交匯河道水動(dòng)力特性和污染物摻混規(guī)律研究綜述

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(1.淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098；3.句容市水利農(nóng)機(jī)局，江蘇句容212400)

天然河流中普遍存在著干支流交匯現(xiàn)象，干支流通過(guò)交匯口作為節(jié)點(diǎn)連接形成水系乃至河網(wǎng)，河網(wǎng)是地表水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，也是流域水流、泥沙等物質(zhì)輸移的重要通道。在河道交匯處，水流紊動(dòng)摻混劇烈，并對(duì)泥沙、污染物輸移有較強(qiáng)的滯留作用，成為水利、航運(yùn)、環(huán)保部門關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，也是學(xué)者研究的重點(diǎn)。自1944年Taylor首次對(duì)匯流口開(kāi)展研究以來(lái)，交匯河道水動(dòng)力特性研究至今已有70多年歷史，研究?jī)?nèi)容已從水動(dòng)力特性發(fā)展到泥沙、污染物輸運(yùn)規(guī)律及對(duì)水生態(tài)的影響，研究手段從室內(nèi)物理模型試驗(yàn)為主發(fā)展到數(shù)學(xué)模型、物理模型、野外觀測(cè)等多種手段相結(jié)合，取得了較為豐富的研究成果。本文對(duì)交匯口水動(dòng)力特性和污染物輸移規(guī)律研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，對(duì)尚需研究的問(wèn)題提出了看法, 以期有助于推動(dòng)中國(guó)交匯河道水動(dòng)力特性和污染物摻混規(guī)律研究的進(jìn)一步發(fā)展。

1 河道交匯的分類

天然河流中交匯形式多樣，Best[1]于1988年首次將交匯口區(qū)分為支流斜接干流型交匯口與“Y”型交匯口。蘭波[2]于1998年將交匯口分為“非對(duì)稱型”和“Y”型2類，并統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為山區(qū)河流中這2類交匯口數(shù)量基本相等。2010年張強(qiáng)認(rèn)為傳統(tǒng)分類未考慮到實(shí)際河型，不能反映出山區(qū)河流交匯口的真實(shí)特征，因此對(duì)傳統(tǒng)的交匯口交匯形式進(jìn)行研究將其重新劃分為3類，即彎曲干流型交匯口、順直干流型交匯口和分汊干流交匯口。本文采用的河道交匯分類體系見(jiàn)圖1。

圖1 河道交匯分類

2 河道交匯水動(dòng)力特性的研究現(xiàn)狀

2.1 原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)方面

在交匯河道水動(dòng)力特性研究方面，國(guó)外開(kāi)展的比國(guó)內(nèi)要早，早期研究以物理模型試驗(yàn)為主，輔以野外原型觀測(cè)。

2.1.1支流斜接干流型交匯

Taylor[3]最先通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了等寬明渠交匯水流在不同交匯比下的水力特性，并給出了匯流比和交匯前后斷面水深比的關(guān)系式。1984年Best[4]通過(guò)對(duì)交匯角為15°、45°、70°、90°的矩形水槽進(jìn)行試驗(yàn)，研究了明渠交匯中分離區(qū)的大小，發(fā)現(xiàn)各交匯角工況下分離區(qū)的形狀基本相似，但尺寸與交匯角成正比。之后，Best[5]繼續(xù)對(duì)交匯河流的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，給出了交匯水流的概化模型，并進(jìn)行了水流分區(qū)，將交匯水流分出了6個(gè)區(qū)域：停滯區(qū)、流速偏向區(qū)、流速分離區(qū)、最大流速區(qū)、剪切層區(qū)及流速恢復(fù)區(qū)，見(jiàn)圖2[5]。其后，Best[1]對(duì)交匯河道的水面形態(tài)和交匯區(qū)的沉積物輸運(yùn)等問(wèn)題進(jìn)行了深入探討，發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題與交匯水流的匯流比和交匯角息息相關(guān)。Best[6]還研究了河床高差對(duì)水流的影響，發(fā)現(xiàn)存在河床高差的交匯水流會(huì)存在剪切層變形，致使相應(yīng)部位的水面凸起。之后，Biron和Best[7]等人根據(jù)概化的物理模型試驗(yàn)，繼續(xù)研究干流的河床高程與支流的河床高程不一致時(shí)對(duì)水流構(gòu)造的影響，觀察到存在高程差時(shí)，交匯口處水流紊動(dòng)強(qiáng)度被加強(qiáng)，高程不一致的部位分離區(qū)消退，流速加速區(qū)減弱，水流摻混更迅速。

圖2[5] 交匯河道的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)

Hsu[8]等人通過(guò)研究90°的等寬交匯河道，給出了求解水流流動(dòng)收縮區(qū)的動(dòng)量及能量修正系數(shù)的計(jì)算方法和分離區(qū)形態(tài)系數(shù)與交匯角的理論關(guān)系式。同年Hsu[9]等人還研究了交匯角為30°、45°、60°的交匯河道，發(fā)現(xiàn)交匯前后水深比Hr與交匯角和弗勞德數(shù)Fr成正比，并給出了相應(yīng)的關(guān)系公式。

Weber[10]等人對(duì)交匯口水流進(jìn)行了三維性概化，利用ADV對(duì)直角明渠匯流處的三維水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定，分析了水流流場(chǎng)分布和紊流結(jié)構(gòu)以及水面變化等規(guī)律。Mignot[11]對(duì)交匯明渠中的混合層進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)等寬明渠交匯的混合層是加速并且彎曲的，并且通過(guò)雷諾時(shí)均法也表明，混合層的流向和法向加速度以及壓力梯度保持主導(dǎo)地位，是典型的加速和旋轉(zhuǎn)流。Biswal[12]對(duì)直角交匯明渠水流進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，探討在一個(gè)硬床上的時(shí)間平均流結(jié)構(gòu)的匯合，發(fā)現(xiàn)二次流和湍流應(yīng)力隨著匯流比的減小而加強(qiáng)，交匯處出現(xiàn)表面高程的凹陷區(qū)。

國(guó)內(nèi)較早的相關(guān)研究是羅保平[13]在交匯口上游1 m的位置，利用鋁片掛紅線、投放固體高錳酸鉀、投放紅墨水以及分配流量這4種不同的方法來(lái)模擬研究干支流交匯處的摻混帶及形態(tài)，并定義為干支流分界線。同期，周華君[14]收集長(zhǎng)江嘉陵江交匯口的實(shí)測(cè)資料，結(jié)合物理模型試驗(yàn)，對(duì)交匯河道進(jìn)行水力特性分析，發(fā)現(xiàn)匯流比對(duì)其影響很大。之后，蘭波和汪勇[15]對(duì)四川省境內(nèi)所有通航河道中的交匯河道進(jìn)行了資料的收集與整理，分析發(fā)現(xiàn)這些交匯河道的交匯角幾乎在30°～90°之間，并且交匯口的形態(tài)多為支流斜接干流型，所以據(jù)此開(kāi)展了交匯角為30°、60°、90°的支流斜接干流型交匯河道的物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)交匯水流的水力特性受交匯角和匯流比的影響很大。

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開(kāi)始使用各種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和方法對(duì)交匯河道進(jìn)行研究。茅澤育[16]等應(yīng)用數(shù)字粒子測(cè)速技術(shù)(DPIV)對(duì)不同匯流比下的交匯河道進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)交匯口附近存在流速分離區(qū)，其尺寸與匯流比有關(guān)，但形狀基本相似，并表明數(shù)字粒子測(cè)速技術(shù)可高效直觀地用于水力特性研究。其后，茅澤育[17]等應(yīng)用五孔畢托球?qū)?5°等寬交匯的矩形水槽進(jìn)行三維水力特性研究，發(fā)現(xiàn)與之前一樣的結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)交匯口處存在指向干流一側(cè)的橫向流速，下游斷面中存在二次環(huán)流。在前期的基礎(chǔ)上，茅澤育[18]等使用理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的手段，重點(diǎn)探討不同交匯角和匯流比對(duì)水流分離區(qū)的影響，表明分離區(qū)的尺寸與匯流比和交匯角均有較好的相關(guān)性，并給出了相應(yīng)的理論表達(dá)式。

王協(xié)康[19]等建立30°交匯的水槽模型，利用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)測(cè)量三維流速進(jìn)行分析，觀察到交匯口處出現(xiàn)壅水現(xiàn)象和低流速區(qū)，交匯口附近出現(xiàn)有小范圍的回流現(xiàn)象和分離區(qū)，下游出現(xiàn)方向各異的二次環(huán)流。

劉同宦[20]等也對(duì)交匯角為30°的交匯水流進(jìn)行了研究，同樣發(fā)現(xiàn)交匯口附近靠主流側(cè)出現(xiàn)回流現(xiàn)象和分離區(qū)，向下游有環(huán)流結(jié)構(gòu)，還發(fā)現(xiàn)靠近交匯口的水體其雷諾應(yīng)力和脈動(dòng)強(qiáng)度較遠(yuǎn)離交匯口的水體大。之后，劉同宦[21]等研究了不同匯流比下交匯角為90°的交匯水流，也表明交匯口附近有回流區(qū)和流速分離區(qū)，向下游存在交替的高流速帶和低流速帶，并表明交匯區(qū)的水面坡降隨匯流比的減小而增大。

鐘博剛[22]利用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)分別對(duì)矩形斷面和復(fù)式斷面的不等寬水槽進(jìn)行了試驗(yàn)研究，著重分析了交匯區(qū)的水力特性，得到與前人相似的研究結(jié)果，但并沒(méi)有在復(fù)式斷面的交匯口下游發(fā)現(xiàn)二次環(huán)流，還表明相同條件下，兩者水力特性較類似，水頭損失均隨支流流量的增加而增大，但復(fù)式斷面水槽的水流整體流場(chǎng)相對(duì)較穩(wěn)定。海霞[23]在鐘博剛直角交匯水槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合實(shí)際流域的水力特性，研究了匯流比和河床形態(tài)對(duì)交匯區(qū)水流結(jié)構(gòu)的影響。得到水流結(jié)構(gòu)會(huì)隨河床形態(tài)變化而變化，但基本不受匯流比變化的影響，并進(jìn)行了理論分析。

袁賽瑜[24]等通過(guò)水槽物理模型試驗(yàn)，探討90°交匯明渠的水流流動(dòng)特性和剪切層變形情況，根據(jù)試驗(yàn)對(duì)時(shí)均流速、湍流動(dòng)能、雷諾剪切應(yīng)力、湍流譜、象限事件的發(fā)生概率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)最大的雷諾剪切應(yīng)力主要分布在水流的中間區(qū)域，如果保持匯流比不變，加大交匯水流的流量，會(huì)導(dǎo)致水體流度、湍流動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力的絕對(duì)值增加，但剪切層的扭曲程度隨之減弱，并表明城市交匯明渠與天然交匯河流在泥沙輸移、床面形態(tài)、污染物在剪切層中的傳輸會(huì)有顯著的不同。

2.1.2“Y”型交匯

郭維東[25]等建立90°“Y”型交匯水槽模型，利用ADV測(cè)量三維流速，是國(guó)內(nèi)最先對(duì)“Y”型交匯河道進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究的，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與支流斜接干流型交匯河道進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩類交匯的水流分區(qū)現(xiàn)象相似，但“Y”型交匯水流向下游呈現(xiàn)出螺旋流向，且螺旋趨勢(shì)隨支流流量增大而減弱。其后，他的學(xué)生針對(duì)90°“Y”型交匯河道也進(jìn)行了一系列的研究。馮亞輝[26]基于郭維東的物理模型試驗(yàn)，研究匯流比對(duì)螺旋流流向和強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)“Y”型交匯后水流下游的順時(shí)針螺旋流的強(qiáng)度大于逆時(shí)針螺旋流；沿水流方向，螺旋流強(qiáng)度減弱；隨匯流比增加，正負(fù)螺旋度值相應(yīng)地增加。吳迪[27]在此基礎(chǔ)上，給水槽增加0.15 m高的灘地將模型改為復(fù)式斷面，研究得到復(fù)式斷面與普通斷面的“Y”型交匯河道水動(dòng)力特性總體相似，也存在螺旋流，以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)橹?，并發(fā)現(xiàn)交匯口處水面出現(xiàn)兩側(cè)凸起、中間凹陷的形態(tài)，添加灘地部位的水面出現(xiàn)支流側(cè)凸起、干流側(cè)凹陷的形態(tài)；灘地周邊水體的剪切應(yīng)力分布極不平衡，遠(yuǎn)離灘地則分布較均勻。

2.1.3支流入?yún)R彎曲干流型

付中敏[28]等在國(guó)內(nèi)初次建立順直支流與彎曲干流相交匯的物理模型，采用ADV測(cè)速分析交匯角與匯流比對(duì)彎曲干流型交匯河道的水流運(yùn)動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)交匯口附近出現(xiàn)水流分離區(qū)和渦旋環(huán)流區(qū)，且其范圍均隨交匯角和匯流比的增加而擴(kuò)大，水流斷面的橫比降絕對(duì)值也隨之加大。之后，賈猛[29]也對(duì)彎曲型交匯進(jìn)行了水力特性研究，分析了不同匯流比和交匯角對(duì)交匯口附近及彎曲河道的水力影響，得到交匯后水流環(huán)流強(qiáng)度隨交匯角變大而加強(qiáng)，水體之間的摻混程度、動(dòng)量交換劇烈程度也隨之加強(qiáng)，且環(huán)流旋度最值位置向下偏移；彎曲河道的凹面縱比降與匯流比成正比，而橫比降與匯流比成反比。

綜合以上參考文獻(xiàn)，交匯河道水動(dòng)力特性研究中較典型的物理模型試驗(yàn)研究概況見(jiàn)表1。

表1 交匯河道物理模型試驗(yàn)研究概況

2.2 數(shù)值模擬和理論分析方面

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，關(guān)于水流水力特性方面的數(shù)值模擬研究也方興未艾。目前，紊流流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法主要有：直接數(shù)值模擬(DNS)、大渦模擬(LES)、雷諾時(shí)均法(RANS)、重整化群模型(RNG)、投影法(PM)、格子玻爾茲曼方法(LBM)等。國(guó)內(nèi)外通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究交匯口水動(dòng)力特性的起步較晚，但發(fā)展迅速且成果較為豐富，主要集中在一維平面與二維水深平均方面的數(shù)值模擬。

2.2.1支流斜接干流型交匯河道

較為經(jīng)典的有Wang[30]利用三維數(shù)學(xué)模型模擬了德克薩斯州休斯頓中2條天然河流交匯口洪水演進(jìn)過(guò)程，將簡(jiǎn)化的移動(dòng)邊界算法納入模型以確定移動(dòng)的流體區(qū)域，求解了曲線坐標(biāo)系下的雷諾平均N-S方程并計(jì)算三維速度場(chǎng)和交匯河口的自由水面，利用數(shù)值模擬現(xiàn)有的和建議的河道幾何形狀進(jìn)行速度變化的評(píng)估，并討論了河口地形和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響。Babarutsi[31]利用3種不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)交匯水流進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)研究交匯口的摻混特性，將數(shù)值模擬結(jié)果分別與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)單尺度湍流模型適合模擬偏向小規(guī)模的湍流交匯，并且對(duì)單尺度湍流模型的系數(shù)進(jìn)行修正可以提高整體模型的性能和精度，將小尺度湍流和大尺度湍流作為獨(dú)立分量的雙尺度湍流模型模擬得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度高于把這兩者作為一個(gè)整體的單尺度模型。

Ghostine[32]等對(duì)直角交匯水流分別用一維數(shù)學(xué)模型和二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果分別與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一維數(shù)值模擬誤差較大，且在非恒定流的情況下并不實(shí)用。Khan[33]利用平面二維數(shù)學(xué)模型對(duì)交匯口進(jìn)行了無(wú)河床高差的二維非恒定流水流的數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)室收集的河道分叉和交匯的水槽數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明模擬的主支流的自由水面和主支流的流量比以及分支中的再循環(huán)區(qū)的寬度和長(zhǎng)度等均與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好。

Bradbrook[34]使用三維數(shù)值模型模擬有、無(wú)河床高差的交匯河道，并探討2個(gè)支流在速度和深度比不同組合下的情況，模擬不同邊界條件對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，得到的結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明在特定的深度和速度比的組合下，交匯口會(huì)出現(xiàn)二次流。Bradbrook[35]還利用大渦模型對(duì)交匯水流的周期性進(jìn)行模擬，模擬的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，表明模擬能夠捕捉一些關(guān)鍵流程的周期性，該模型提供了詳細(xì)的流動(dòng)和混合的數(shù)據(jù)，能幫助理解在匯流處產(chǎn)生和演化的大尺度湍流特征。

Biron[36]等采用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)河床高程一致和不一致的交匯口以及交匯后水流混合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，表明交匯后的混合過(guò)程主要受河道平面曲率的影響。Kesserwan[37]等基于當(dāng)弗勞德數(shù)較低時(shí)交界處的能量方程可以近似源頭平等階段的假設(shè)，在現(xiàn)有的理論組合模型的基礎(chǔ)上對(duì)明渠交匯進(jìn)行亞臨界流動(dòng)模擬，得出結(jié)論，即使弗勞德數(shù)譜是亞臨界的，在處理能量源頭平等時(shí)也必須采取預(yù)防措施，尤其對(duì)于弗勞德數(shù)大于0.35的交匯河道。

Song[38]認(rèn)為在傳統(tǒng)的淺水模型中二次流的三維特性由于深度平均處理通常會(huì)被丟失，但在彎曲或交匯的渠道中可以部分恢復(fù)垂直方向上的二次流速度剖面，所以對(duì)明渠水流的淺流模型中的二次流進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓力梯度項(xiàng)是觸發(fā)速度分布的主要因素，隨著弗勞德數(shù)的增加，沿通道曲率形成的對(duì)流加速度在速度分布中被激活作為一個(gè)次要因素，而黏性應(yīng)力失去了它的影響，底部摩擦的影響也較小。Shakibainia[39]等建立三維數(shù)學(xué)模型對(duì)交匯水流進(jìn)行了較全面的數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明，交匯水流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和自由水面的變化受交匯角、匯流比、寬度比和弗勞德數(shù)的重要影響，是由于這些因素影響著水流的流速和二次流的分布。

國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中，茅澤育[40]等通過(guò)理論分析交匯口水流的影響因素，分析不同交匯角下動(dòng)量修正系數(shù)與匯流比的相關(guān)性，探討交匯前后水流水深比的理論公式，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，給出了適用于數(shù)值模擬非恒定流內(nèi)邊界條件的交匯水流一維數(shù)學(xué)模型。趙升偉[41]等利用水深平均H-L模型、標(biāo)準(zhǔn)K-ε紊流模型針對(duì)交匯水流多數(shù)是緩流的流動(dòng)特性，分別建立二維水流數(shù)學(xué)模型，采用TDMA(Time Division Multiple Access)時(shí)分多址逐行掃描法來(lái)求解方程，根據(jù)交匯口幾何特征來(lái)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)劃分，并用實(shí)測(cè)資料對(duì)兩種模型進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比，得出兩種數(shù)學(xué)模型均能較好地模擬交匯水流的流動(dòng)特性，但H-L模型在計(jì)算分離區(qū)的范圍時(shí)考慮了逆壓梯度邊界層的影響，其結(jié)果會(huì)比K-ε模型更為精準(zhǔn)。

馮鏡潔[42]等對(duì)不同匯流比與交匯角組合下的交匯水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬，選用K-ε模型模擬水流的流速場(chǎng)和VOF(volume of fluid)模型模擬液體的自由面，模擬出交匯口近右側(cè)有分離區(qū)和回流現(xiàn)象，分離區(qū)的大小與交匯角和匯流比成正相關(guān)。

周晶[43]利用雷諾時(shí)均模型(RANS)對(duì)直角等寬的交匯水流開(kāi)展了數(shù)值模擬，研究不同匯流比下交匯區(qū)域水流流速場(chǎng)的規(guī)律，以及交匯角的改變對(duì)其的影響，發(fā)現(xiàn)水深比的變化隨匯流比增大趨向平穩(wěn)，但分離區(qū)范圍變??；自由水面隨交匯角加大而加劇，分離區(qū)范圍也變大，二次環(huán)流強(qiáng)度加劇。

劉盛赟[44]等采用三維K-ε模型，建立水氣兩相流數(shù)學(xué)模型，用于交匯水流的水動(dòng)力學(xué)研究，模擬不同交匯角、匯流比、動(dòng)量比等對(duì)水流的影響，發(fā)現(xiàn)分離區(qū)的尺寸隨交匯角、匯流比、動(dòng)量比的減小均變小，且壅水現(xiàn)象減弱。王凱[45]通過(guò)應(yīng)用動(dòng)量方程，假定其他水力要素不變，計(jì)算分析不同匯流比和不同交匯角對(duì)交匯口處上下游水面線的影響趨勢(shì)和程度，發(fā)現(xiàn)交匯角是影響交匯口處附近水面線的主要因素，且交匯角越大，對(duì)水面線的影響越大，對(duì)交匯后河道的泄流能力影響也越大。

魏文禮[46]等采用大渦模擬模型(LES)對(duì)不同交匯角度的明渠交匯水流進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)研究水力特性，使用半隱式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法求解速度與壓力耦合方程組，采用VOF法模擬自由水面，將90°的模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)吻合良好，繼續(xù)用LES模擬不同交匯角的交匯水流，得到交匯口處橫斷面流速不均勻系數(shù)與交匯角成正比，即水流流速分布隨交匯角增大越發(fā)不均勻。之后，魏文禮[47]等分別采用LES模型和K-ε模型對(duì)不同匯流比下交匯水流的水力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，使用同樣的數(shù)值計(jì)算方法，將2種模型計(jì)算出的縱向截面水面線與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出大渦模型(LES)結(jié)合VOF法能更好地捕捉交匯口水面的波動(dòng)情況，通過(guò)比較2種模型計(jì)算得到特征橫斷面上的流線圖，表明LES模型能較好地捕獲水流瞬時(shí)流動(dòng)特性，動(dòng)態(tài)再現(xiàn)二次環(huán)流結(jié)構(gòu)，更好地模擬交匯口附近的水動(dòng)力特性分布規(guī)律。

2.2.2“Y”型交匯河道

馮亞輝[48]等采用雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程模型(RSM)，數(shù)值模擬了“Y”型明渠交匯水流，選用有限體積法(FVM)離散格式與交錯(cuò)網(wǎng)格上的H-V校正算法，求解交匯后水體的流速與水深等參數(shù)，進(jìn)行水流結(jié)構(gòu)和雷諾應(yīng)力分布的探究，再次證明了“Y”型交匯口附近存在流速回流和分離區(qū)，其范圍與匯流比成反比，雷諾應(yīng)力在水流中分布不均，較大值出現(xiàn)在分離區(qū)中。郭維東[49]等采用同樣的方法進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究不同匯流比和交匯角對(duì)分離區(qū)的影響，并給出相應(yīng)函數(shù)關(guān)系式和規(guī)律分布。

王曉剛對(duì)“Y”型交匯水流進(jìn)行了較全面的數(shù)值模擬研究。為研究“Y”型交匯口處的壅水規(guī)律，王曉剛[50]把“Y”型交匯河道劃分為單一順直段與水流交匯段，并分別建立能量方程和動(dòng)量方程進(jìn)行求解，據(jù)此建立一維數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證合理后，利用該模型對(duì)“Y”型交匯口的各種主要水力控制因素進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水深比Hr隨著匯流比增大，先變大到一個(gè)臨界值后變??；當(dāng)交匯角較小時(shí)，對(duì)Hr的影響不大，但當(dāng)交匯角超過(guò)90°時(shí)，Hr隨交匯角增大而急增；同時(shí)，Hr也隨著下游干流弗勞德數(shù)Fr增大而變大，隨著下游干流寬深比的增大而變小。其后，王曉剛繼續(xù)研究“Y”型交匯口附近螺旋流的結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)三維數(shù)值擬分析了河床高差[51]和匯流比[52]對(duì)“Y”型交匯口附近螺旋流結(jié)構(gòu)特征的影響，得到結(jié)論為河床高差的存在會(huì)削減主流近大流量側(cè)的螺旋流強(qiáng)度，但會(huì)增強(qiáng)主流近小流量側(cè)的螺旋流強(qiáng)度；交匯前存在流量差異的水流在交匯后，會(huì)在近大流量側(cè)呈現(xiàn)較大趨勢(shì)的螺旋流，另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)受擠壓的螺旋流，當(dāng)兩者流量大小相近時(shí)，交匯口處會(huì)出現(xiàn)雙重匯聚的螺旋流，并給出了“Y”型交匯的三維視圖概化模型。

楊澤一[53]采用商用FLUENT軟件建立三維水流數(shù)學(xué)模型，研究天然交匯河流在不同匯流比情況下的水動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)交匯口區(qū)域出現(xiàn)正負(fù)相交的渦旋，正渦旋的強(qiáng)度與匯流比成反比，負(fù)渦旋的強(qiáng)度隨匯流比增加先衰減后加強(qiáng)；并在概化模型中探討了匯流比對(duì)“Y”型交匯的影響，其結(jié)果與王曉剛[52]相同。

綜合以上參考文獻(xiàn)，歸納總結(jié)出交匯河道水動(dòng)力特性探究中，較典型的數(shù)值模擬研究概況見(jiàn)表2。

表2 交匯河道數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究概況

3 交匯河道污染物摻混規(guī)律的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交匯口污染物輸移摻混規(guī)律的研究不多，主要是通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行定性的描述和少數(shù)通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行基礎(chǔ)性的探究。關(guān)于河道交匯處污染物的研究，國(guó)外較典型的有Biron、Schemel、Binelli、Ribeiro等，國(guó)內(nèi)較典型的有韓龍喜、華祖林、顧莉等。

Biron[36]等利用三維水流數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)天然交匯河道和室內(nèi)交匯明渠的污染物混合過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)當(dāng)干支流存在河床高差時(shí)污染物混合過(guò)程較快，而在天然交匯河道中交匯口近區(qū)的混合主要由上游來(lái)流流量決定，來(lái)流流量較小時(shí)混合較快，遠(yuǎn)區(qū)的混合主要由交匯后河道的彎曲程度決定。Isabel[54]等建立三維水動(dòng)力模型來(lái)模擬不同流動(dòng)狀態(tài)對(duì)葡萄牙杜羅河河口污染物擴(kuò)散的影響，并通過(guò)水位、流速、鹽度和溫度等數(shù)據(jù)來(lái)校正模型，發(fā)現(xiàn)高度變化的流動(dòng)會(huì)降低水體分層并提高海水入侵，而穩(wěn)定的流動(dòng)最有利于污染物擴(kuò)散，表明水流流動(dòng)特征對(duì)污染物擴(kuò)散有重要影響。

Schemel[55]使用錫爾弗頓附近的酸性礦井水作為天然示蹤劑，對(duì)科羅拉多河中的交匯河道進(jìn)行污染物輸移摻混規(guī)律的研究，通過(guò)測(cè)量相應(yīng)位置的電導(dǎo)率，計(jì)算出參照示蹤劑與天然示蹤劑的混合率百分比的中位值，分析得到示蹤物質(zhì)在該交匯河道下的分布情況和輸移摻混規(guī)律。Ribeiro[56]等通過(guò)野外實(shí)測(cè)和水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究90°交匯河道的水動(dòng)力特性和污染物混合規(guī)律，通過(guò)加大支流寬度探究其對(duì)匯流形態(tài)的影響，利用羅丹明作為示蹤劑，分析各試驗(yàn)工況下交匯水流的二維濃度分布特征，發(fā)現(xiàn)隨著主支流流量比不變的情況下，拓寬支流寬度有利于污染物混合，提高匯流帶的生態(tài)價(jià)值。

Binelli[57]采用多重生物標(biāo)志物表征的方法，對(duì)天然交匯河道的污染物混合遷移規(guī)律進(jìn)行了分析研究，采集交匯前后春秋兩季的水樣，在實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)天然生物斑馬貽貝中的各指標(biāo)參數(shù)(單細(xì)胞凝膠電泳、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶的活性等)，還評(píng)估了幾種有機(jī)污染物(多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、六氯苯等)的生物累積，根據(jù)各參數(shù)的監(jiān)測(cè)值來(lái)分析污染物質(zhì)在水流中的輸移摻混規(guī)律，該方法較為新穎。

早在1995年，鄭慶華[58]等人率先采集珠江口中咸水與淡水交匯區(qū)內(nèi)的水和沉積物，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自凈試驗(yàn)，探索其自凈過(guò)程和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水體中NO3-N含量在低鹽度水中降解較快，而NO2-N、NH4-N、PO4-P含量變化與鹽度無(wú)明顯關(guān)系，氮和磷的沉積百分率與懸浮物含量成正比，與有機(jī)質(zhì)含量成反比，豐水期比枯水期更有利于污染物的自凈。同年，張銀英[59]等人在此基礎(chǔ)上，按是否加入污染物和流動(dòng)或靜止的條件組合進(jìn)行試驗(yàn)，探究珠江口的淡水與咸水交匯區(qū)中CODMn、油類、砷的自凈規(guī)律，發(fā)現(xiàn)這幾種污染物中石油降解最快，其次是砷、砷的含量變化與水的鹽度有明顯的關(guān)系，其自凈速度在低鹽度水中比高鹽度水中快，水流運(yùn)動(dòng)比水流靜止更有助于污染物自凈。

洪益平[60]利用深度平均K-ε紊流數(shù)學(xué)模型，對(duì)三峽水庫(kù)中河道交匯段進(jìn)行了水力特性和污染物輸移特性的數(shù)值模擬研究，在中國(guó)較早利用數(shù)學(xué)模型對(duì)天然交匯河道進(jìn)行污染物混合特性研究。茅澤育[61]等人參考了洪益平的研究，認(rèn)為利用標(biāo)準(zhǔn)K-ε紊流模型不能很好地反映分離區(qū)的真實(shí)形態(tài)，因?yàn)闆](méi)有考慮到分離區(qū)中有部分水流逆向回流，故而針對(duì)此缺陷，重新選用H-L紊流模型研究交匯水流的流動(dòng)特征，結(jié)合污染物輸運(yùn)方程建立污染物輸運(yùn)模型，選用FVM的離散格式與交錯(cuò)網(wǎng)格上的H-V校正算法來(lái)求值計(jì)算，運(yùn)用天然交匯河道的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型驗(yàn)證，表明該方法能較好地模擬表征交匯水流的流動(dòng)特征和污染物的輸運(yùn)規(guī)律。

劉雪蘭[62]選用二維有限元(FEA)數(shù)學(xué)模型對(duì)長(zhǎng)江、嘉陵江交匯的重慶段進(jìn)行水動(dòng)力與水質(zhì)模擬，對(duì)FEA模型采用地表水模擬系統(tǒng)(SMS)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，模擬發(fā)現(xiàn)交匯口附近有渦旋流動(dòng)，水流摻混劇烈，有回流現(xiàn)象，易造成污染物滯留，水流在污染物排放口一側(cè)會(huì)形成高濃度污染帶。周富春[63]等人也采用平面二維數(shù)學(xué)模型，根據(jù)概化的數(shù)值區(qū)域，模擬了長(zhǎng)江與嘉陵江交匯區(qū)中污染物的混合，研究了污染物輸移摻混規(guī)律，利用排污量、排污口位置和保證率等作為變量因子，組合進(jìn)行模擬，分析得污染帶的長(zhǎng)度與污染物的排污量成正相關(guān)，順直河段污染帶較狹長(zhǎng)，彎曲段污染帶較寬，故順直河道比彎曲河道更有利于污染物輸移摻混。

魏娟[64]等人認(rèn)為交匯水流存在自由水面的變化，會(huì)對(duì)流速場(chǎng)和污染物擴(kuò)散有一定的影響，所以選用水氣兩相流數(shù)學(xué)模型，模擬水流在有自由水面水深變化下的流速和濃度分布，以不同匯流比和交匯角設(shè)置模擬工況，發(fā)現(xiàn)污染帶的狹長(zhǎng)程度與匯流比和交匯角均成反比，并且表明污染物濃度分布主要受水流流速的影響，尤其在交匯摻混區(qū)間。李娟[65]等利用二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對(duì)汾河入黃河河口的水動(dòng)力特性與污染物(COD)擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)水文水質(zhì)資料，設(shè)置匯流比工況為0.014、0.016以及0.018，模擬結(jié)果表明，污染物COD總體分布在一個(gè)狹長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)，在橫向遷移上擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，在縱向遷移上既有對(duì)流又有擴(kuò)散，且對(duì)流作用遠(yuǎn)大于擴(kuò)散作用，河口灘面積隨匯流比的減小而減小，污染帶變長(zhǎng)。

韓龍喜[66]等建立物理模型并與數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)“兩進(jìn)兩出”十字型汊口水流流場(chǎng)和水質(zhì)的平面二維分布規(guī)律進(jìn)行了探究，表明各出流斷面的污染物濃度有很大的差異，并重新定義了十字型汊口進(jìn)、出斷面污染物濃度的響應(yīng)關(guān)系以及響應(yīng)系數(shù)的計(jì)算公式，與用以往的三級(jí)聯(lián)解法計(jì)算得到的響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，表明新方法誤差更小，結(jié)果更優(yōu)。袁航[67]通過(guò)建立45°支流斜接干流型的交匯水槽物理模型，對(duì)該類型交匯水流的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)三維K-ε紊流數(shù)學(xué)模型，探究了不同交匯角和匯流比對(duì)水力特性和污染物混合特性的影響，并計(jì)算分析了交匯河道的橫向混合系數(shù)，表明水流交匯區(qū)會(huì)產(chǎn)生二次環(huán)流，對(duì)污染物混合有很大的影響，橫向混合系數(shù)隨匯流比的增大而減小，曲線隨交匯角增大而變陡峭，并加入植物來(lái)探究其對(duì)交匯河道橫向混合系數(shù)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

河道交匯廣泛存在于自然界中，研究交匯河道的水動(dòng)力特性和污染物摻混規(guī)律對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境污染治理有重要的實(shí)際意義。但是，當(dāng)前對(duì)于交匯河道的研究在諸多方面還有待完善。

a) 從河道交匯分類角度看，現(xiàn)有研究主要集中在支流斜接干流型。根據(jù)蘭波于1998年的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為山區(qū)河流中支流斜接干流型與“Y”型2類交匯口的數(shù)量相當(dāng)，且“Y”型匯流口的水力特性與支流斜接干流型存在許多不同之處，必然導(dǎo)致其污染物輸移摻混規(guī)律有別于支流斜接干流型匯流口，亟需開(kāi)展相關(guān)研究。此外，對(duì)于支流斜接干流型的研究絕大多數(shù)為支流入?yún)R順直干流型，而對(duì)于支流入?yún)R彎曲干流型與支流入?yún)R分汊干流型的相關(guān)研究較少，而這2種類型的匯流口在自然界中亦很常見(jiàn)，其水動(dòng)力特性及污染物混合規(guī)律與支流入?yún)R順直干流型有較大差異。因此，需要深入研究支流入?yún)R彎曲干流型和支流入?yún)R分汊干流型交匯河道水力特性與污染物輸移摻混規(guī)律。

b) 水槽物理模型試驗(yàn)是當(dāng)前交匯河道研究的主要手段，取得了較為豐富的研究成果。然而，實(shí)驗(yàn)室研究成果與天然河流研究成果存在較大不同。如在實(shí)驗(yàn)室水槽中可以明顯觀測(cè)到分離區(qū)的存在，這在天然河流匯流口中卻很少能觀測(cè)到。在匯流口下游橫斷面流速的分布、流速方向、水流脈動(dòng)強(qiáng)度、紊動(dòng)動(dòng)能等也存在分歧，目前對(duì)此沒(méi)有較為合理的解釋。原因可能在于天然河流存在很大的寬深比，河床地形復(fù)雜，干支流水流存在水溫、密度差異等，更系統(tǒng)全面的研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。

c) 天然河道中往往存在水生植物，而植物對(duì)于河流的水流特性與物質(zhì)攔截等存在一定影響。Li C W[68]評(píng)估了柔韌性和葉面對(duì)流動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明，植被的靈活性降低了植被誘導(dǎo)的流動(dòng)阻力和垂直雷諾剪切應(yīng)力，且葉子的存在進(jìn)一步增強(qiáng)了這些減少效果。同樣在河道交匯處往往水生植物豐富，植物對(duì)其水力學(xué)特性與污染物的輸移摻混也存在影響。已有順直及彎曲河道中植物對(duì)水動(dòng)力及污染物混合特性方面的研究成果，未來(lái)需要深入研究考慮植物影響下的交匯口水流特性與污染物輸移摻混規(guī)律。

d) 河道交匯區(qū)域是溯流魚類及當(dāng)?shù)佤~類遷徙的關(guān)鍵部位，匯流口水流特性與水生生物物理?xiàng)l件密切相關(guān)，在流域生態(tài)系統(tǒng)中具有突出地位。匯流口也是營(yíng)養(yǎng)物、木質(zhì)殘骸及其他有機(jī)物聚集的地方，在河流高水位期間，匯流口周圍淹沒(méi)的河漫灘也是幼魚避難的場(chǎng)所。1999年Braaten[69]證實(shí)支流的入?yún)R可使匯流口魚類增多，2004年Fernandas[70]等人發(fā)現(xiàn)交匯河流對(duì)魚種類的多樣性有重要的影響。目前交匯河道的水力特性對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)的影響研究尚處于起步階段，隨著河流生態(tài)保護(hù)認(rèn)識(shí)和要求的提高，未來(lái)可望成為本領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向之一。