环境水力学：河流中污染物扩散与混合

分析如图5－1所示流入河中的污水出流，可以将其划分为三个阶段。第一阶段称为初始稀释阶段或垂向混合阶段。出流的初始动量和浮力决定了稀释率（图中A段），当污水的出流速度较大时，其动量对于稀释作用较大，当污水与周围流体的密度差异较大时，浮力对于稀释作用较大。第一阶段的分析采用第六章介绍的浮力射流理论来解决。当污水稀释后，初始动量和浮力的作用也就减弱，污水在垂直方向（沿水深）完全混合而进入第二阶段，在第二阶段就可以不考虑动量和浮力的影响。第一阶段常称为近区，掺混、扩散过程比较复杂，一般是三维问题，在特定的条件下也可能简化为二维问题。

第二阶段称为横向混合段（图中B段）。污水在受纳河渠中的横向混合，主要是由于受纳河渠中的紊动作用。在该阶段，初始动量和浮力已经消失，横向的污染范围逐渐变宽，其结果导致全断面均匀混合，该阶段可以用二维（纵向和横向）紊流扩散控制方程来进行分析。第二阶段发生在距排水口较远的水域，常称为远区。

第三阶段称为纵向离散阶段。当污水在河渠横向充分混合后，纵向剪切流动的离散过程将使纵向浓度趋向一致（图中C段）。这最后的阶段类似于管流中能够应用泰勒分析的纵向离散区，一般按纵向一维离散处理。

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图5－1　污水进入河流后的三个混合阶段

有时第一阶段可以扩展到整个河渠，实际上就取消了第二阶段。从河边电站一次冷却系统中泄出的大量热水就是一个例子，因为它出流的初始动量和浮力相对来说都很大；另一方面，很多工业和城市污水泄入受纳河流的出流量，其动量或浮力都是可以忽略的，实际上可作为一个质量点源来处理。

本章我们仅讨论受纳河流中紊动和剪切的作用，也即假设第一阶段所发生的各种情况可以应用第六章的方法独立加以计算，所以可以把污染物看作为自身没有动量和浮力的示踪源来处理。