装置及其辅助设施,对倾斜波状岸坡、倾斜波状阶梯岸坡、倾斜阶梯岸坡3种岸坡形态下岸边排放污染物扩散二维浓度分布进行了实验研究,得出结论如下:(1)倾斜波状岸坡区域内污染物的扩散速率随格栅振荡频率的增大变快,随着扩散时间推移污染范围变广,其水面点污染物浓度随横坐标的增大而减小,垂向浓度分布随水深单调减小;污染物横向扩散速率大于垂向扩散速率,其浓度分布出现水面临近区域扩散较远的分布特征。相同条件下,θ=30°倾斜波状岸坡扩散实验区域内各点污染物浓度较θ=45°区域内高。θ=45°波状岸坡附近在实验过程中出现较大尺度漩涡,沿岸坡方向上浓度分布呈现先减小后增大的规律,θ=30°波状岸坡附近在实验过程中未见明显的漩涡,污染物浓度沿岸坡方向单调减小。(2)在倾斜波状阶梯岸坡区域内,污染物的扩散率速率随格栅振荡频率的增大而增大,扩散范围随时间的推移变广,其水面点污染物浓度随横坐标的增大而减小,垂向浓度分布随水深单调减小。当阶梯上沿水深h=0.5m时,污染物在阶梯上沿水域内的扩散和相同条件下的倾斜波状岸坡区域内的扩散情形十分相似;在阶梯右侧水域内,污染物沿横向方向扩散明显,在垂向方向上无明显的扩散特征,在相同条件下,倾斜波状阶梯岸坡区域内沿水面方向污染物扩散的距离较倾斜波状岸坡要近。不同阶梯上沿水深下污染物的浓度分布情况差异较大,当阶梯上沿水深h=0.5m时,污染物在阶梯右侧区域内无明显的垂向扩散特征;当阶梯上沿水深h=0.2m、0.3m时,污染物在阶梯右侧水域垂向扩散较明显,这是由实验过程中在阶梯右侧水域产生漩涡的尺度与影响范围不同导致的。漩涡的存在对污染物的分布影响明显,漩涡的尺寸随阶梯上沿水深和格栅振荡频率的增大而增大。(3)倾斜阶梯岸坡区域内,格栅振荡频率越大,扩散系数越高,污染物的扩散速率越快,随时间推移,扩散范围变广,其水面点污染物浓度随横坐标的增大而减小,垂向浓度分布随水深单调减小。当阶梯上沿水深h=0.5m时,污染物在阶梯上沿水域内横向与垂向扩散速率差别不大;在阶梯右侧水域内,污染物横向扩散速率较快,垂向扩散不明显。阶梯上沿水深h=0.2m、0.3m时,污染物在阶梯右侧水域垂向有明显扩散特征,但相比相同条件下倾斜阶梯波状岸坡区域内的扩散速率要慢。实验过程中倾斜阶梯岸坡阶梯右侧区域也产生了漩涡,但对比相同条件下倾斜波状岸坡中的漩涡尺度强度要小。污染物在倾斜阶梯岸坡区域内扩散比倾斜波状阶梯岸坡内扩散要慢。本论文对复杂岸坡岸边排放污染物扩散的研究,推动了环境水力学理论的发展,对于江河水库岸边污染混合区和水域纳污能力计算与水环境功能区划以及推进实行水污染混合区许可证制度等具有十分广阔的应用前景。
摘要第8-10页
Abstract第10-11页
第1章 绪论第13-22页
    1.1 研究背景与意义第13-15页
    1.2 与本课题相关的研究第15-21页
        1.2.1 角形域扩散理论第15-18页
        1.2.2 岸边排污模型第18-19页
        1.2.3 屏幕振荡系统第19-20页
        1.2.4 数字图像处理系统第20-21页
    1.3 论文的研究内容和方法第21-22页
第2章 倾斜岸水面污染带与线源扩散浓度的理论分析第22-29页
    2.1 引言第22页
    2.2 水面污染带下奇数角域映射系数的扩散第22-25页
    2.3 倾斜岸水面污染带下浓度分布规律第25-27页
    2.4 倾斜岸水面污染带与岸边线源扩散比较第27-28页
    2.5 本章小结第28-29页
第3章 立面水槽扩散实验装置的研制与实验方案第29-43页
    3.1 引言第29页
    3.2 实验装置改进与设计第29-38页
        3.2.1 立面二维扩散外水槽的设计第30-31页
        3.2.2 立面二维扩散内水槽的设计第31-34页
        3.2.3 加药箱的设计第34-35页
        3.2.4 格栅振荡系统的设计第35-37页
        3.2.5 立面二维复杂岸坡扩散水槽装置图第37-38页
    3.3 实验方案设计第38-41页
        3.3.1 研究目的与方法第38页
        3.3.2 图像采集与处理第38-39页
        3.3.3 灰度-浓度关系曲线的绘制第39-40页
        3.3.4 实验步骤第40-41页
    3.4 小结第41-43页
第4章 复杂岸坡河库岸边排放浓度分布的实验研究第43-97页
    4.1 概述第43页
    4.2 倾斜波状岸坡岸边排放浓度分布的实验研究第43-60页
        4.2.1 倾角θ=45°倾斜波状岸坡实验研究第43-51页
        4.2.2 倾角θ=30°倾斜波状岸坡实验研究第51-59页
        4.2.3 小结第59-60页
    4.3 倾斜波状阶梯岸坡岸边排放浓度分布的实验研究第60-77页
        4.3.1 阶梯上沿水深h=0.5m的实验研究第61-69页
        4.3.2 阶梯上沿水深h=0.3m的实验研究第69-73页
        4.3.3 阶梯上沿水深h=0.2m的实验研究第73-77页
        4.3.4 小结第77页
    4.4 倾斜阶梯岸坡岸边排放浓度分布的实验研究第77-97页
        4.4.1 阶梯上沿水深h=0.5m的实验研究第78-86页
        4.4.2 阶梯上沿水深h=0.3m的实验研究第86-91页
        4.4.3 阶梯上沿水深h=0.2m的实验研究第91-96页
        4.4.4 小结第96-97页
第5章 结论与展望第97-101页
    5.1 总结第97-98页
    5.2 展望第98-101页
参考文献第101-105页
攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作第105-107页
    一、研究生期间学术论文发表与专利申请及授权情况第105-106页
        1. 已发表文章第105页
        2. 已录用论文第105页
        3. 会议论文第105页
        4. 专利申请及授权第105-106页
    二、研究生期间参加的科研工作第106-107页
致谢第107页
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