（环境工程专业论文）滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究——以镇江内江为例.pdf

摘要 本文以镇江内江为例，针对滨江水体与长江水量交换过程中，由于长江水量、 沙量时空分布不均所引起的水量一水质一泥沙不平衡问题，从工程布局角度提出了 实现水质改善、减少泥沙淤积双重目标的最优引水工程方案。 镇江内江水质恶化严重，需从长江引水改善水质，但长江来水含沙量较高， 易造成内江泥沙淤积。为了实现水质改善与控制泥沙淤积的目标，拟对三种引水 工程方案进行定量论证分析；本文建立了内江二维水流一水质一泥沙耦合数学模 型，并利用野外实测资料对模型进行了率定验证；基于所建模型，对内江不同工 程布局方案下的污染物迁移扩散及泥沙输运过程进行了模拟计算。结果表明：西 线方案的水质改善效果最优，预测引水后内江达到类水水质标准的面积可达内 江总面积的5 0 ；同时西线方案在沉沙区的泥沙沉积效果最佳，易清理且后期 投入小。综合比较，得出推荐方案为西线方案。 在推荐方案的基础上，本文又用数学模型对物理沉沙区的设计进行了定量论 证分析，得出结论为：引航道节制闸宽d = 2 4 m ，迸水口门底坎高程h = 1 o m ，引 航道入内江口门无暗堰。调度后，内江泥沙淤积量较现状减少约8 5 ，达到预期 目标。 关键词：内江：水量：水质：泥沙：平衡：工程布局 a b s t r a c t t h eb c s tp r o j e c ti a y o mo fd i v e r s i o nw a t c rw h i c ha i m e da ti m p r o v i n gw a 衄 q u a l i t ya n dd e c r e a s i n gm ea m o 吼to fd e p o s i t i o nw a sp r e s e n t e da c c o r d i n g t ot h e c o n t m d i c t i o n 锄o n gw a t e rq u a l l t i 劬w a t e rq u a l 埘a n ds e d i m e m sw h i c hw a sc a u s e db y t 1 ea s y 珊m e 研c a ld i s 埘b u t i o no f w a t e r q u a n t i t ya n ds e d i m e n t so f t h ec h a i l 自i a i l gm v e r 1 1 1 i sp 印e r 协k e sn e j i a l l gi 1 1z h e n j i a n gc 时a sa i lc x a m p l e n e i j i a l l g 硝v e ro fz h e n j i a n gh a st o d i v e r tw a t e rf 如mc h a n 鲥i a n gm v e rt o i m p r o v et h ew a t e rq u a l i t yb e c a u s ei t i sw o r s e ns 嘶o u s l yh o 、v e v e r ，廿l es e d i m e n t c o n c e n t r a t i o no ft h ew a t e rw 1 1 i c hc 锄ef 如mc h a n 百i a l l gm v e ri st o oh i 曲，卸di ti s e a s yt oc a u s et 1 1 es e d i m e n t a t i o nd e p o s i t i o no fn e 巧i a n gr i v e lt bi m p r o v et 1 1 ew a t e r q u a l i t ya n dc o n t r o lt h es e d i m e n t a d o nd e p o s i t i o na tt 1 1 es a m et i m e ，w et r yt 0m a k e q u a l l t i t 撕v ea 1 1 a l y s i st ot h r e ek i n d so fp r o j e c tl a y o u to fd i v e n i n gw a t e ra2 - d n o w - 、v a t e rq u a l i t y s i l tc o u p i i n gm o d e li sd e v e l o p e d ，a 1 1 dm ep a r a m e t e r so ft 1 1 em o d e l a r ec a l i b r a t e db yt h ef i e l dd a t a t h ep r o c c s so fm i 伊a t i o n 锄dd 调h s i o n0 fp o l l u t a m s p e c i e sa n ds e d j m e n tt r a n s p o r ti sc a l c u l a t e db a s e d0 nt h eb u i l tm o d e l t h ef e s u l t s s h o wt h a t ：t h ee 脏c to fi m p r o v i n gt l l ew a t e rq u a l i t yo fw e s tl i n ep r o j e c ti st h eb e s t ， 锄dt h ea r e aw h e r ct h ew a t e rq u a l i t ya c h j e v et h es t a n d a r d so fi t e m1 1i s5 0 o ft o t a l a r c ao f n e i j i a l l g 蹦v e lm e a n w h i l e ，t 圭1 ee 艉c to f s i i ts u b s i d e n c ei nt h ed e p o s i 虹o na r e a o fw e s tl i n ep r o j e c t ，a 1 1 di t sc h e 印a n de a s yt oc l e a i l i n1a i t e rs t a g e a r e rs y m e t i c a l c o m p 撕s o n ，也er e c o m m e n d a t i o np r o j e c ti sm ew e s t1 i n ep r o j e c t a i s o ，b a s e do nt h er e c o m m e n d a t i o np r o j e c t ，t h i sp a p e ru s e st h eb u i nm o d e lt o m a k eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st ot h ed e s i g no ft h ep h y s i c sd e p o s i t i o na r e a a n dt 1 1 er e s u l t i s 廿1 a t ：t h eb r e a d t ho f t h ec h e c ko f 印p m a c hc h a n n e l i sd e s i 印e dt ob e2 4m e t e r s ，a n d t h e 劬l d i l sr i d g eo fi n f m li s1 0m e t e rl l i 曲e la n d i t su n n e c e s s a r yt os e tal l i d d e nw i r e a t 吐l ee n 仃a n c eo fa p p r o a d lc h 黜e lo fn e 玎i a i l g 硝v 既a 缸rt l l eo p c r a 石o n a ls c h e m e ， t 1 1 e 锄o u n to fd e p o s i t i o ni nn e 玎i 鲫gi sn e a 订yr c d u c e db y8 5 ，a n d 血ee x p e c t e d o p e 洲o n a lg o a lc o u l db er e a c h e d k q w o r d s ：n e q i a i l gr j v e r ；w a c e rq u a n t i t y ；w a t e rq u a l 时；s e d i m e n t s ；b a l a l l c e ；p r o j e c t l a v o u t 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已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) = 到蛆睦加衫年耳2 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) ： 如魄年只tl b 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 随着城市的快速发展和人口的迅速膨胀，水环境承受的压力也日益增加，世 界上许多国家都面临水资源短缺和水域生态环境恶化的问题。2 1 世纪世界水资 源委员会的一份报告指出，全世界有一半以上的水域已被污染，水域生态体系遭 到严重破坏。我国水体污染也比较严重，据统计【1 1 ：在流经全国4 2 个大中城市的 4 4 条河流中，有9 3 被污染；湖泊和水库的水质也较差，7 5 以上的湖泊、水库富 营养化加剧。 长江中下游的滨江湖库型水体毗邻感潮江段且直接或间接与长江相通，在潮 汐作用下，其水文情势、水质特征及泥沙淤积规律变化复杂，如镇江内江、江阴黄 山湖及张家港暨阳湖等。为了改善水质，滨江湖库需从长江引水释污，但由于长 江来水量、水质以及含沙量在不同季节及不同潮汐过程，时空分布差异性较大， 极易导致滨江湖库水量一水质一泥沙的不平衡：洪季，水体与长江交换水量较大， 有利于水质改善，但来水含沙量较高，增加了水体悬沙浓度，易造成水体浑浊、泥 沙淤积【2 。】；枯季来水含沙量较低，泥沙淤积问题减缓，但来水量减少，滨江水体 水环境容量不足，水质恶化严重，而且由于水位较低，部分水域易出现露滩，不 能满足生态景观要求【4 j 。因此，针对滨江水体水量一水质一泥沙相互影响的综合 性问题，需通过适当的工程措施及调控技术来维持三者的动态平衡。 本文以镇江内江为例，通过对不同工程布局的引水方案对内江水环境影响的 分析，从工程措施的角度针对水量、水质、泥沙这三者的平衡关系进行研究。在 建立水质一泥沙耦合模型的基础上，对工程措施下内江的水质、泥沙变化进行模 拟预测，最终提出维持内江水量一水质一泥沙平衡的最优工程布局。论文的研究为 滨江地区水资源规划及水环境保护工作提供了重要的理论依据和技术支持，同时 对滨江水体生态修复及水环境治理研究也有一定的推广意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国内外引水改善水环境研究进展 调水是解决产水和用水需求异地性矛盾、实现水资源在空间上重新配置的工 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇江内江为例 程调控措施。2 0 世纪4 0 8 0 年代是世界水利工程建设的高峰期，因为这期间全 世界进入和平发展时期，各国纷纷开始设计大型调水工程计划并付诸实施，世界 上大部分调水工程都是在这一时期建立的。2 0 世纪8 0 年代后，发达国家调水工 程的建设速度显著放慢，发展中国家仍在大力建设调水工程。据不完全统计，目 前国外已有3 9 个国家建成3 4 5 项调水工程，主要集中在美国、加拿大、前苏联、 印度和巴基斯坦等国，约占世界总调水量的8 0 以上。建国以来，我国的跨流域 调水工程取得了长足发展，陆续修建了江苏江都江水北调工程、广东东深引水工 程、河北与天津的引滦工程、山东引黄济青工程及甘肃引大入秦工程等调水工程， 这些调水工程都为当地的经济、社会发展提供了水源保障。2 0 0 2 年1 2 月2 7 日 我国南水北调工程正式开工，这项目前全世界正在实施的最大规模的调水工程， 也是我国实施跨流域调水的标志性工程【5 】。 缺水根据其成因，主要可分为资源型缺水和水质型缺水，相应调水可分为因 资源型缺水而调水和因水质型缺水而调水。从已建成的国内外调水工程来看，大 多以缓解调水区资源型缺水问题为主。近年来，国外尤其是发达国家为解决资源 型缺水而新建的调水工程已经很少，而我国为解决日益严重的城市缺水问题陆续 修建了一批调水工程。据不完全统计，建国后我国已建成的1 3 项较大规模的调 水工程中有1 2 项是为解决资源型缺水问题而建，包括云南的以礼河调水工程、 广东的东深引水工程、河北与天津的引滦工程、山东的引黄济青工程、江苏的江 水北调工程、甘肃的引大入秦工程、辽宁的引碧入连工程、山西的引黄入晋工程、 河北的引黄入淀工程、引黄入卫工程、引青济秦工程、珠江“压咸补淡”应急调 水试验工程，它们的建设在解决城市供水问题上发挥了效益。如广东的东深引水 工程：为解决香港的用水紧张问题，2 0 世纪6 0 年代开始从珠江的支流东江引水 到深圳水库再通过输水管道和隧洞送水至深圳和香港。至1 9 9 8 年底，东深引水 工程累计供水1 6 0 亿m 3 ，其中向香港供水1 0 8 亿m 3 ，为香港的社会经济发展做 出了巨大贡献【弘1 1 j 。 近年来，随着我国经济的持续高速发展，因水体被污染导致水环境恶化不断 加剧，水质型缺水在我国南方丰水地区日益严重，而我国为缓解水质型缺水所进 行的调水尚不多见。据不完全统计，建国后我国己建成的较大规模的1 3 项调水 工程中只有“引江济太”调水试验工程是为缓解水质型缺水而修建的调水工程， 第一章绪论 “引江济太”调水试验工程的运行取得了良好的水质、水环境改善效果。“引江 济太 调水试验工程在增加太湖流域水量、改善太湖流域水质和水环境状况方面 发挥了重要作用。“引江济太”调水试验工程以增水为手段，通过从长江流域调 水改善太湖和河网地区水质，提高了太湖流域水资源的承载能力，初步实践了“以 动治静，以清释污，以丰补枯，改善水质”的水质目标，是解决水质型缺水的有 益尝试，得到了社会各界的广泛认可和高度评价i l 引。 从国内外已建成的调水工程来看，大都是从水资源空间配置的角度出发来缓 解受水区当地水资源量不能满足用水需求的矛盾。目前，虽然国内外对为解决单 纯的资源型缺水而进行的水量调度己经比较成熟，但是对“引江济太 调水试验 工程这样既要考虑受水区需水要求又要考虑水环境的水质型缺水而进行的水量 水质联合调度的研究尚处于起步阶段。针对我国南方丰水地区愈演愈烈的水质型 缺水问题，希望能通过调水工程的运行，加快地区河网和湖泊水体的流动，改善 区域水质和水环境【1 3 】。 1 2 2 水动力数值模拟研究进展 随着计算机技术和数值计算方法的迅速发展，水动力数值模拟己成为水利、 水运、海洋、环境等工程的重要模拟方法之一【l4 1 。水动力数学模型总体上可分为 一维、二维和三维模式。自然界中，河道或河网的水流或洪水激流运动、峡口或 潮汐通道的潮波运动、三角洲网河口的潮波顶托等由于水域狭窄，沿流向方向上 的尺度远大于其它两方向上的尺度，均可以采用一维数学模型进行模拟。1 8 7 1 年，圣维南( s a i n tv e n 锄t ) 根据b o u s s i n e s q 提出的缓变流定义而建立的非恒定流方 程( 即圣维南水力方程组) ，至今仍被工程界采用，成为一维非恒定流数值模拟的 基础。此后，众多学者围绕一维非恒定流计算做了大量的研究【1 5 。7 1 ，使一维模式 发展得相当成熟，并广泛地应用于工程实际计算中【1 8 ，1 9 1 。一维河道水动力数值模 拟分单支和河网两种情况，在模拟单支明渠一维非恒定流时，通常用的计算格式 有：蛙跳格式【2 0 j ，l a x 格式口u 及p r e i s s m a 衄格式【2 2 】等。其中，蛙跳格式和l a x 均采用显式差分，差分方程较为简单，使用方便，但稳定性和精度不够高。 p r e i s s m 砌l 采用空间平均的4 点隐式解法，并将非线性代数方程组线性化以提高 计算速度，在国内外均得到广泛应用。然而，p r e i s s m a n n 的空间平均4 点隐式格 式在理论分析和应用实践上都表明对于具有小扰动波速的河床变形计算，在小柯 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇江内江为例 朗数的情况下常出现数值扰动和虚拟振荡。对此，人们通过引入空间权重因子， 将格式改造成4 点偏心隐格式( 国际上常称g e n e r a lp r e i s s m 咖s c h e m e ) 以达到削 减数值振荡的目的，这实质上是通过引进数值权重系数增加人工阻尼效应来抑制 数值失稳。在模拟河网非恒定流时，经常采用的数值方法有：三级解法】、四级 解法f 2 4 】和组合单元解法【2 5 】等。 在海岸、河口、湖泊、大型水库等广阔水域地区，水平尺度远大于垂向尺度， 水力参数( 如流速、水深等1 在垂向方向上变化要小于水平方向上的变化，其流态 可用沿水深的平均流动量来表示，因此可采用平面二维水动力数值模拟技术。而 在另外一些水域，如窄深潮汐通道、窄深河口地区，有关参量( 如流速、温度、 含盐量、含沙量等) 的垂向变化要比水平横向的变化大，这时可采用垂向二维数 值模拟技术。2 0 世纪8 0 年代以来，二维水动力数学模型的研究得到迅猛的发展， 并被广泛地应用于河道、湖泊、河口、海湾等的流场计算【2 引、洪水预报1 2 9 _ 3 l 】、 溃坝决堤阮3 3 1 、环境工程口4 ，3 5 】等方面。二维模式的数值解法较多，可以大体分类 如下：从离散方法上分，有有限差分法、有限元法和有限体积法、特征线法、破 开算子法；从适应物理域的复杂几何形状上分，有贴体坐标变换及。坐标变换； 从时间积分上分，有显式、隐式、半隐半显格式；从网格划分上分，有矩形网格、 三角形网格、四边形网格和多边形网格；从干湿、露滩动边界的处理上分，有干 湿法、窄缝法和自适应网格模拟方法。 河口和海岸环境中的流动具有明显的空间三维特性，但由于受计算机计算能 力和计算方法的限制，2 0 世纪9 0 年代以前海岸河口潮流数学模型一般采用二维模 式。随着计算机和数值模拟技术的发展，三维模式近年来也逐步发展起来3 6 。40 1 。 尽管已有一些成功的河口三维流动数值模拟系统，但由于三维模型的结构复杂， 计算工作量巨增，要求模型必须有较高的效率，而时间步长既要受表面浅水重力 波快速传播的限制又要受垂向扩散项的制约，如何克服这一矛盾就显得非常重要 【4 ”。此外，河口大规模动边界和漫滩水流的模拟有待作进一步研究，开发基于并 行计算技术的高效、高精度的河口模型也是有待努力的方向1 4 2 1 。 1 2 3 水质模型研究进展 水质数学模型( 简称水质模型) 是水体中污染物随空间和时间迁移转化规律 的描述，是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程，即描述 第一章绪论 水体中污染物与时间、空间的定量关系。污染物质在水体中的运动变化包括平流 输移、分散作用输移、反应衰减、底泥与水体之间的相互作用、复氧等【4 引。水质 模型的建立可为河流中污染物排放与河水水质提供定量关系，从而为评价、预测 和选择污染控制方案及制定水质标准提供依据，是河流规划、管理、研究过程中 的重要工具【矧。 纵观地表水质模型的发展，可以将其分为3 个阶段【45 | ，第一阶段，2 0 世纪 2 0 年代中期7 0 年代初期，特点是：主要集中于对氧平衡的研究，也涉及一些 非耗氧物质；属于一维稳态模型，代表模型，如：1 9 2 5 年s t r e e t e r 和p h e l p s 提 出了第1 个水质模型，即河流b o d d o 模型；美国环保局( u s e p a ) 推出q u a l i 、 q u a l i i 模型【4 6 1 。该阶段可称为考虑水质项目不多的一维稳态模型阶段。 第二阶段，2 0 世纪7 0 年代初期8 0 年代中期，是水质模型的迅速发展阶段， 特点是：开始出现了多维模拟、形态模拟、多介质模拟、动态模拟等特征的多种 模型研究，代表模型有湖泊水库一维动态模型如l a k e c o 、w i 洲m s 、d y r e s m m 和河流水质模型如w a sp 【4 8 】；该阶段水质评价与标准的制定推动了形态模型 的研究与发展，如：2 0 世纪8 0 年代初，f o r s t n e r 、l a 代n c e 分别进行了重金属、 有机物的形态模拟研究4 9 】；1 9 7 9 年m a c k a y 首次提出多介质模拟逸度算法【5 0 】。 在这一阶段，模型还受到了另一个巨大的挑战：由于过剩营养物质的输入而产生 的湖泊富营养化问题。为解决这个问题，自7 0 年代以来，湖泊富营养化预测模 型的研究工作在世界各国得到了广泛开展。v o l l e n w e i d e r 和d i l l o n 【5 l j 等根据物质 平衡原理建立了著名的磷输入一输出模式，根据v 0 1 l e n w e i d e r 的方法可以求出湖 泊中磷或氮的平均浓度，然后寻找磷、氮浓度与反映藻类多少的湖水叶绿素浓度 之间的关系，从而预测出湖泊富营养化程度，这是一种较为简单的统计预测方法。 d i l l o n 【5 2 1 、s m i t h 【5 3 】都曾根据以上方法建立了相应的统计预测模型。1 9 7 5 年c h e n 【5 4 】 进行了湖泊富营养化生态学模型的研究，这是一种系统分析的方法，它把生态学 的现象和概念转变成数学语言并按由此得到的数学关系式进行运算来预测湖泊 富营养化程度，这种模型可以阐明湖泊富营养化机理，可以评估某种人为措施的 实施对富营养化状态的改变以及相应水质改善的有效程度。j ( p 唱e n s e n 【55 j 1 9 8 3 年 采用系统分析方法对丹麦的g l u s m ( p 湖的营养化问题进行了研究，根据磷在水生 生态系统中的迁移转化和浮游生物生长的动力学规律，提出了包括水、生物、底 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇江内江为例 层有关的三个营养级一浮游植物、浮游动物、鱼的湖泊生态学模型，该模型有 1 7 个参数组成，能计算浮游植物量和湖水溶解磷浓度，对浮游植物量、无机氮 和磷的模拟值与实测值较为接近，而对浮游动物的模拟则较差。n y h o l m 【5 6 】模拟 了一个富营养化浅水湖泊中浮游植物量的生长以及营养盐的循环等，取得了较好 的模拟效果。我国对湖泊富营养化预测模型的研究起步较晚，始于8 0 年代1 5 ”， 9 0 年代以后才逐步发展起来【5 s 】。 第三阶段，2 0 世纪8 0 年代中期至今，是水质模型研究的深化、完善与广泛应 用的阶段。随着河流、河口、湖泊( 水库) 模型的发展，水力学和水质问的耦 台越来越引起科学研究工作者的重视。水质模型的研究由单一组分的模型向较综 合的模型发展，目前，包括各种变量的更综合的水质模型正在研究中【5 9 】。随着对面 源控制的要求和将以前外部过程如底泥作用内在化的要求的增加，水质模型与面 源模型的对接已成为研究热剧删。此外，多种新技术方法如随机数学、模糊数学、 人工神经网络、3 s 技术等也被引入水质模型研究中 6 “3 1 。 1 2 4 泥沙数值模拟的研究进展 泥沙数学模型的研究，经历了一个从一维、二维到三维，从非耦合到耦合的 过程。一维泥沙数学模型研究计算断面的平均水力泥沙因素及河段的平均冲淤厚 度的沿程变化及因时变化情况，自五十年代开始，至今已得到了相当的发展畔】， 提出了许多模式，得到了广泛的应用。特别是近年来随着计算机和计算技术的发 展，一维模型更显示出周期短、费用低的巨大优势。我国在三峡工程泥沙问题的 研究中，就曾运用一维模型分别对坝上、坝下游进行长河段、长系列、多方案变 形计算删。此外，由于实际问题的需要，近年来还利用一维模型对水库异重流、 引航道往复流、异重流和回流淤积进行了计算帆6 朗，取得了初步成果。 一维模型只能模拟断面各水沙要素的总体平均值，不能给出水沙各要素的沿 河宽分布，而大量的生产实际问题要求了解河道细部的水流结构及河床变化情 况，需建立平面二维水沙数学模型来解决泥沙运动和河床变形在平面上的分布问 题。 近年来，众多学者进行了二维泥沙数学模型研究，1 9 8 8 年林秉南等以悬沙输 移为主的杭州湾为对象，研究了不平衡输沙条件下的强混合型河口的悬移质含沙 量及河床变形的二维数值模拟，计算的含沙量与实测吻合，对5 个潮的河床计算 6 第一章绪论 结果在定性上与1 9 7 2 1 9 8 2 年期间的河床冲淤变化位置基本相符。1 9 8 8 年张世奇 应用不平衡输沙原理，水流和泥沙方程采用a d i 法处理，并应用连续动边界技术， 建立了二维冲淤计算模型，计算域主要为低高潮线间的非天然的变动水域，内有 滩地、引潮沟、挡潮闸等，地形复杂，计算结果同物理模型试验结果一致。1 9 8 9 年李义天对平面二维泥沙数学模型进行了较系统的研究，建立了计算量及贮存量 较小的平面二维泥沙数学模型，考虑了平面二维阻力、挟沙力、分组挟沙力等问 题。1 9 9 0 年赵棣华等给出了一个水平二维悬移质计算模型，对现有的输沙方程作 了改进，应用长江口南支河段的实测资料进行率定及验证。张世奇1 9 9 0 年结合黄 河口的实际情况，建立了二维动边界冲淤计算模型，除考虑潮汐、径流及风的影 响外，还同时考虑絮凝作用，利用此模型计算了多种水沙及风力条件下的输沙及 冲淤变形，并对长时期的冲淤变形进行了系列积累计算。 1 9 9 0 年王尚毅、顾元楼等以冲积河流动力学规律为基础，针对河口动力因素 的特点，提出解决河口泥沙工程问题的数学模型的理论体系和各种计算模式。 1 9 9 1 年张东生等针对淤泥质河口的细颗粒泥沙以潮流输送为主的特点，建立了灌 河口的沿深平均二维潮流不平衡悬沙输送数学模型。模型采用不均匀网格离散， 并引入动边界技术。周建军利用不平衡输沙模式建立起了一套泥沙冲淤数学模 型，对恢复饱和系数0 【、可冲刷厚度、河岸侧向冲刷以及浓度对流计算格式都进 行了一定的研究和改进。张华庆基于拟合坐标下平面二维水流方程、悬移质不平 衡输移方程、推移质输移方程及床沙级配调整方程建立了二维全沙数学模型，采 用正交曲线网格贴合河道边界，将复杂水域问题的求解转变成规则域上问题的求 解，对水流、悬沙方程采用a d i 方法求解，在模型中引入了动边界技术，模型具 有对河道、海岸复杂地形适应性强、稳定性好及节省机时等特点。 吴伟明1 9 9 5 年提出了在特定定义下的流函数涡量法表示的平面二维水流基 本方程式，进而建立了平面二维水沙数学模型，对计算方法、有关水流泥沙物理 参数的确定等问题进行了初步探讨，利用葛洲坝坝区实测资料对模型进行了验 证。郭庆超利用控制体积法对沿水深平均的二维水流及泥沙微分方程进行离散， 建立了二维潮流泥沙数学模型。用三对角矩阵法( t d m a ) 和线线逐次近似法求解 离散方程。建立的数学模型具有较强的普遍适用性，可用于各种非恒定流和泥沙 的平面二维计算。黄金池针对冲积河流河床演变速度快、边界调整幅度大的特点， 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇江内江为例 采用积分方法数值求解水流泥沙基本方程，建立了适合于多沙河流泥沙及河床演 变规律的二维数学模型，在数值方法方面考虑了物质守恒性及对多变边界的适应 性，采用了比较简单的动边界处理模式。李瑞杰采用潮流作用下不平衡方程式、 挟沙能力公式和起动流速公式，建立了潮流作用下河口悬沙运动二维数学模型， 在对二维悬沙不平衡输沙方程和海底变形方程进行离散时直接采用显式迎风格 式，得到了较好的结果。陈界仁根据水库的水沙运动特点及库区地形条件，考虑 悬移质和推移质运动，建立了二维水流泥沙数学模型。模型中，复杂的不规则边 界用拉普拉斯方程和代数法结合自动生成网格，流场用拟牛顿迭代求解，辅之以 b m y d e n 迭代和线型搜索，节省了存贮空间，提高了求解效率。悬沙运动方程分 解成对流和扩散两部分，对流项用逆特征线求解，扩散项用有限元求解，采用混 合层概念考虑床沙组成变化。余明辉基于三角形网格划分，从平面二维水流泥沙 的基本方程及基础理论出发，针对方程的基本特性采用剖开算子方法，将水流运 动方程及悬移质扩散方程剖分成对流、扩散及传播三部分并提出了各自相应的计 算方法，连续方程采用有限体积法进行计算，保证了水量的守恒，泥沙计算中采 用平面二维非均匀沙水流挟沙力公式，并着重对河床冲刷过程中悬移质含沙量、 级配，床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析。曹振轶针对长江口水流泥沙 运动的特点建立了非均匀悬沙的平面二维数值模型。在模型中考虑了波浪对流场 的影响和对水流挟沙力的影响。悬沙输运方程采用破开算子方法求解，平流项采 用u l t i m a t eq u i c k e s t 格式求解，提高了计算的精度。通过实测资料对模型计算的 悬沙含量进行检验，表明它较好地反应了长江口地区泥沙的运动规律。张杰给出 了边界层坐标系下平面二维河床冲淤计算数学模型方程，模型控制方程及定解条 件采用有限体积法进行离散，数值求解基于s i m p u ! 算法，用武汉河段天然实测 资料对模型进行了验证。目前，二维泥沙数学模型已广泛地应用于实际工程中 1 6 9 ，7 0 1 。 在三维泥沙模拟中，由于参数确定比较困难，三维泥沙模型还很难适用于近 岸区大范围的泥沙研究f 7 】。近几年来，国内外学者对三维泥沙模型进行了一些研 究【7 ”4 】，但目前泥沙运动基本理论的研究仍不成熟，有许多问题有待进步研究， 且三维泥沙数学模型结构复杂，计算工作量大，不易进行研究和应用。因此，加 强泥沙基本理论研究，不断完善与推广三维泥沙模型是泥沙工作者今后致力于研 第一章绪论 究的一个重要方向。 1 3 研究区域概况 镇江是长江三角洲典型的滨江城市，位于长江与京杭运河两条黄金水道交汇 处，是一座集工业、港口、旅游为一体的城市，也是国务院命名的历史文化名城。 镇江城市最大的水体是内江。内江与长江联通，处于城市主要河流古运河的上游， 为古运河提供源水，同时，内江又是运粮河、虹桥港、试办引河的受纳水体，如 图1 3 1 所示。 妒_ 戚雾誊苛内气蒜爹。? 用 ! 。j + + ：纂爹爹。，一“：! + 釜：? ；： 。鍪鍪7 奠一。“气攀戮j 豢j _ j ，。誊、 _ ii ：| | 1 0 磐鎏羹霪雾：| i _ | ；| 蛰。“ 二遥辍癌流赢未v ，- i 笺：毒爹喜鞘流域 。 、， 。，一j 二。l ，! 雾淹i ，! i ，“i 是“。 。”嚣 ? 鬟婺一， 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇江内江为倒 8 0 9 0 区域基底高程达到1 _ 0 m 以上，而高程2 o m 以上的区域占到一半左右。 这些区域在大约半年的时间内，基本上处于水面以上的状态。枯水期内江水交换 的急剧减少是枯水期水质恶化的重要原因。 同时，镇江内江由于潮位变化较大、水体泥沙含量高、水质混浊、污染负荷 高，造成生态系统结构退化严重、功能残缺不全。 因此，镇江内江愈来愈严重的水环境问题制约着城市的社会、经济发展和人 民生活质量的提高，必须针对其展开以水质改善及泥沙控制为基础的水环境综合 治理研究。 1 4 本文主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 镇江内江通过引航道与长江联通，因此水环境受长江来水水质的影响较大， 为了能够维持内江水量一水质一泥沙平衡，保证内江水环境的健康与可持续利用， 需要通过工程措施和调度技术控制长江进入内江的水量和含沙量。 本文建立了内江二维水量水质耦合模型，并对参数进行了率定；基于所建 模型，对内江不同布局方案下的引水工程的污染物迁移扩散及泥沙输运过程进行 了模拟计算，根据计算所得的引水后内江的水质改善状况、引航道的水流特性、 泥沙沉降规律及社会经济效益得出最优的工程布局方案。 论文的主要研究内容包括以下五个方面： ( 1 ) 建立了内江水动力数学模型，并根据实测资料对模型参数进行了率定。 ( 2 ) 建立了内江水质数学模型，并根据实测资料对模型参数进行了率定。 ( 3 ) 建立了内江泥沙运动数学模型，并根据实测资料对模型参数进行了率定。 ( 3 ) 利用建立的水流一水质一泥沙数学模型，对不同的引水工程方案下，内江 水环境的改善效果进行模拟计算，并分析得出最优引水工程方案。 ( 4 ) 在最优引水工程方案的基础上，利用建立的水流水质一泥沙数学模型， 对不同物理沉沙区的工程布局下，内江水环境的改善效果进行模拟计算，并分析 得出最优物理沉沙区布局方案，并对其沉沙效应进行评估。 1 4 2 技术路线 参看国内外在水环境治理和水环境数学模型应用方面的成果，充分借鉴和利 用已有的研究成果和经验，本论文的技术路线如图l - 4 2 ： 第一章绪论 图1 4 2 论文技术路线图 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇扛内江为例 第二章内江水环境数学模型建立 2 1 内江水动力数学模型建立 2 1 1 基本方程 一维线水力程口j 农还为： 丝+ 型+ 型：o 西彘 劫 掣+ 垫安型+ 掣：幽) + 蜘+ 怛 ( 2 1 1 - 1 ) 西砒却4 掣十掣+ 盘每删：幽印嘞) 一枷+ 嵋 文 氛却 3 ”。 式中 ， = 壁；叵= 学 ，为 x向的摩阻底坡 ； 旷譬：穹乒，为，向的摩阻臌一鲁，为工向的河底 底坡；：一警，为y 向的河底底坡； 删 e = 去印批再， 为摩擦力在x 方向上的分量， e = 去成匕。彳可，为摩擦力在y 方向上的分量，风应力就是通过只、。 而起作用；p 、几分别为水和空气的密度；厅为水深；c 。为风拖曳系数；“。、 屹分别为风速在x 、j ，方向上的分量；甜、v 分别为x 、y 方向垂线平均水平流 速分量；g 为重力加速度；，为科氏参数。 2 1 。2 数值解法 二维浅水方程可以统一写成如下矢量形式： 塾掣十掣：6 ( 叮) ( 2 1 2 - 1 ) 西蠡a p 式中，g = 陋，砌， v 】为守恒物理量； 第二章内江水环境数学模型建立 厂( g ) = k 甜，办甜2 + 的2 2 ，厶甜v r ； g ( g ) = 陆v ，办办v 2 + 咖2 2 】7 ； 6 0 ) = o ，咖p 。，一) + 蜘+ 办t ，咖 。y 一) 一枷+ 乃】r ； 厂( g ) 为z 向通量；g ( g ) 为y 向通量；6 0 ) 为源汇项。 定义矩阵f ( g ) = l 厂( g ) ，g 矿，在任意形状的单元q 上对方程2 1 2 1 积分。利 用散度定理，可得有限体积法的基本公式： n = 一，( g ) 蒯+ f 6 ( g 跏 ( 2 1 2 - 2 ) 式中：，z 为单元边界讹的单位外法向量；如及讲为面积分及线积分的微 元。f ( g ) ，z 为，2 方向的通量，记为厶( g ) 。对于一阶精度离散，在每单元中g 是 以常数近似( 即假设单元内的g 为定值) ，因此利用散度定理，上式的左项及右边 第二项可写成彳害及么6 q ) ，彳为q 的面积。这样离散后的2 1 2 - 2 式可写为： 彳鲁一善舶灿 ( 2 1 2 - 3 ) 式中为单元第_ 边的长度，对控制体f ，可写出显式f 方程为： w “叫r 悻舶肌叫 仁心q = 1 式2 1 2 4 左边表示控制体内守恒变量在血时段内的变化，右边第一项表示 沿各边法向输出的通量之和，第二项表示控制体内源汇项在出时段内的作用。 2 1 3 边界条件 模型设有三种不同形态的边界，分别为陆地边界、开边界及内边界。这三种 边界条件均可使用在单元体的任一交界面上。 2 1 3 1 陆地边界 又称为闭边界。在两单元体间的交界面若为陆地边界，表示两单元间不会有 水流通过。可表示为： “月= 一甜l办月2 办l 2 1 3 2 开边界 当单元体任一边界属于这种边界时，此时根据o s h e r 数值方法，g l 可由区 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇江内江为倒 域内的已知解确定。孙即边界点的未知解，可根据局部流态( 亚临界流或临界流) 选择输出的关系式，并利用给定的物理边界条件加以确定。在亚临界流时有三种 可能的物理边界条件如下： 给定水位k k 为己知的水位值，根据 。+ 2 曲r = 魄+ 2 g 吃 得= 叱+ 2 后( i 一丙，= v 。 给定单宽流量绋 求解方程组k 吡曼蒜一周 得到相应的k 和“。值，v 。= v 上。 给定边界处的水位流量关系 己知边界处的水位流量关系绋= 厂( ) 求解方程组k 曼群一同 得到相应的和值，v 。= 叱。 对于超临界流的边界条件，不论是水位、流量或水位流量关系，必须同时给 定在入流边界处。 2 1 3 t 3 内边界 计算域内有时会存在水工建筑物，如堰、闸、堤、桥墩和涵洞等。当单元边 界与之相重合时，单元边上的法向数值通量的计算就属于内边界问题。对物理边 界上法向通量的计算要根据各种物理边界类型的不同区别对待。 当计算域中存在随洪水或潮流涨落变化的陆地动边界时，假设在有水区域之 外的干床区域存在一个极薄的水层，这就将一个动边界问题变为固定边界问题来 处理。但应强调指出，正是由于本模型所用格式具有的无振荡性可保证数值解在 小水深( 可取一很小的数值，如1 或0 ，l c m ) 情况下不会出现负水深而导致计算失 稳。 2 1 4 模型验证 计算区域为监测时的内江实际水域。应用g a m b i t 自动前处理软件生成无结 第二章内江水环境数学模型建立 构四边形网格，共2 6 4 2 个单元，2 8 8 0 个节点，见图2 1 4 1 。底高程根据2 0 0 4 年4 月实测的内江水下地形插值得出。 图2 1 4 1 内江网格图 以两次监测的内江初始水位、流速为初始条件，将数模计算结果与2 0 0 4 年 4 月及8 月的监测结果进行率定，监测点位置图如图2 1 4 2 所示。 图2 1 4 2 监测断面及监测点位置 糙率系数，2 根据地形取为0 0 2 o 0 8 ，其中深泓区为0 0 2 5 ，浅滩区由于有 水生植物的滞流作用，糙率取为0 0 8 ；紊动粘性系数取为o 2 m 2 s ，风拖曳系数 取为c d = 1 0 1 0 。水位流量实测值与计算值的对比及流速实测与计算值的对 比见图2 1 4 3 至图2 1 4 4 。 滨江水体水质改善、泥沙控制工程方案比选研究以镇江内江为例 3 2 5 2 曼 捌1 5 * l 0 5 0 5 4 三3 姜z 】 0 = g 岫 堰 航道i m 位n 程镕( 硎年4 月2 1 4 月笠日 0 ：0 01 3 ：0 01 6 ：0 81 9 ：0 02 2 0 0】：4 ：0 07 ：0 0 时间 w 航道上断面东位过程线雠s 目1 s 日- g 月】9 日) 1 0 ：0 01 3 ：0 0 】6 ：o o 】9 ：o o2 2 ：0 01 ：0 04 ：0 0 7 ：d 0 时间 焦南闸断面流量过程线( 2 0 0 4 年4 月2 1 日4 月笠日) 3 25 2 曼 g l5 * l 0 r5 0 = g 一 删 娼 运糖河断面水位过程线0 0 0 4 年4 月2 1 日4 月笠日) 0 ：0 01 3 ：0 0j 60 01 9 ：0 02 2 ：0 0 】：4 ：d 0 7 ： 时间 运柱搏斯面本位进程线0 辉g 月1 8 b 朝】9 b ) 0 ：0 01 3 ：0 01 6 o o1 9 ：0 0 2 2 ：0 0 l0 04 ：0 0 7 ：0 0 时问 焦南闸断面流量过程线( 2 0 时年8 月1 8 日明1 9 日) 一l 0 一1 2 0 0 图2 1 4 3 水位、流量验证 1 6 一 时间 o o哥一谢， o 鲫咖黼枷。黜栅啪锄 啪枷枷瑚。啪瑚瑚伽 o 8 0 7 0 6 量0 e 痞o 耀0 o 2 o 1 0 第二章内江水环境数学模型建立 1 3 弼d 点流速过程线( 加0 俾4 月2 1 日4 月2 2 日) 1 0 ：o o1 3 ：0 01 6 ：0 01 9 ：0 0 2 2 ：o o1 ：o o4 ：0 07 ：o o 时间 l 硝测点流速过程线( 2 0 0 响三4 月2 1 日_ 4 月2 2 日) 时问 l 硝测点流速过程线( 2 0 0 4 年4 月2 1 日- 4 月2 2 日) 1 0 ：0 01 3 ：0 01 6 ：0 01 9 ：o o 2 2 ：0 0l ：o o4 ：o o7 ：0 0 时间 1 钾测点流速过程线( 加0 4 年4 月2 1 日4 月2 2 日) 1 0 ：0 01 3 ：0 01 6 ：0 01 9 ：o o2 2 ：o o1 ：o o4 ：0 07 ：0 0 时间 0 - 0 1 1 o 8 0 7 0 6 之0 5 三0 4 饕o 。 o 2 0 1 0 0 8 0 7 0 6 之o 5 三0 4 枣。 0 2 o 1 o 1 o 8 o 6 誊4 0 2 o 】7 删测点流速过程线( 2