[发明专利]一种河流横向扩散系数的等浓度线快速观测方法

说明书

技术领域：

本发明属于环境水力学及水质模型分析技术领域，涉及一种将示踪染料均匀注入排污管(渠)中或试验投放点排放，利用无人机摄像装置拍照和数字图像处理技术，通过分析河流污染物浓度分布的等浓度线/等色度线来确定横向扩散系数的方法，特别是一种无需采样分析示踪剂浓度分布的河流横向扩散系数的等浓度线快速观测方法。

背景技术：

环境水力学及水质模型是研究污染物在水体中扩散与混合、输移和转化规律及其应用的新兴学科，它是古典水力学和流体力学理论与新兴环境科学和计算科学相结合的产物。横向扩散系数是河流污染物横向扩散与混合特性的重要体现，在河流污染物浓度分布、水域纳污能力和水环境容量计算、水环境影响预测与评价、水环境规划与管理、水污染防治以及水环境研究等方面具有重要作用，已成为环境科技工作者十分关注的研究对象。在求解河流对流扩散方程和水质模型研究时，首要问题之一就是确定横向扩散系数，横向扩散系数(又称横向混合系数)是衡量河流对各种污染物横向扩散与混合能力的重要参数，主要用于水域纳污能力、水环境容量计算和水环境影响预测与评价等水环境技术方面。

目前，国内外确定河流横向扩散系数的方法主要有示踪试验法和经验公式法，其中经验公式法是在采用示踪试验法获得部分河流横向扩散系数的情况下，通过建立横向扩散系数与相应河流水力要素之间的经验关系，来获得该类河流横向扩散系数的经验公式，再用来确定类似河流横向扩散系数的方法。在污染源排污强度和河流条件相同情况下，由不同的横向扩散系数可以计算出不同的浓度分布，反过来，由不同的浓度分布也可以反算出不同的横向扩散系数。因此，示踪试验法是计算天然河流中横向扩散系数最可靠和直接的方法。

示踪试验法是在河流排污口/试验投放点下游，通过河流横断面多点同时或单点连续采样分析获得污染物/示踪剂浓度的柱状空间分布或时间分布，再采用Holley等人于1972年提出的矩法来确定横向扩散系数，即：在河流二维对流扩散方程中忽略纵向弥散作用的影响，根据浓度分布函数的p阶浓度矩公式可求得浓度分布的方差σ²，在一个较短的时间间隔里，利用差分代替微分，可得到横向扩散系数E_y的计算公式：

若已知两个断面不同时刻t的浓度分布和平均速度值，同时测出污染云团质量中心经过两个断面的时间间隔，即可计算出E_y值；Lau等人把约75个在顺直矩形河渠中独立试验的全部成果进行汇总，此外还有Fischer把灌溉渠道近似作为顺直矩形渠槽的成果一并进行整理得到，无量纲横向扩散系数α_y＝E_y/hu_*都在0.1～0.2之间，例外的是在灌溉渠道上该数值为0.24和0.25，横向扩散系数E_y试验成果的平均值近似为：

E_y≈0.15hu_*(2)

按式(2)的形式，现有技术中建议天然河流横向扩散系数的计算采用：

E_y＝0.6(1±0.5)hu_*(3)

式中：h为河流断面的平均水深，u_*为摩阻流速，弯道和边壁的不规则将使横向扩散系数增大，对于弯道曲率较大或几何特性变化较快的明渠可取上式中的较高值，但是很难对什么是“曲率较大”和“变化较快”给予明确的界限。