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第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集 温度分层对污染物垂向扩散的影响 刘春艳，陈铂，罗麟 (四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都，6l0065， Emajl．1iuchuny锄inl986@yah00．com．cn) 摘要：通过模型实验，模拟了不同温度分层现象的水库工况，测定了其温度场，并对以瞬 时点源方式投放的污染物(Nacl)一示踪剂(罗丹明)的扩散过程进行了监测。由此监测结 果，计算得到了污染物云团沿水深变化的垂向扩散系数，再结合了温度场，分析了两者之间 的相关性．实验结果表明，在温度梯度较大处，往往容易产生“开花现象”(到达一定水深， 除少数以小滴的形式向下扩散外，主云团基本停滞)，由此说明了温度分层对云团的垂向扩散 具有一定的阻滞作用；并且由于有小滴污染物穿过温跃层向下扩散，使得深水层中的污染物 浓度大于以往对其的研究结果。 关键词：温度分层；污染物；垂向扩散；云团；开花现象 l前言 我国水资源总量十分丰富，大部分水电资源都集中在西南地区。往往我国西南地区的水 电．丁程多具有水头高，流量火的特点，宜于兴建高坝人型’T：程【l21。大型水库的兴建，势必对 原河道水环境产生影响。对人型水库中的污染物扩散机理进行研究，对在iI：程规划建设之前 实施水环境的预测，并提出相应的环境保护措施具有重要意义。 在以往的研究中pJ，常假设：点源污染物在排入水体之后，会较为迅速地在垂向达到均匀 混合状态，从而这些污染源在离排放点一定距离之后可按圣向均匀分布的线源方式处理，即 水体中的污染物扩散在远区火多可按水平二维扩散进行计算。在大犁深水库条件下，水深成 为一项不容忽视的要素，点源、非全水深线源(在水库状态下，很难达到全水深线源的条件) 的扩散均具有三维性质，并且在河流状态下的所谓远区扩散(水平二维)现象也很可能不复 存在；大型深水库往往具有温度分层现象，这一状况加剧了污染物垂向扩散的复杂程度。因 此，研究在温度分层条件下，污染物的垂向扩散机理是准确模拟污染物在此条件下运动规律 的必要理论基础。 本研究通过模型试验模拟水库的温度分层现象，并以不同浓度的氯化钠(NaCl)作为模 拟污染物，为方便观察，配以罗丹明作为示踪剂，以点源形式投放。最后经观测发现在不同 的分层情况下，污染物扩散有较大著别，有时甚至出现“开花现象”。 -173． 第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集 2水温分层模型 2．1水库分层现象 水库内水体虽有一定流动性，但由于气温的季节变化， 分层现象仍在部分时间存在，对于大型深水库此现象尤为 明显。水库中温度较高且分布较均匀的这一层常称为库面 温水层。底部水温较低的水层称为底部静水层或深水层， 温度分布也比较均匀。在库面温水层和库底静水层之间有 一个过渡层的水温梯度较大，常称为跃温层【4l。水温分层 图l 水库水温分层现象示意图 现象如图l所示。 2．2模型介绍 在实验室建立一模型水库，大小为O．5m×0．5m× -2卯 250 0．5m的透明水槽。利用人工分层加热／冷却进水，营造 —— 不同分层情况的模拟水库T况。采用在上层进热水，下 O ／瞪l【住I 层进冷水，这样由于密度上小下大，能形成较稳定的分 y一一 l伽 层，不致使水体本身发生对流作用而引起污染物扩散的 枷 改变。在模型后方附以坐标纸，具体坐标及单位如图2 所示(纵坐标以铅直向下为正)。