不同角度丁壩附近可溶性危險化學品擴散示蹤試驗

1、不同角度丁壩附近可溶性危險化學品擴散示蹤試驗2OO9年第35卷第8期August2OO9工業(yè)安全與環(huán)保Industri,dSafetyandEnviromnentalProtection?3l?不同角度丁壩附近可溶性危險化學品擴散示蹤試驗*韓冬梅蔣軍成l陳麗萍.(1.南京工業(yè)大學城市建設與安全工程學院南京210009;2.江蘇省城市與工業(yè)安全重點實驗室南京210009)摘要利用水槽試驗臺,完成不同角度丁壩附近可溶性危險化學品泄漏擴散示蹤試驗,獲得在不同角度非淹沒丁壩挑丁壩所產生的回流區(qū)范圍最大;上挑和下挑丁壩回流區(qū)的范圍都會隨丁壩偏離正挑丁壩位置的偏角越大而變得越小;在示蹤劑釋放量一定的情況下

2、.回流區(qū)范圍越大示蹤劑在回流區(qū)內的平均濃度越低.關鍵詞非淹沒丁壩水槽可溶性危險化學品丁壩角度示蹤劑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丁壩作為為束水,分流,挑流,護岸及改善航行水流條件的有

5、效工具早已被廣泛使用,如黃河中游兩岸及長江口等處均布置了很多丁壩或丁壩組.隨著工業(yè)的發(fā)展,人類居住的相對集中,大量有害于人類和其他生物的工業(yè),農業(yè),生活污水排人河流使水體受到嚴重污染,污染物在水體中擴散輸移影響了整個生存環(huán)境.近年來,危險化學品泄漏事故頻頻發(fā)生,對于含丁壩等復雜結構的水體流動的水流特性的研究,MayerleMRl2J等利用水流運動方程組推導了非淹沒丁壩下游會流暢度及最大回流寬度的計算公式;陳麗萍L3J對危險化學品等污染物在水流中突發(fā)性泄漏的樣的水槽實驗臺,并利用室內模擬示蹤試驗法進行試驗研究,在水力學,環(huán)境水力學等領域取得了一定成績,魏英杰】對槽道中方形障區(qū)的繞流進行了大渦模擬

6、;李志勤等對溢流丁壩附近自由水面進行可實驗研究與數值模擬;周陽【6】等應用水槽試驗對非淹沒丁壩附近的水流運動特性進行了研究;周宜林【,Bj利用數值模擬研究了上挑,正挑,下挑3種淹*基金項目:國家十一五科技支撐計劃課題資助(2O06BAK0lB03).水流運動特性發(fā)生變化,在河流污染事件中,丁壩對河流中污染物的泄漏擴散過程的影響已經成為目前對丁壩問題關注的重點.影響丁壩周圍污染物擴散的因素很多,其主要包括丁壩(包括上挑,垂直和下挑丁壩以及不同長度的丁壩),河流水力條件(包括水流流速,河流水位高度和河流底坡比)和泄漏源位置改變等方面.丁壩附近復雜的水流結構,對污染物擴散作用機理人們認識得不夠深入,

7、目前在此方面的研究報道很少,本文通過完成不同角度丁壩附近的可溶性危險化學品水槽示蹤試驗,研究不同角度丁壩附近水流流態(tài)及丁壩角度對水槽中可溶性危險化學品擴散的影響.1試驗裝置及試驗方法試驗水槽長l4.0m,寬0.4m,深0.4m,底坡為3/700,試驗流速為9.35cm/s,水深為8.7cm,水槽裝置如圖1所示.在水槽中部設置不同角度的非淹沒不透水丁壩【9,10.器為多普勒流速儀【n,12.?32?本試驗采用羅丹明B作為可溶性危險化學品示蹤劑,取丹明濃度【13,14.根據以上試驗條件,首先在丁壩下游位置取6個取樣斷面,其位置分別在距離丁壩下游12,27,41,68,75和120cm處,在每個橫斷

8、面上取3個取樣點,其位置分別在距離丁壩側岸邊1,9,17cm的位置上,取樣點分布情況如圖2所示.試驗采用多點同時取樣的方法,即當可溶性危險化學品開始泄漏之后每隔數秒在取樣點上同時取樣.圖1水槽裝置照片I/:I2,x=27rJ_【j!-Jx=41,I:x=68.x=75=12OO圖2水槽試驗取樣點位置分布示意(c玎1)本水槽試驗主要考慮丁壩角度改變時,水槽內水流流態(tài)的改變及其對可溶性危險化學品在水體中濃度分布的影響.試驗中選取的丁壩長10em,寬10cm,每組試驗中丁壩的位置固定在距離水槽進水口下游4.7m的水槽右岸上;試驗示蹤劑羅丹明B采用瞬時泄漏法,泄漏源位置固定在丁壩前29cm,距離丁壩側

9、岸邊5鋤的位置,每次固定投放質量濃度為2g/L的羅丹明B溶液50mL;試驗中丁壩與水流方向所成夾角分別為45.(上挑),60(上挑),90o(正挑),120(下挑),135.(下挑).2試驗結果及分析通過試驗測量丁壩下游的流場,發(fā)現丁壩下游流體流動特性如下:在含有丁壩的水域中,丁壩對其下游水體的流動影響較大,在丁壩側的岸邊產生一較大回流區(qū),而丁壩對應一側的岸邊相對而言影響要小得多;丁壩所產生的回流區(qū)的范圍受丁壩角度的影響較大,其中60,90,120和135o丁壩產生的回流區(qū)范圍見表1,丁壩回流區(qū)結構如圖3;回流區(qū)最寬的位置在回流區(qū)內水流流速最大處,這一區(qū)域基本都在整個回流區(qū)的中部偏前段,回流區(qū)

10、后段的結構變長變窄;在5種不同角度丁壩的回流區(qū)中,90回流區(qū)范圍最大,其回流區(qū)最寬可達12cm左右;隨著丁壩角度偏離90位置越大回流區(qū)范圍越小,其中下挑丁壩隨角度偏離越大回流區(qū)范圍縮小越快,可見下挑丁壩比上挑丁壩對水體流態(tài)影響范圍小.2.290正挑丁壩對可溶性危險化學品擴散影響的試驗驗證及結果分析在示蹤劑擴散過程中提取水樣,測量水樣中示蹤劑濃度,得到正挑丁壩下游區(qū)域內示蹤劑濃度隨時間的分布結表1不同角度丁壩回流區(qū)范圍測量結果y/emy/emI.上挑丁壩正挑丁壩下挑丁壩圖3不同角度丁壩回流區(qū)結構示意果,如圖4.通過多次重復試驗可知,在沒有丁壩一側岸邊的水域內示蹤劑濃度一直很低,且隨時間推移基本上

11、沒有濃度波動.而靠丁壩一側丁壩下游一段水域內濃度有較復雜的變化,圖4顯示:在示蹤劑開始泄漏之后的數秒內,在水槽中間位置即距岸距離為17cm的示蹤劑濃度遠高于距岸1咖和9cm處示蹤劑的濃度;隨著時間的推移,Y=17鋤處示蹤劑濃度急劇下降,而Y=1cm和Y=9gill水域內示蹤劑濃度逐漸升高,由圖中可知Y=9C/1處水域中示蹤劑濃度增速比較早也比較快;大約在示蹤劑泄漏后20s左右,在丁壩側水域內示蹤劑的濃度均開始降低,且距離岸邊越近示蹤劑濃度降低越緩慢,故可以看到圖4中6個位置上的質量濃度分布圖中Y=1cm曲線的第1個波峰均在Y=9cm曲線的1個波峰的右側;此后在丁壩側水域內,距離岸邊越近示蹤劑濃

12、度越高;在示蹤劑泄漏后的25s左右,在丁壩側示蹤劑濃度還會再次升高,這次距離岸邊越近濃度增加越明顯,故Y=lcnl曲線波峰高于Y=9em曲線波峰,此時在距離丁壩較近的水域內濃度增加比較明顯,距離丁壩較遠處濃度幾乎沒有增加;在=41cm位置曲線的第1個波峰出現的時間最早,此處正是回流速度最大的位置;從示蹤劑濃度分布?33?可以看出,圖4(a)中示蹤劑濃度在緩慢升高后可在某一濃度范圍維持一段時間,而圖4(b)中示蹤劑濃度均是快速升高隨后很快降低,這說明回流作用對示蹤劑濃度分布的影響日El1口目1一口El1一占O-3y=l7cm.一幽.在丁壩到丁壩下游68cm這段區(qū)域比較明顯,在丁壩下游=68em下

13、游主流輸移作用比較明顯.:_y17eralcm9cm?弋一=+y=.o:.時/s時間/s(8)(b)分別對上挑45.和上挑60丁壩重復羅丹明B泄漏擴散5所示.試驗,得到丁壩下游不同位置上示蹤劑濃度隨時間變化如圖從圖5可知:45o丁壩,在=41鋤位置處Y=1鋤和一蚓一藩d嗣I一翟S鞋0l0203040506070時間/s(a)45.丁壩下游示蹤劑質量濃度分布(b)60丁壩下游示蹤劑質量濃度分布Y=9cm2曲線表示的示蹤劑平均濃度最高,曲線Y=1emem處濃度只有一個明顯的峰值,隨時間推移濃度不斷下和Y=9cm的濃度值在=27cm處濃度亦高于=68em降;60丁壩,=12em處和=27cm處示蹤劑

14、濃度較高處;=12cm處距離岸邊位置示蹤劑濃度升高時間很遲,從且持續(xù)較長時間;而在,17=41cm和=68cIIl處濃度較低且表1可知45.丁壩=68cm處已不在回流區(qū),故圖中=68僅有很短時間內濃度高,這些區(qū)域回流不明顯.45o和6065432l065432l05432OOOO0OOO0OOOOOO00000O_1.暑Iu一蔗一_1-昱g一蟶一一-1I暑暑一蟶蚓暑u蚓gu唇u0NI=432O432l0432O00O000O0OO0OOO0一1_呂一一1.jtIl一嵌蚓喀gu乙I=酉呂u蚓g3l可32JOOOO0一1.旨一蠑蚓峰gu?34?丁壩示蹤劑泄漏濃度分析圖可看出,越靠近丁壩處曲線Y=I

15、cm和Y=9cm的峰值出現越晚,但其濃度升高后下降速度越緩慢.有上述幾點現象主要是由于在距離丁壩越近的位置中水流的主流輸移作用對水流中示蹤劑分布影響越小,故在開始泄漏的一段時間丁壩后的區(qū)域濃度幾乎為零,而過一段時間后,回流作用讓示蹤劑越來越多流入這一區(qū)域,且較長一段時間內滯留在該區(qū)域.在離丁壩較遠位置曲線Y=1cm和,=9cm濃度升高較快,但隨后濃度很快降低,這正是因為在離丁壩較遠位置對示蹤劑濃度影響以主流輸移為主,示蹤劑隨水流輸移到離丁壩較遠位置處,使示蹤劑濃度迅速上升,而隨后主流很快流過這一區(qū)域使?jié)舛妊杆俳档?但還受蚓一一簍l1D20304050607.0l02O3040506070時間/

16、s回流作用影響使示蹤劑仍維持一定的濃度,但回流作用較弱故其濃度不高.從整體上來講,正丁壩回流區(qū)域內的示蹤劑濃度明顯低于其他角度下的示蹤劑濃度,這些示蹤劑濃度變化在=12,27和41cm更明顯.由圖中結果亦可看出6丁壩在=壩在=12,27cm處濃度也很高,這正是它們回流區(qū)范圍最寬回流速度較大的流段.完成下挑120和下挑135o丁壩羅丹明B泄漏擴散試驗,得到丁壩下游不同位置上示蹤劑濃度隨時間變化圖如圖6所示.:l+_I7cm.?.?.ll02030405060708.二O102O3O405060708O時/s圖6丁壩下游示蹤劑隨時間變化從試驗結果可分析:在120丁壩試驗中,=4112/I位流的主流

17、輸移作用和回流作用對示蹤劑分布影響都越小,故enl處平均濃度,=12em位置處距離岸邊位置示蹤劑濃度對水流回流的阻擋作用迅速降低,回流作用增大并且大于主升高時間很遲,在=12,27,41和68em處均有較明顯的持流輸移作用,示蹤劑在這段濃度升高并且可維持一段時間.續(xù)時間較長且濃度較高的時間段,而在=68cm處以后示隨離丁壩位置越遠主流輸移作用越大,并控制示蹤劑擴散分蹤劑濃度很低,回流現象不明顯;在135.丁壩試驗中,示蹤布,使示蹤劑濃度很快升高又降低,而回流作用較弱使示蹤劑濃度分布圖6(b)中可知,=12,27和41em處示蹤劑濃度劑濃度不能滯留在這一區(qū)域.綜合對比下挑丁壩濃度分布,較高且持續(xù)

18、較長時間;而在=41和68cm處濃度較低且僅示蹤劑濃度變化在丁壩下游的=27和41era更明顯,120有很短時間內示蹤劑濃度較高,區(qū)域回流不明顯.丁壩在=41cm處的濃度回流區(qū)的示蹤劑濃度遠高于其他對比l20o和135.丁壩示蹤劑泄漏濃度分析圖可看出,靠位置濃度,原因是它們是回流區(qū)范圍最寬回流范圍明顯的流近丁壩位置濃度升高很慢,可以說下挑丁壩在=12em處的濃度一直不高,是因為此處是回流區(qū)的邊緣,回流現象不明顯;相比之下示蹤劑濃度在=41era處比較高,是由于回一定程度上影響了水流的回流,在距離丁壩越近的位置中水段.3結論與分析(1)在含有丁壩的水域中,丁壩對其下游水體的流動影響較大,會在丁壩

19、側的岸邊產生回流區(qū),而丁壩對應一側的岸邊相對而言影響要小得多.一1.g一一1.g一一.曲lIl一一.1.一1.墨一一1.g一囂一一1.昱Iu一蠑蛹巨一gu蛔g31寸?35?(2)丁壩所產生的回流區(qū)的范圍受丁壩角度的影響較流速度最大的區(qū)域在回流區(qū)的中部偏前段,回流區(qū)后段的結構變長變窄.(3)在回流區(qū)內流體主要受回流作用和主流輸移作用控制,在回流區(qū)前部分回流作用占主導作用,因此在這段區(qū)域污染物濃度開始增長緩慢,但濃度升高后會維持較長一段時間;在回流區(qū)后部分流體流動主要是主流輸移,所以污染物濃度升高較快后又會較快降低.可知,90正挑丁壩所產生的回流區(qū)范圍最大,而上挑和下挑丁壩回流區(qū)的范圍都會隨丁壩偏

20、離正挑丁壩的角度增大而產生的回流區(qū)小得多.(5)通過幾組試驗可以看出,在污染物釋放量一定的情況下,回流區(qū)范圍越大污染物在回流區(qū)內的平均濃度越低.參考文獻度研究.泥沙研究,2001.6(3):6873.dimensionalnumericalmedelsimulationofflowinthevicinityofspurdikes.JournalofHydraulicResearch,1995(3):243256.擬.水動力學研究與進展:A輯,2007,22(6):761765.數值模擬.水利,2003,8(8):5360.研究與進展:A輯,2003.18(4):433438.村水利水電.200

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