（环境工程专业论文）望虞河（锡山区）污染负荷研究水量水质模型建立及应用.pdf

望虞河( 锡山区) 污染负荷研究 r 程硕十研究生姓名：复光平指导老师：姚琪研究员1 m ! 领域：环境l 粥1 摘要：望虞啊是连接长江与太湖的主要河流，望虞河两岸锡山区是望虞河 要的 污染物来源地，其水质对作为无锡市水源地太湖有着重要影响；近年来a 湖主 要取水区域贡湖的水质恶化严重，多次m 现大面积的蓝藻“水华”，严重威胁了 饮水安全。为了研究望虞河及贡湖水资源状况，加强对水源地水资源的管理，建 立锡i l i 区进入望虞河的污染负荷模型是重要前提。本文在与前人的锡山区河剐概 化模型相比较基础上，通过增加河网密度，建：了与该地区河网实际河道分布情 况更为相近的河网一维水量水质模型。水量模型采用p r e is s m a n n 隐式差分格式 求解圣维南方程组，水质模型采用迎风全隐格式求解对流扩散方程。本文运用实 测资料对所建模型进行了率定与验证，同时通过与前人的模型进行对比分析，证 明该模型计算成果更为合理有效，对河网各河道的流量、水似与浓度模拟的更为 精确。在此基础i ：，本文运用新建模型计算了枯水典型年条件下，锡山地区河网 对望虞河与贞湖的污染负衙，并对望虞河与贡湖的水质变化作了深入分析。最后， 戍用先进的面向对象的编程浯言- - v is u a b a s i c 语言，设计厂河删水量水质综 合分析系统，使海量数据存储和读取更为简单方便，并u 以形象直观的生成各种 统计曲线、图表。同时，结合地理信息系统软件和数据库技术，系统集成了水量 和水质专题图功能及计算静态水环境容量的功能。系统界而简洁友好，为锡山区 污染负倚计算研究及决策管理提供了技术支持。 关键词：望虞河锡山区贡湖河网水量水质模型p r e i s s m a n n 隐式差分 格式迎风隐格式地理信息系统 数据库敢术 l 、华瑶菁、夏光平太湖流域水质监测规划中国水利学会2 0 0 2 年学术年会论文集 2 0 0 2 1 0 作者简介：夏光甲，男， 9 7 1 年生，1 9 9 4 午丁湖南大学环境r 程专q k 毕业并获t ：学学 学位：2 0 0 1 年从师河海人学环境工程专、l k 姚琪教授，2 0 0 5 年6 月毕业并扶1 程硕士学位。 w a n g y ur i v e r ( x i s h a na r e a ) p o l l u t a n t l o a d s t u d y c a n d i d a t e ：x i a g u a n g p i n ga d v i s o r ：p r o y a o q i m e n g f i e l d ：e n t i r o m n e n te e n g i n e e r i n g a b s t r a c t ：w a n g y ur i v e ri s am a i nf i v e r l i n k i n gy a n g t s er i v e ra n dt a il a k e x i s h a na r e al o c a t i n ga tt h ew e s t e r nb a n ko ft h ew a n g y uf i v e ri st h em a i np o l l u t i o n s 0 1 f l e et oi 蚀n g y uf i v e r s oi t sw a t e lq u a l i t yh a sg r e a ti n f l u e n c eo n ，新l a k ew h i c hi s t h eg r o u n do f s o u r c eo f w a t e l o f w u x i ；a st h em a i nw a t e rs o u r c e t h ew a t e lq u a l i t yo f g o n g l a k eb e c a m ew o r s ei nr e c e n ty e a r s ，w i t hb l u e - g r e e na l g a b u r s t i n g , t h es a f e n e s s o f k x iw a t e rr e s o u r c et h r e a t e n e d i no r d e rt o s t u d yt h e w a t e rr e s o u c e so f w 曲g y u r i v e ra n dg o n gl a k ee f f e c t i v e l ya n de n h a n c ew a t e l r e s o u r c e sm a n a g e m e n t o ft h eg r o u n do fs o u r c eo fw a t e r , s o t h i sp a p e rd e v e l o p e dap o l l u t e n tl o a dm o d e l a b o u tt h ep o l l u t e n tf r o m s h a nw a t e rn e tt ow a n g y uf i v e r , w h i c hi sav e r yi m p o t a n t p r e m i s e c o m p a r e dw i t hr e c e n tr e s u l t s o nh y d r o d y n a m i ca n dq u a l i t yn u m e f i c a l m o d e l t h ep a d e re s t a b l i s h e dan e wo n ed i m e n s i o nh y d r o d y n a m i ca n dq u a l i t y e q u a t i o n sw h i c hi sm o r es i m i l a rt ot h i sa r e aw a t e rn e td i s t r i b u t i o nb yi n c r e a s i n gt h e w a t e rn e t c o n s i s t e n c y t h eh y d r o d y n a m i c m o d e l e m p l o y s p r e i s s m a n ni m p l i c i t d i f f e r e n t i a ls c h e m et os o l v es a i n t v e n a n te q u a t i o n s a sw e l la st h ew a t e rq u a l i t y m o d e li ss o l v e db y u p w i n di m p l i c i ts c h e m e t h em o d e l i sd e b u g g e da n dv a l i d a t e db y t h ed a t ao b s e r v e d ，a tt h es a l t l et i m e ，b a s e do nt h ec o m p a r i s o nw i t hr e c e n tr e s u l t so n h y d r o d y n a m i ca n dq u a l i t yn u m e r i c a lm o d e l s oi t i sp r o v e dt h a tt h i si l e wm o d e li s m o r er e a s o n a b l et h a nt h eo l do n ea n dc a r lm o r ee x a c t l ys i m u l a t er i v e rn e t w o r k d i s c h a r g e ，w a t e r1 e v e la n dc o n t a m i n a t i o nc o n c e n t r a t i o n u s i n gt h i sn e wm o d e l ，t h e p a p e rc a l c u l a t et h ec o n t a m i n a t i o na m o u n td i s c h a r g e dt ow a n g y u f i v e ra n dg o n gl a k e b yx i s h a n r i v e rn e t w o r k si nc o n d i t i o no ft y p i c a l1 0 ww a t e r y e a t , 谢m t h e c o n c e n t r a t i o nc h a n g ec o u r s ea n a l y s e d f i n a l l y , t h i sp a o e l d e v e l o p e dar i v e rn e t w o r k s h y d r o - d y n a m i ca n dq u a l i t yi n t e g r a t ea n a l y s i ss y s t e mb ya d v a n c e do b j e c t - - o r i e n t e d m e t h o d s ol a r g ed a t ac a nb es h o wa sk i n d so fs t a tl i n e so rt a b l ea n do b t a i n e d e x p e d i e n t l y a tt h es a m et i m e ，i n t e g r a t i n gt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n d d a t a b a s et h e o r y , t h i ss y s t e mi n t e g r a t e dt h ef u n c t i o n so fw a t e rq u a l i t yt h e m em a p b y g i sa n dc a l c u l a t i n gt h es t a t i cw a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y , t h ei n t e r f a c eo ft h es y s t e m i sf i e n d l y , i tc a r lg i v es o m et e c hs u p p o r tf o rx i s h a n p o l l u t a n tl o a dc a l c u l a t i o ns t u d y a n d d e c i s i o n - m a k i n gm a n a g e m e n t o f t h i sa r e a ， k e y w o r d s ：w a n g y ur i v e r ；x i s h a na r e a ；g o n gl a k e ； r i v e rn e t w o r k ；h y d r a u l i c s a n dw a t e r q u a l i t ym o d e l s ；p r e i s s m a n ni m p l i c i td i f f e r e n t i a ls c h e m e ；u p w i n di m p l i c i t s c h e m e ；g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ；d a t a b a s e t e c h n i q u e i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：x i a g u a n g p i n g ，w a sb o mo nd e e ，1 9 7 1 h ew a sa w a r d e dt h e b a c h e l o r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n ga th u h a n u n i v e r s i t yo i lj u l y1 9 9 4 n o w , u n d e r t h eg u i d a n c eo f p r o f y a o q i ，h ec o n t i n u e sh i sr e s e a r c hw o r k s i nt h ef i e l do fe n v i r o m e n t a le n g i n e e r i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：i 竹2 0 0 5 年g 月，6 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：塑遁2 0 0 5 年6 月f 占日 河海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的、意义 水是地球上一切生命赖以生存和发展的不可缺少的基本物质，随着工农业生 产的不断发展，城市人口的剧增，用水量日益增加，水资源供需矛盾日渐尖锐。 工农业的快速发展所产生大量的工业废水、生活污水以及农业回归水往往未经任 何处理就直接排入各种水体，造成水污染现象十分严重。水污染不仅减少了可利 用的水资源量，而且影响了广大人民群众正常的生活和生产活动，从而，制约着 经济的发展和人民生活水平的提高。因此，2 l 世纪面临的一项重要的任务就是 防止水污染、保护水环境。 太湖流域自古就是我国经济富庶之地，改革开放以来，经济发展更为迅猛。 工农业的发展导致用水量猛增。2 0 0 0 年，流域本地区水资源量仅1 7 7 亿立方米， 其用水量已达3 1 6 亿立方米，供需缺口较大。经济的发展，排放了大量的污水， 使本地区水环境受到严重污染，2 0 0 0 年流域污水排放量达5 3 3 亿立方米，8 4 河道未达到水质控制目标。为解决太湖流域缺水和水污染问题，水利部门组织实 施了“引江济太”工程，即通过望虞河将长江清水引入太湖，望虞河因此被称为 “清水通道”。按照江苏省人民政府批复的江苏省水( 环境) 功能区划，望 虞河被确定为水源保护区，水质目标为i 类。目前，望虞河水质受到西岸支流入 流污水影晌，水质通常情况下为v 类劣v 类，为实现望虞河的水质目标，可谓 任重道远。 锡l h 区位于望虞河的西岸，入望虞河的污水大都集中在这个区域内。近年来， 随着地方经济的飞速发展，大量的污水排入了望虞河以及太湖，使本已经不容乐 观的太湖水环境问题，更是雪上加霜。所以建立一个适合锡山区河网的水量水质 运算的模型系统，对预测分析入望虞河和太湖的污染负荷，优化调度方案，引清 截污等都是十分有益和必要的。 本课题通过与以往在锡d 1 河网区所建立的水质水量模型的对比分析，提出并 建立了更符合锡山河网区水量水质计算的新的概化河网水量水质模型，为今后更 为深入的研究该地区水量水质状况提供了一定的技术支持，对枯水年份枯水季节 河海大学工程硕士学位论文 该区域对望虞河及贡湖的污染负荷进行计算。同时结合地理信息系统的二次开发 功能，建立了具有可视化功能的水量水质分析系统，为决策层的决策和管理提供 支持。 1 2 研究范围和内容 1 2 1 研究范围 无锡市是望虞河西岸地区主要的污染物排放源。无锡地处太湖之滨，京杭大 运河苏南段纵贯南北，锡澄运河、“引江济太”的清水通道望虞河沟通太湖与长 江，东西向的伯渎港、九旱河、锡北运河连通大运河与望虞河( 图1 1 ) 。目前 无锡市工业污水总体一t 达标排放，但生活污水处理率低，水环境状况不容乐观。 为创建环保模范城市，无锡市出台了污水综合治理方案，市区的污水拟实行分片 收集，全市划分为三个排水分区，即芦村排水分区、旺庄排水分区和城北排水分 区，并新建、扩建一批污水处理厂，使市区污水集中处理率在2 0 0 3 年达到7 5 以上。 本次研究范围为无锡市锡山区范围内的河网地区，北起锡北运河，南至太湖 贡湖区，西起京杭大运河，东至望虞河的武澄锡虞地区。区域内主要河流有：京 杭大运河、锡澄运河、锡北运河、东青河、九里河、伯渎港、望虞河等，主要湖 泊有：太湖贡湖区、漕湖、鹅真荡、嘉菱荡等。 1 2 2 研究内容 确立研究水域，进行区域内水文水质资料的收集。根据区域的水文特性和资 料收集情况，分析已有水动力模型和水质模型的特性，确定适合本研究区域的模 型建立方式。概化锡山区的河道水系，进行河网编码，结合水域内现有的水质监 测成果和水文情势，模拟河道非稳态水量、多参数水质耦合模型，建立隐式差分 格式的锡山区一维水量、水质藕合数学模型，分析比较新建立的模型和以往模型 的演算结果差异，提出更适合锡山区的河网概化模型。按多年降水资料，计算分 析得出9 0 保证率的典型年份。根据现状调查的锡山区面污染源和工业点源资 料，计算典型年枯水期锡山地区河网各条主要河道在9 0 保证率下对入贡湖和 河海大学工程硕十学位论文 望虞河的污染负荷进行预测分析。此外，本次研究还集成了水量、水质模块、数 据库技术、v i s u a tb a s i c 的各种控件以及地理信息系统，建立了锡山区水量水 质分析系统，使得锡山区水量水质计算成果更加清晰化和透明化，为该区域内的 水资源同常管理、调度和决策提供了界面友好的人机交互平台。 图11 无锡地区水系 河海大学工程硕士学位论文 1 3 主要工作内容流程图 图1 2 锡山区入贡湖及望虞河污染负荷研究工作流程圈 河海人学t 程钡士学位论文 1 4 河网水动力模型研究介绍 描述河网地区河道的水流运动基本方程组是圣维南方程组，包括连续方程及 动力方程，是非线性双曲线型偏微分方程组，一般情况下只能采用数值方法进行 求解。 前人关于河网水量模型及其求解方法已经有了较多的研究，主要可归结为三 种类型。 第一类是组合单元模型。由法国人j e a na c u n g e ( 1 9 7 5 ) 首先提出，该方 法略去惯性项，将河网概化成若干个彼此相连的单元，对单元进行分组，建立以水 位为自变量的矩阵方程组，求解方程组，可依次求得水位及流量等变量。该方法使 用与水力条件随时间和空间变化不大的河网区域。 第二类是将节点一河道模型和组合单元模型的组合，并避免其不相适应的特 点，构成瓤的数学模型，即混合模型。1 。它的基本思想是：将平原河网的水域区分 为骨干河道和成片水域两类，对骨干河道采用节点一河道模型：对成片水域采用 单元划分的方法将其划分为单元，在引入当量河宽的概念，把成片水域的调蓄作 用概化为骨干河道的滩地，将其纳入节点一河道模型一并计算。 第三类是节点一河道模型即三级联合解法。该方法是根据圣维南方程组，水 位节点控制法而建立，在每个节点处均应满足水流连续方程和能量守恒方程。求 解时将方程分为微段、河段、汊点三级，采用逐级处理再联合运算的方法，从而求 得备断面的水位、流量。分级求解法由荷兰的d o n k e r s 提出( 1 9 5 5 ) ，该方法建 立河道以及河道交汇点的隐式差分方程组，分级求解交汇点( 节点) 及河道的方 程组。 1 5 河网水质模型研究介绍 水质模型是描述水流中污染物随时间、空间变化规律的一种数学方程，它可 以为水质预测、水污染防治规划的研究提供科学的依据。作为一种预测自然过程 和人类活动对河流水库系统中水的物理特性、化学特性和生物特性影响的手段， 水质模型广泛应用于评价来自废水处理的废水负荷的影响，或者来自其他各种点 河海大学工程硕上学位论文 源和非点源污染物负荷的影响。 水质模型既模拟水动力学状况，也模拟水质状况。水动力学和水质往往呈独 立而又相互联系的子模型，这些模型应用水的质量守恒方程和水中杂质的输移、 变化方程。水动力学方程考虑的是水的体积、流量、流速和水深；杂质输移与变 化方程则包括能量传递的表达式和化学平衡或化学与生物运动的表达式。 水质模型所用的各种参数的值往往必须通过现场和实验室研究来确定，有时 可以从文献中所载的信息近似确定它们的初始估算值。根据水质模型中的水流参 数和水质参数选取可将水质模型分为恒定流模型和非恒定流模型。在恒定流模型 中，各参数均不随时闻变化，而非恒定流模型则允许参数随时间变化。 恒定态水质代表模型是q u a l 2 e 模型。q u a l 2 e 是一维( 纵向) 模型，用 来模拟混合良好的河流与湖泊。它将水道划分为一系列恒定非均匀流的流段，在 每一段内，流量不随时间变化且均匀一致，但各段可以不同。该模型能够模拟点 源和非点源的负荷、取水、支流以及河流内的水工建筑物，可以模拟1 5 组水质 组分，包括：溶解氧、生化需氧量、温度、藻类、叶绿素a 、有机氮、氨型氮、 硝酸氮、有机磷、无机磷、大肠杆菌、任意一种非守恒的组份和任意三种守恒的 组份。q u a l 2 e 可以分析因气象条件的昼夜变化造成溶解氧与温度的变化对水 质的影响，模拟因藻类生长和呼吸所造成的溶解氧的变化，还能用来确定为了满 足预先规定的溶解氧的水平所需的流量增加量。 其他的恒定态模型还包括德国n e c k a r 河模型、美国水道试验站的s t e a d y 模型和美国地质调查局的s t r e e t e r - p h e l p s 模型，n e c k a r 河模型包含4 种水质指标， 考虑了水体处于好氧、厌氧状态下1 2 种迁移转化过程，适用于流速很小的河流； s t e a d y 模型计算温度、溶解氧和生物需氧量，s t r e e t e r - p h e l p s 模型模拟溶解氧、 含氮需氧量，碳素、生化需氧量、正磷酸盐、大肠杆菌总数，以及3 种守恒污染 物质。 动态水质模型的代表是w a s p 5 ( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 模型。w a s p 5 是美国环境保护局提出的水系统，包括河流、水库、河口、海岸 的通用模拟框架。它提供了一个灵活的模拟系统，在其基本程序中反映了对流、 弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边界的交换等随时间变化的过程。水质的 过程在几个特殊的运动学程序中模拟，这些子程序可以从程序库中挑选，也可以 河海人学1 二程硕士学位论文 由用户自己提供。w a s p 的结构使用户能很容易的将运动学的子程序替换到总的 程序包里形成解决具体问题的模型。具体方法是将水系统分割成段，每段可以按 照一维、二维或三维来安排。 w a s p 包括两个独立的计算程序：d y n h y d 和w a s p ，它们可以联合运行， 也可以独立运行。d y n h y d 是水动力学模型程序，它模拟水流的运动；w a s p 足水质程序，它模拟水中各种污染物的运动与相互作用。e u t r o 和t o x i 是两 个子模型，它们可以装入水质程序中。e u t r o 用来分析传统的污染，包括溶解 氧、生化需氧量和营养素；t o x i 则模拟有毒物质的污染，包括有机化学物、金 属和泥沙。 其他非稳态水质模型还有c e q u a l r l 模型，w q r r s ( w a t e r q u a l i t y f o rr i v e r - r e s e r v o i rs y s t e m s ) 模型，h e c - - 5 q 模型【s 等。c e q u a l r l 模 型是一个河流完全动态的一维水流与水质模拟模型，类似于q u a l 2 e 的地方是 它也模拟温度、溶解氧、生化需氧量和营养素，但它能够模拟水流和水质梯度很 陡的情况。w q r r s 是动态水质与动力学模型软件包，具有分析多达1 8 种组分 的能力，包括化学和物理组分( 溶解氧、溶解固体总量) 、营养素( 磷酸盐、胺、 哑硝酸盐和硝酸盐) 、碳的统计( 含碱度、碳的总量) 、生物组分( 两种类型的浮 游植物、水底藻类、浮游动物、水底动物、三种类型的鱼) 、有机组分( 盐屑、 有机泥沙) 以及大肠杆菌。h e c - - 5 q 模型的水质组分随任选下列两种可能的模 拟方式改变，第一种方式模型中包括的组分有水温，3 种守恒组分，3 种非守恒 组份以及溶解氧，另一种任选方式指的是浮游植物，包括8 种组分：水温、溶解 固体总量、氨型氮、磷酸盐、浮游植物、碳素、生化需氧量、硝化氮和溶解氧。 q u a l 2 e 模型是恒定态一维纵向模型，用来分析河流受污染时，沿其长度 方向上的水质，它没有考虑水体处于缺氧、厌氧状态下的水质变化规律，也不能 计算河网及逆流状的水量、水质变化；n e c k a r 河模型是渠化梯级河道模型，忽 略了分散项，既没有反映非稳态水流条件下的水质变化规律，也没有反映缺氧与 厌氧状态时的差别；w a s p 5 、w q r r s 和h e c 5 都是模拟水库和河流系统中复 杂水质问题的比较尖端的软件包。但由于太湖河网地区水情复杂，主流非稳态模 型水动力子模型不能很好的模拟河网闸坝控制，水质子模型大多采用显格式，对 时间与空间步长有限制，此外对感潮河道流向顺逆变化较大时不能较好的模拟。 7 河海大学工程硕十学位论文 在研究河流水质问题时，模型的选择和采用取决于该研究的目的和目标，选 择取决于该项模拟工作所要回答的问题。模型中各项假设的适宜程序也是选择各 模型用于特定用途时的”一项重要因素。太湖河网地区，水量水质都是非稳态变化， 闸坝运行方式十分复杂，河道中水的流向顺逆变化大，水体在不同时间和地点可 能处于好氧、缺氧、厌氧状态等复杂条件，现有的水质模型并不十分适用。因此 有必要针对太湖流域河网水污染的特点，在吸取各种模型长处的基础，j ! 二，建立适 应性更强的水质模型。 1 6 研究区域自然地理概况 太湖流域位于长江干流下游河口三角洲地区，范围北濒长江，东沿东海，南 抵杭州湾，西靠天目山和茅山，流域面积为3 6 8 9 5 k m 2 ，位于东经1 2 0 。8 1 2 1 。5 57 ，北纬3 0 。5 3 2 。8 7 ，属亚热带北部。流域地势西部高东部低， 四周高中部低，河湖密布，气候湿润，雨量充沛，素以其灵秀的风光和丰饶的物 产名闻内外。由于其位置处于长江、钱塘江入海处和中国海岸线的中部，地位具 有中国中部对外门户和南北海运连结点的作用。 太湖流域是我国著名的水网地区。流域内湖泊、河网水面积6 1 2 0 k m 2 ，约占 总面积的1 7 。据地形图量算，全流域约大小河道总长度1 2 0 0 0 0 k m 。太湖平 原平均每平方公里河道密度达4 k m ，如按长方分隔，则河距为3 3 0 m 。由于高差 小，流程长，因此河道比降很小，流速缓慢。平时水流在河道内荡漾，只有在汛 期，才达到0 3 o 5 n g s 的流速。这些河道是历代不断整理和开辟而成，其中唐 代实行的浦塘制，使河道格局予以定型。在社会发展中，河网充分发挥了排水、 供水、通航、水产等多种作用，促进了农业、工业、交通业的发展。 锡山地区位于锡澄低平原，该平原西与洮涌平原相接，北濒沿江高平原，东 以高平原与阳澄区分隔，南抵太湖沿岸山地。形成以澄锡运河为轴心的低地，丽 积约8 1 0 k m 2 。锡澄低平原是无锡、常州两市的经济中心，高程在3 o 5 o m ( 吴 淞基准面) 。区域属澄锡虞水系，区内主要有望虞河、锡澄运河，新沟河，锡北 运河，九罩河，伯渎港等，纵横交错。望虞河南起太湖边沙墩口，穿江南运河与 沪宁铁路，向北穿漕湖、鹅真荡，至耿泾口入长江，长6 0 8 k m ，均在江苏境内， 是区域中一条主要河流。1 9 5 8 年开望虞河时，疏浚锡北运河、九里河、伯渎港， 河海大学工程硕士学位论文 汇东南部来水入望虞河。区域中没有一个比较大的湖泊调节来水，河网水面积较 小，仅7 7 k m 2 ，水面率9 ，是太湖平原水面率最小的一区。 锡山区位于东经1 2 0 。0 47 1 2 0 。3 6 ，北纬3 l 。2 17 3 1 。4 57 之间。 全市总面积1 1 1 5 k 疗，其中水域面积1 6 7 k m 2 。现有耕地7 2 8 8 万亩，辖3 3 个镇， 2 0 0 3 年末人口4 4 2 5 4 万，地区生产总值1 9 0 1 2 2 亿元。 河海大学工程硕士学位论文 第二章河网湖泊概化 本章将以水力学、计算水力学、河网水流计算和环境水力学为基础，结合“贡 湖入湖河口允许排污量计算”研究项目，提出了具有较高可比性的接近河网原型 的锡山区河网概化图。 2 1 单条河道概化 河网概化是本次研究的重点内容。 锡山区东面由太湖的引清通道望虞河阻断，南边是太湖，西面是江南运河以 及锡澄运河，北边是锡北运河，由此形成了一个相对独立的水力体系。这对在该 地区进行水量与水质计算是较为有利的。然而，锡山区隶属于平原感潮河网区， 河道纵横交错且流向经常变化，加之资料的匮乏，所以，前人所做的锡山区的水 量与水质模型过于简单。如何研发一个适合锡山区的可比性较高的水量与水质模 型，以便为以后进行更为深入的研究工作提供条件，成为亟待解决的问题。 对于缺乏资料的河道，大多数研究都是采用直接概化的方法，对河网的实际 情况出入很大。本次项目变间接收集资料为直接收集资料，即模型研制人员直接 到现场去获取资料，根据河道的实际情况对河道做出取舍。从而获得更为符合实 际情况的河网概化图。 2 1 1 河网概化的基本方法 由于模型就是对实际情况的简化表示，并且由于计算机性能和资料等的制 约，所以，计算河网只能是实际情况的抽象表示而不是实际情况的复制。 本文根据实际情况也做了必要的极化。概化河道为水平底坡、棱柱形断面。 由于锡山区平原河网的河道水位变幅不大，一般在2 4 米左右，所以可以用图 2 1 所示的四个参数来描述河道断面。 1 0 河海人学工程硕士学位论文 图2 1 河道断面描述 z 。表示参证水位；b 。为与z 。相应的河宽；a 0 为与z 。相应的过水丽积；s 。= s ，十s ：， 河道两岸边坡之和。z 。以上为堤防，假定河宽b 0 不变。 由于本研究区域内的湖泊面积相对较小，所以不再另做二：维场计算，可以将 他们处理概化成0 维的调蓄节点。 2 1 2 概化河道断面参数的确定 天然河道断面为非棱柱形，设c 。，c ：，c 。，c 。为m 个过水断面，s & ，s 。为各断面之间的间距，如图2 2 所示 c hc 。 图2 2 单条河道差分断面情况 假定无旁侧入流且为恒定流，通过各断面的流量q 相等。 流量通过第i 条河段所产生的落差见图为z 。= 学( 击+ 去。为 第i 断面的 图2 3 概化河道纵剖面 ) 为过水面积 z 河海大学工程硕士学位论文 r ，为水力半径，n 。为第1 河段的糙率系数。对于宽浅的天然河道r 可取平均水深 代替，即： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 实际虢总落差为z = m - 1 年喜譬( 去1 + 去1 i = 1 ) 概化成一条长度才目等的 实际河流总落差为z = z ：= 竺# 而+ i r ) ；概化成一条长度相等的 l ：l f1 、i “ 棱柱形河道，且通过相同流量时，具有相同落差，引】z = 号；式中吼，s k 分 别为概化河道的流量模数、长度。于是可得： 班赢 m 3 ) 上述方程右端可根据天然河道断面资料计算得到。太湖流域河道水位变化一般 为2 米到4 米。故取2 米、3 米、4 米用以上公式计算， 臣- 随水位的变化，如 图2 4 所示： k 图2 4k “随水位变化示意图 概化断面的参数中z o 是由堤防高程决定的。流量模数k - 可表示为z 、a o 、 r o 和s 0 的函数： b = b o s 0 * ( z 0 一z )( z z 0 ) ( z z 0 ) 选择a o 、8 0 和s o ，使概化河道的z k 关系曲线与图2 4 相吻合。 2 2 锡由区河道概化研究 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 锡山区河道承系的四面被疆大运河包围( 锡澄运河，锡北运河，望虞河， 江南运河) ，形成个较为简单的研究体系。以前在该地区建立了一系列的水质 水量模型。但是，由于水质、水量资料和计算机性能所产生的限制，所建立的模 型都过于简单，对次要或者是没有基本资料的河道进行了合并概化。虽然，这样 概化所得的河网解决了计算机运行速度和资料的限制，但是和河网的自然状态偏 离较大。有许多次级河道虽然对区域的水量水质影响不是很大，但是对本地区的 影响却是不容忽视的。本次研究就次级河道是否列模型有影响以及影响的程度有 多深闫题进行了探讨。 当代计算机技术同新月异，更新换代速度极快。计算机性能作为限制河网地 区水量、水厦模型开发的闷题已经缛到了有效的改善。 另外一个限制条件就是资料的缺乏。所以为了得到更为详细的河道大断面资 料，进行了野外水文踏勘。 此次踏勘动用了先进的测量技术，包括g p s 仪、全站仪及测深仪等。通过 g p s 仪获得了测量点的地理位置，水流流向等，通过全站仪则可以得到精度较高 的河道开口宽度，水深由测深仪测得，边坡系数则通过罗盘测出。并且咨询了当 地居民和水文工作者，得到了准确完备的河道野外踏勘资料。 在得到上述蹶始数据詹，对数据做了初步的处理之爱，并结合1 9 9 9 年l1 月太湖流域防洪规划会议确定的太湖流域概化河网，得到的河网密度更大和实际 情况更为接近的河网概化圈( 图2 5 ) 。 陶2 5 是前人所做的锡山区河网概化( 下称原模型) 图，图2 6 是本次河 网概化( 下称新模型) 图。对比图2 5 和图2 - 6 可以看出图2 6 的河网密度 河海大学工程硕士学位论文 大大增加，河网的纵横交错和互相间的贯通性加强。这种情况符合平原河网的特 点。本次概化河网和湖泊的水面积为7 5 k m 2 ，水面率9 2 ，和实际相符合。 同时，为了增强两个模型的可比性。新模型所做的河网概化的外部框架并没 有做更改。也就是说，新模型的外部1 5 条边界河道和原模型相一致，这样两个 模型的输入条件和初始条件都是一样的。对于内部河道，原模型认为次要或者是 没有资料而被概化的。新模型重新使这些河道恢复原始状态。 例如原模型在九里河和伯渎港之间的右侧( 如图2 5 所示) 只有一条湖桥 港，而在新模型中( 图2 6 ) 根据野外踏勘所得到的实际资料，重新拆分成包 括徐冲绳桥港、向阳河、走马塘、黄家桥_ 可、支q 潭桥港及张塘桥河等河。使得水 系尽可能模拟实际河网流态。 1 4 n 一 匦掣鞋匿庭凶丌1孵隧bin匦 匝葚鞋匿雇凶与赡y，幡in匦 杈智牮扑书隧醛h扑k嶷曙 河海大学工程硕士学位论文 表2 1 给出了新模型比原模型增加的河道基本资料。 因为模型毕竟是对自然规律的一种近似描绘，所以新模型没有也不可能完全反 应实际河网状态。新模型也做了大量的河道概化。比如位置处于伯渎港和江南大运 河之间的一共有5 条河道。其中的香泾浜和周泾浜互相平行，都具有施测的断面资 料，并且首末节点相同，相距的距离很短，运用水力学方法，根据过水能力相同原 理，求得合并概化后的河道断面参数，用来代替原河道断面参数。 该地区有一定规模的湖泊不多，只有嘉菱荡、鹅真荡和漕湖。但面积都不是很 大，所以，统一将他们概化为0 维的调蓄节点。另外，那些不起输水作用的河道作 为陆域上的调蓄水面处理。 同时，新模型在做河道节点编号以及差分断面编号和河道编号时，都是运用 m a p in f o 软件自动生成的，这大大的节省了河网概化的工作量。有m a p i n f o 公司的 m a p i n f 0 7 5 的r o w i d 功能自动生成的河网编码。如图2 7 所示。 图2 7 利用s a p i n f o 自动生成的河网编码图 涮海大学工程硕士学位论文 表2 1 锡山区次级河道野外踏勘资本资料 河道名称面宽( m )边坡系数水深( m ) 备注 融通港不通 夹里河2 0 左右 1 5 2 ，02o 东亭港 1 7 1 92 51 8 桐桥港不通 严埭河 3 53 o1 5 民丰河不通 吼山港 1 93o2 o 到地面高度6 米，大断面口到河面4 米。 走马塘 1 42 ，o1 2路面到河底5 米，0 8 米 双泾9 1 51 2 陆面到水面距离5 米 三坝港 2 7直立边坡3 5水面到桥面6 , 2 米 八士港 2 51 52 1 桥面到水面4 米 侬新河 91 5i4 水面到桥面3 6 米 冷渎港2 0 3 02 2 旺庄港 1 7 1 92 51 8 周泾浜1 6 250 9陆到水面1 9 米，滞洪区 香泾浜 1 23 02 o 陆i 水3 夹里河 1 53 01 1陆到水3 万西仓浜 1 l2 01 2 陆到水3 4 梅花港 1 7直立边坡l 2陆到水3 4 寺头港4 0直立边坡 5 23 7 唐庄河( 已经被填调) 张塘桥河 1 73 022陆到水2 米，水到桥4 8 米 鸿声河 1 8 直立边坡 2 1陆到水2 1 马桥港 2 0 直立边坡 1 8陆到水2 米 瑭明桥河 1 6直立边坡1 8陆到水2 米，水质较好 红头树港 1 4直立边坡1 9陆到水1 1 5 米，水质差 刘潭桥 2 52 52 o陆到水2 米 庙桥港 2 03 o1 1陆到水3 米 徐冲绳桥 2 52 52 o陆到水2 米 向阳河 1 53 018陆到水2 3 米，桥上建闸 界泾 1 53 01 o陆到水2 5 3 米，又称南大河 胡桥港 1 43 ，o1 7陆到水3 米 黄家桥港 1 82 51 8陆到水4 米 河海人学工程硕士学位论文 2 3 小结 本章节对锡山区河网以水力学、计算水力学、河网水流计算和环境水力学为基 础进行概化。概化河道为水平底坡、棱柱形断碰。为使概化后的河网模型更接近原 型，对研究区内主要河道进行了实地测量，掌握了大量的第一手资料。因区域内的 湖泊面积相划较小，所以未做二维场计算，直接将他们处理概化成0 维的调薷节点。 在此基础上概化的河网，保留了区域内的主要河流，增大了节点数和河道数，比以 前概化模型的河网密度有明显增加。 河海大学工程硕士学位论文 第三章感潮河网水动力模型 河网非稳态水量模型是定量描述河网水域中水流运动的规律的数学方程。应用 河网非稳态水量模型，可对河网地区的防洪、排涝、灌溉、航运及水污染防治等项 水资源开发利用、水灾害防治和水环境保护工作进行定量的研究。因此进行河网地 区水量模型研究具有十分重要的意义。 3 1 河网模型求解方法选择 节点一河道模型原则一k 可以求解任何水网的水力参数。在求解时，根据不同的求 解方法，有不同的效果。一般而言，其中的有限差分法因易于理解掌握，编程简单。本 文所做的研究的重点是建立一幅更为符合锡山区实际情况的河网概化图，采用节点 河道模型求解水利参数较组合单元模型、混合模型更为合理，所以采用节点一河道 模型三级联合解法。 3 2 河道一节点分级求解方法的基本思想 把整个河网看作是由河道及河道交汇点( 节点) 组成，较长的河道又分为若干 的河段。将圣维南方程组用p r e i s s m a n n 隐格式离散，得到各河道的离散方程组，通 过消元法建立各河道首末断面水力要素关系式，与节点水量平衡方程联立求解，得 到各节点的水力要素值，然后推求各河道中河段( 或断面) 的水力要素值。 由于该方法建立了河道方程与节点方程之间的联系，并分别求解节点方程组及 河道方程组，因此该方法可简称为河道一节点分级求解法。 3 3 圣维南方程组 3 3 1 基本方程组 水流在平底、棱柱形明渠中一维非恒定流动的基本方程组一圣维南方程组 2 0 河海大学工程硕士学位论文 连续方程 动力方程 a 苏q + b 。a a f z = qd xd f ( 3 一1 ) 塑a t 十z “署+ c 鲥一肼，罢一“o 苏a + g 警：。( 3 - - 2 ) 式中：f 时问坐标；x 空间坐标；q 流量；z 水位；u 断面平均流速；n 糙率；a 过 水断面面积；b 主流断面宽度；b 。水面宽度( 包括主流宽度及仅起调蓄作用的附加 宽度) ；r 水力半径；g 旁侧入流流量。 此方程组属于二元一阶双曲拟线性方程组，现阶段尚无法直接求出其解析解，通 常用有限差分法求数值解。 3 3 2 河道控制方程的离散 将圣维南方程组中偏导数项系数中的未知变量用时段初值表示，并将阻力项线 性化，则相应得到线性的偏微分方程组。采用p r e i s s m a n n 隐格式离散方程组。 0 m 、= 毽i + ；。、2 旦塑丝：翌盥j + l 二l ! ! j + l ! 二! ：二：! ! 纽j 二型1 8x厶x o f ( m ) 一 j ”七 i 瓮一 | 。一 j a 2 a t ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 式中：上角标表示时间坐标：下角标表示空间坐标；0 为权重系数( o 0 1 ) ，0 = o 时，此格式为显格式，而当口o 时，此格式具有隐式差分的特征，为使差分方程 保持无条件稳定，必须0 o 5 。本文对时间坐标的臼取为0 5 ，空间坐标方向取为 1 0 。 采用下式进行阻