不同角度丁坝附近可溶性危险化学品扩散示踪试验

1、不同角度丁坝附近可溶性危险化学品扩散示踪试验2OO9年第35卷第8期August2OO9工业安全与环保Industri,dSafetyandEnviromnentalProtection?3l?不同角度丁坝附近可溶性危险化学品扩散示踪试验*韩冬梅蒋军成l陈丽萍.(1.南京工业大学城市建设与安全工程学院南京210009;2.江苏省城市与工业安全重点实验室南京210009)摘要利用水槽试验台,完成不同角度丁坝附近可溶性危险化学品泄漏扩散示踪试验,获得在不同角度非淹没丁坝挑丁坝所产生的回流区范围最大;上挑和下挑丁坝回流区的范围都会随丁坝偏离正挑丁坝位置的偏角越大而变得越小;在示踪剂释放量一定的情况下

2、.回流区范围越大示踪剂在回流区内的平均浓度越低.关键词非淹没丁坝水槽可溶性危险化学品丁坝角度示踪剂1hcerExperimentsontheDiffl/SiOllofSolubleHuTrdousChemicalsAroundSpurdikewitIIDifferentAnglesHANDongmeiJIANGJuncheCHENLipingl.(1.CollegeofUrbanConstructionands,CayEngineerb2g,Na:ng疵ofTechno/ogya,她210009)AbstractSpur8cerexperimentsofsolublehatldouschemi

3、calsaroundspurdikeswithdifferentandes,theflowpatternandtheconcenlx/ttiondistributionsofsolubleh/izon$chemi-calsaroundthespurdikeandtheeheddistributionofthetmcersconcentrationfindoutthattheanofthecircumflueneezonesaregreatlyaffectedbytheonslofspursimilar;theareasofthecircumflueneezonesarebiggestwhent

4、hespurdikeis90o;thebiggerthedeviationarIeis,thesmallerthecir-eumfluencezon;andwhenwiththesameamountofpollutants,thebiggertheeircumflueneezoneis,thelowertheaverageconcentrationofthencer.Keywordsthenon-submergedspur-dikeflumesolublehagKldonschemicalstheansleofspur-diketllllr丁坝作为为束水,分流,挑流,护岸及改善航行水流条件的有

5、效工具早已被广泛使用,如黄河中游两岸及长江口等处均布置了很多丁坝或丁坝组.随着工业的发展,人类居住的相对集中,大量有害于人类和其他生物的工业,农业,生活污水排人河流使水体受到严重污染,污染物在水体中扩散输移影响了整个生存环境.近年来,危险化学品泄漏事故频频发生,对于含丁坝等复杂结构的水体流动的水流特性的研究,MayerleMRl2J等利用水流运动方程组推导了非淹没丁坝下游会流畅度及最大回流宽度的计算公式;陈丽萍L3J对危险化学品等污染物在水流中突发性泄漏的样的水槽实验台,并利用室内模拟示踪试验法进行试验研究,在水力学,环境水力学等领域取得了一定成绩,魏英杰】对槽道中方形障区的绕流进行了大涡模拟

6、;李志勤等对溢流丁坝附近自由水面进行可实验研究与数值模拟;周阳【6】等应用水槽试验对非淹没丁坝附近的水流运动特性进行了研究;周宜林【,Bj利用数值模拟研究了上挑,正挑,下挑3种淹*基金项目:国家十一五科技支撑计划课题资助(2O06BAK0lB03).水流运动特性发生变化,在河流污染事件中,丁坝对河流中污染物的泄漏扩散过程的影响已经成为目前对丁坝问题关注的重点.影响丁坝周围污染物扩散的因素很多,其主要包括丁坝(包括上挑,垂直和下挑丁坝以及不同长度的丁坝),河流水力条件(包括水流流速,河流水位高度和河流底坡比)和泄漏源位置改变等方面.丁坝附近复杂的水流结构,对污染物扩散作用机理人们认识得不够深入,

7、目前在此方面的研究报道很少,本文通过完成不同角度丁坝附近的可溶性危险化学品水槽示踪试验,研究不同角度丁坝附近水流流态及丁坝角度对水槽中可溶性危险化学品扩散的影响.1试验装置及试验方法试验水槽长l4.0m,宽0.4m,深0.4m,底坡为3/700,试验流速为9.35cm/s,水深为8.7cm,水槽装置如图1所示.在水槽中部设置不同角度的非淹没不透水丁坝【9,10.器为多普勒流速仪【n,12.?32?本试验采用罗丹明B作为可溶性危险化学品示踪剂,取丹明浓度【13,14.根据以上试验条件,首先在丁坝下游位置取6个取样断面,其位置分别在距离丁坝下游12,27,41,68,75和120cm处,在每个横断

8、面上取3个取样点,其位置分别在距离丁坝侧岸边1,9,17cm的位置上,取样点分布情况如图2所示.试验采用多点同时取样的方法,即当可溶性危险化学品开始泄漏之后每隔数秒在取样点上同时取样.图1水槽装置照片I/:I2,x=27rJ_【j!-Jx=41,I:x=68.x=75=12OO图2水槽试验取样点位置分布示意(c玎1)本水槽试验主要考虑丁坝角度改变时,水槽内水流流态的改变及其对可溶性危险化学品在水体中浓度分布的影响.试验中选取的丁坝长10em,宽10cm,每组试验中丁坝的位置固定在距离水槽进水口下游4.7m的水槽右岸上;试验示踪剂罗丹明B采用瞬时泄漏法,泄漏源位置固定在丁坝前29cm,距离丁坝侧

9、岸边5锄的位置,每次固定投放质量浓度为2g/L的罗丹明B溶液50mL;试验中丁坝与水流方向所成夹角分别为45.(上挑),60(上挑),90o(正挑),120(下挑),135.(下挑).2试验结果及分析通过试验测量丁坝下游的流场,发现丁坝下游流体流动特性如下:在含有丁坝的水域中,丁坝对其下游水体的流动影响较大,在丁坝侧的岸边产生一较大回流区,而丁坝对应一侧的岸边相对而言影响要小得多;丁坝所产生的回流区的范围受丁坝角度的影响较大,其中60,90,120和135o丁坝产生的回流区范围见表1,丁坝回流区结构如图3;回流区最宽的位置在回流区内水流流速最大处,这一区域基本都在整个回流区的中部偏前段,回流区

10、后段的结构变长变窄;在5种不同角度丁坝的回流区中,90回流区范围最大,其回流区最宽可达12cm左右;随着丁坝角度偏离90位置越大回流区范围越小,其中下挑丁坝随角度偏离越大回流区范围缩小越快,可见下挑丁坝比上挑丁坝对水体流态影响范围小.2.290正挑丁坝对可溶性危险化学品扩散影响的试验验证及结果分析在示踪剂扩散过程中提取水样,测量水样中示踪剂浓度,得到正挑丁坝下游区域内示踪剂浓度随时间的分布结表1不同角度丁坝回流区范围测量结果y/emy/emI.上挑丁坝正挑丁坝下挑丁坝图3不同角度丁坝回流区结构示意果,如图4.通过多次重复试验可知,在没有丁坝一侧岸边的水域内示踪剂浓度一直很低,且随时间推移基本上

11、没有浓度波动.而靠丁坝一侧丁坝下游一段水域内浓度有较复杂的变化,图4显示:在示踪剂开始泄漏之后的数秒内,在水槽中间位置即距岸距离为17cm的示踪剂浓度远高于距岸1咖和9cm处示踪剂的浓度;随着时间的推移,Y=17锄处示踪剂浓度急剧下降,而Y=1cm和Y=9gill水域内示踪剂浓度逐渐升高,由图中可知Y=9C/1处水域中示踪剂浓度增速比较早也比较快;大约在示踪剂泄漏后20s左右,在丁坝侧水域内示踪剂的浓度均开始降低,且距离岸边越近示踪剂浓度降低越缓慢,故可以看到图4中6个位置上的质量浓度分布图中Y=1cm曲线的第1个波峰均在Y=9cm曲线的1个波峰的右侧;此后在丁坝侧水域内,距离岸边越近示踪剂浓

12、度越高;在示踪剂泄漏后的25s左右,在丁坝侧示踪剂浓度还会再次升高,这次距离岸边越近浓度增加越明显,故Y=lcnl曲线波峰高于Y=9em曲线波峰,此时在距离丁坝较近的水域内浓度增加比较明显,距离丁坝较远处浓度几乎没有增加;在=41cm位置曲线的第1个波峰出现的时间最早,此处正是回流速度最大的位置;从示踪剂浓度分布?33?可以看出,图4(a)中示踪剂浓度在缓慢升高后可在某一浓度范围维持一段时间,而图4(b)中示踪剂浓度均是快速升高随后很快降低,这说明回流作用对示踪剂浓度分布的影响日El1口目1一口El1一占O-3y=l7cm.一幽.在丁坝到丁坝下游68cm这段区域比较明显,在丁坝下游=68em下

13、游主流输移作用比较明显.:_y17eralcm9cm?弋一=+y=.o:.时/s时间/s(8)(b)分别对上挑45.和上挑60丁坝重复罗丹明B泄漏扩散5所示.试验,得到丁坝下游不同位置上示踪剂浓度随时间变化如图从图5可知:45o丁坝,在=41锄位置处Y=1锄和一蚓一藩d嗣I一翟S鞋0l0203040506070时间/s(a)45.丁坝下游示踪剂质量浓度分布(b)60丁坝下游示踪剂质量浓度分布Y=9cm2曲线表示的示踪剂平均浓度最高,曲线Y=1emem处浓度只有一个明显的峰值,随时间推移浓度不断下和Y=9cm的浓度值在=27cm处浓度亦高于=68em降;60丁坝,=12em处和=27cm处示踪剂

14、浓度较高处;=12cm处距离岸边位置示踪剂浓度升高时间很迟,从且持续较长时间;而在,17=41cm和=68cIIl处浓度较低且表1可知45.丁坝=68cm处已不在回流区,故图中=68仅有很短时间内浓度高,这些区域回流不明显.45o和6065432l065432l05432OOOO0OOO0OOOOOO00000O_1.暑Iu一蔗一_1-昱g一蛏一一-1I暑暑一蛏蚓暑u蚓gu唇u0NI=432O432l0432O00O000O0OO0OOO0一1_吕一一1.jtIl一嵌蚓喀gu乙I=酉吕u蚓g3l可32JOOOO0一1.旨一蝾蚓峰gu?34?丁坝示踪剂泄漏浓度分析图可看出,越靠近丁坝处曲线Y=I

15、cm和Y=9cm的峰值出现越晚,但其浓度升高后下降速度越缓慢.有上述几点现象主要是由于在距离丁坝越近的位置中水流的主流输移作用对水流中示踪剂分布影响越小,故在开始泄漏的一段时间丁坝后的区域浓度几乎为零,而过一段时间后,回流作用让示踪剂越来越多流入这一区域,且较长一段时间内滞留在该区域.在离丁坝较远位置曲线Y=1cm和,=9cm浓度升高较快,但随后浓度很快降低,这正是因为在离丁坝较远位置对示踪剂浓度影响以主流输移为主,示踪剂随水流输移到离丁坝较远位置处,使示踪剂浓度迅速上升,而随后主流很快流过这一区域使浓度迅速降低,但还受蚓一一篓l1D20304050607.0l02O3040506070时间/

16、s回流作用影响使示踪剂仍维持一定的浓度,但回流作用较弱故其浓度不高.从整体上来讲,正丁坝回流区域内的示踪剂浓度明显低于其他角度下的示踪剂浓度,这些示踪剂浓度变化在=12,27和41cm更明显.由图中结果亦可看出6丁坝在=坝在=12,27cm处浓度也很高,这正是它们回流区范围最宽回流速度较大的流段.完成下挑120和下挑135o丁坝罗丹明B泄漏扩散试验,得到丁坝下游不同位置上示踪剂浓度随时间变化图如图6所示.:l+_I7cm.?.?.ll02030405060708.二O102O3O405060708O时/s图6丁坝下游示踪剂随时间变化从试验结果可分析:在120丁坝试验中,=4112/I位流的主流

17、输移作用和回流作用对示踪剂分布影响都越小,故enl处平均浓度,=12em位置处距离岸边位置示踪剂浓度对水流回流的阻挡作用迅速降低,回流作用增大并且大于主升高时间很迟,在=12,27,41和68em处均有较明显的持流输移作用,示踪剂在这段浓度升高并且可维持一段时间.续时间较长且浓度较高的时间段,而在=68cm处以后示随离丁坝位置越远主流输移作用越大,并控制示踪剂扩散分踪剂浓度很低,回流现象不明显;在135.丁坝试验中,示踪布,使示踪剂浓度很快升高又降低,而回流作用较弱使示踪剂浓度分布图6(b)中可知,=12,27和41em处示踪剂浓度剂浓度不能滞留在这一区域.综合对比下挑丁坝浓度分布,较高且持续

18、较长时间;而在=41和68cm处浓度较低且仅示踪剂浓度变化在丁坝下游的=27和41era更明显,120有很短时间内示踪剂浓度较高,区域回流不明显.丁坝在=41cm处的浓度回流区的示踪剂浓度远高于其他对比l20o和135.丁坝示踪剂泄漏浓度分析图可看出,靠位置浓度,原因是它们是回流区范围最宽回流范围明显的流近丁坝位置浓度升高很慢,可以说下挑丁坝在=12em处的浓度一直不高,是因为此处是回流区的边缘,回流现象不明显;相比之下示踪剂浓度在=41era处比较高,是由于回一定程度上影响了水流的回流,在距离丁坝越近的位置中水段.3结论与分析(1)在含有丁坝的水域中,丁坝对其下游水体的流动影响较大,会在丁坝

19、侧的岸边产生回流区,而丁坝对应一侧的岸边相对而言影响要小得多.一1.g一一1.g一一.曲lIl一一.1.一1.墨一一1.g一嚣一一1.昱Iu一蝾蛹巨一gu蛔g31寸?35?(2)丁坝所产生的回流区的范围受丁坝角度的影响较流速度最大的区域在回流区的中部偏前段,回流区后段的结构变长变窄.(3)在回流区内流体主要受回流作用和主流输移作用控制,在回流区前部分回流作用占主导作用,因此在这段区域污染物浓度开始增长缓慢,但浓度升高后会维持较长一段时间;在回流区后部分流体流动主要是主流输移,所以污染物浓度升高较快后又会较快降低.可知,90正挑丁坝所产生的回流区范围最大,而上挑和下挑丁坝回流区的范围都会随丁坝偏

20、离正挑丁坝的角度增大而产生的回流区小得多.(5)通过几组试验可以看出,在污染物释放量一定的情况下,回流区范围越大污染物在回流区内的平均浓度越低.参考文献度研究.泥沙研究,2001.6(3):6873.dimensionalnumericalmedelsimulationofflowinthevicinityofspurdikes.JournalofHydraulicResearch,1995(3):243256.拟.水动力学研究与进展:A辑,2007,22(6):761765.数值模拟.水利,2003,8(8):5360.研究与进展:A辑,2003.18(4):433438.村水利水电.200

21、6(7):8284.的研究.水利,2004(8):4653.院院报,2001,18(5):2831,36.应用.水动力学研究与进展:A辑,2O04,19(2):144151.IOHUChumong.mentstudyonsedimentincipienceinbaekwmdfacingstepflow.JoumalofHydrodyrmmies:SexB,2007,19(2):173179.的试验研究.水动力学研究与进展:A辑,2008,23(1):5560.学院,1996,15(2):8589.环境,l992(4):2628.14邵庆山.张红军.多沙大河的扩散示踪研究.环境科学进展,1994,2(3):6570.作者简介韩冬梅,女,1983年生,黑龙江大庆人,南京工业大学硕士研究生,主要从事水污染扩散试验研究.(收稿13期:2O090304)(上接第21页)液的CODc去除率成正比,但当达一定浓度后,再增大MLSS,CODc去除率基本保持不变(图6).在可降解有机质过剩时,有机质不足时,再增加