（水力学及河流动力学专业论文）河流水库出流对水库水环境容量的影响研究.pdf

摘要 摘要 随着水利事业的迅速发展，水库的环境问题日益引人关注。本论文以上海市 陈行水库为研究对象，通过改变出水口的宽度应用流体计算软件计算了与不同出 流宽度相对应的水库流场，然后利用得到的流场数据导入水质计算软件，计算出 在不同下泄出流情况下的水库污染物浓度分布。根据水库的流场和浓度场分布计 算水库在不同的出流情况下的水环境容量值，得出水口宽度，下泄流量和水库水 环境容量三者之间的关系，并根据三者之间的关系绘制了相关的图表，对图表进 行了分析说明。 本文主要分为以下几部分： 第一部分：阐述了本文的研究背景，指出了本文的主要研究内容； 第二部分：针对研究对象的实际情况建立了相关的数学模型； 第三部分：对水库进行网格划分并进行了流场的计算； 第四部分：利用水质计算软件对水库的污染物浓度分布进行了计算； 第五部分：介绍了环境容量的相关计算方法并对水库在不同出流情况下的环 境容量进行了计算； 第六部分：对研究成果进行综合分析，同时对于此研究进行了总结和展望。 关键词：下泄流量；c f d ；控制方程；有限体积法；水环境容量； a b s t ra c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw a t e rc o n s e r v a n c y ，r e s e r v o i re n v i r o n m e n ti s s u e s i sc o n c e m e di n c r e a s i n g l y t 1 1 i sp a p e rs h a n g h a ic h e n h a n gr e s e r v o i ra st h er e s e a r c h o b j e c t ， u s et h ec f ds o f t w a r ec a l c u l a t et h ef l o wb yc h a n g i n gt h ew i d t ho ft h eo u t l e t a n dt h e ni m p o r tt h ef l o wd a t at ot h ec a l c u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t w a s p 7w h i c hi sd e s i g n e db yu n i t e ds t a t e se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c ya n d c a l c u l a t et h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n si nd i f f e r e n to u t f l o wd i s c h a r g e df r o mt h e r e s e r v o i r ，t h e nc a l c u l a t et h ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y a c c o r d i n gt o t h er e s e r v o i rf l o wa n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fr e s e r v o i r f l o w ，a tl a s ta n a l y s et h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h eo u t f l o wa n dt h ew i d t hd i s c h a r g e d v o l u m eo fr e s e r v o i rw a t e re n v i r o n m e n ta n dt h ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yb y d r a w i n gt h er e l e v a n tp i c t u r e sa n dc h a r t s ，t h a tc a nb ec a r r i e do u ta f t e rt h er e s e r v o i r w a t e re n v i r o n m e n t r e l a t e dr e s e a r c hw o r k e r st op r o v i d er e l i a b l eb a s i s 刀 i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gp a r t s ： p a r ti ：d e s c r i b et h eb a c k g r o u n do ft h i ss t u d ya n dp o i n to u tt h em a i nc o n t e n t so f t h es t u d y ； p a r ti i ：e s t a b l i s ht h er e l e v a n tm a t h e m a t i c a lm o d e la c c o r dt ot h ea c t u a l s i t u a t i o n ； p a r ti i i ：d r a wt h em e s ho ft h er e s e r v o i ra n du s et h ef l u e n ts o f t w a r et oc a l c u l a t e t h ef l o wf i e l d ； p a r ti v ：c a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n so ft h er e s e r v o i r ； p a r tv ：c a l c u l a t et h ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ft h er e s e r v o i r ； p a r tv i ：a n a l y s et h er e l a t i o n so ft h et h r e e ，a n da g g r e g a t et h es t u d y k e y w o r d s ：d i s c h a r g e dv o l u m e ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ；c o n t r o l l e d e q u a t i o n ；f i n i t ev o l u m es c h e m e ；w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名弘纪咩 日期：力吖年么月g 一日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：j 詹尼娜 指导教师签名： 日期：驯年彭月汐日 同 瀚多刀湃午其移日 第一章绪论 第一章绪论弟一早 珀下匕 1 1 研究背景及研究意义 1 1 1 研究背景 由于水资源的可持续利用性，开发利用水能资源已成为当今社会的重要研究 课题。目前，水利工程是水资源开发和利用的主要形式，表现为大坝及水电站的 修建。一方面通过修建大坝蓄水来调节原河川径流的水资源，在洪水期蓄水防洪， 枯水期利用蓄水来调节生活生产用水，此外还可以利用水能发电即利用水的势能 转化为动能，通过修建大坝和发电站，利用水坝隔断河川径流的上下游制造出高 水位n ，利用高水位的水势能进行发电。 水库的修建将会促进原河川径流周边地区人民的生产生活发展，当然也将改 变原河川径流的自然属性，原河川径流的连续性将会受到破坏，在局部可能形成 水体的封闭性和非流动性，出现死水特征。而水体的自净主要是通过自身的流动 和复杂流场物理化学过程来完成的b 1 ，因此天然河道流动特性的这一改变将会直 接影响其水体的自净能力下降，使天然河道环境容量降低，尤其是在水库库区， 会出现水环境的恶化，加之周边地区经济的发展，工业生活污染物大量排放迸一 步给水库自身以及其周边的生态环境带了极其严重的影响瞳1 。 在中国水资源公报2 0 0 3 年进行评价的3 0 8 座水库中，水质优良( 优于和 符合i 类水) 的水库有2 3 0 座，占评价水库总数的7 5 ；水质未达n i i i 类水的水 库有7 8 座，占评价水库总数的2 5 ，其中水质为劣v 类水的水库有2 l 座水库。 主要超标项目为总磷、总氮和高锰酸盐指数。对2 2 6 座水库的营养状态评价，三 分之二的水库处于中营养状态，三分之一的水库处于富营养状态h 1 。因此，对于 水库水环境的研究已经成为一个刻不容缓的重要课题。 水库的修建，形成了一种特殊的流场，即胃形流场，它与天然湖泊流场的物 理形态相似，但是又有其自身的特点：第一，较天然湖泊，由于是人工修建，所 以物理形态比较规则；第二，即使在蓄水过程也有对下游的放水，保证了库中水 体的流动性，且这种流动性要大于湖泊流场，湖泊流场水体流速缓慢，较多区域 是封闭性和非流动性的1 。 在形态上为了大面积蓄水河流水库有天然湖泊流场的特点，同时为了保证下 游供水，又要向下游泄水，向下游的泄水量决定了河流水库水位变化，也改变了 河流水库中水体的流场，水位及流场的改变就会影响水库水体中污染物的迁移转 化规律，也将改变水库水体的环境容量，因此水库的下泄流量与水库水体的环境 容量就有了必然的联系。更重要的是水库实际上是可以通过人为操作改变其流场 第一章绪论 的水体，因为水库的下泄流量是通过人们进行水库调度的过程来控制的，这样就 可以通过对水库下泄流量的控制来对水库水环境容量进行调控。使水库水体在最 大程度上既满足生产生活需要又满足环境需求。 1 1 2 研究意义 本论文以水库的下泄流量与水库水环境容量作为研究的两个指标，利用数学 模型对下泄流量对水库流场有什么影响，以及对水库水体污染物的迁移转化有什 么影响，找出下泄流量与水库环境容量的数值关系，确定下泄流量对水库环境的 影响规律。 通过本课题的研究可以了解数学模型研究环境问题的重要意义。同时揭示使 用c f d 软件与环境计算软件相结合来解决水环境问题的优越性，既可以得到准确 的流场计算结果，同时又可以利用得到的流场计算结果使用水质计算软件对水环 境的污染物的迁移扩散进行很准确的分析计算。在进行环境容量计算的时候采用 段首控制法对水环境容量进行计算，可以弄清段首控制法在进行一维水环境容量 计算的优越性和简易性。此外通过本次课题可以弄清水库这种胃形的新型流场的 特点，也可以发现在这种新形流场中污染物的迁移转化规律，更重要的是可以弄 清作为水库上下游水体置换，保持原天然河道水体连续性的重要因素水库下泄流 量对于水库水力特性的影响和它对水库环境的影响规律。 1 2 国内外研究现状 随着水利工程建设事业的发展，水利工程引起的环境问题越来越多的问题需 要人们去认识、研究和解决。作为解决这些问题的重要手段建立数学模型己广泛 应用于河流海岸湖泊水库的环境问题模拟中，在相关的研究规划设计等环节发挥 着巨大的作用，已经成为工程优化设计的一个有效手段，得到工程技术人员的认 可。数学模型结合物理模型在水环境等方面的研究也越来越多。随着数值求解方 法和数字计算技术的快速发展，越来越多的水系统，包括河流、湖泊、水库、海 岸地区的水环境问题，都采用数值模拟结合物理模型来研究和设计。近年来，科 学家和工程师开发许多新的数值计算模型，同时通过大量实践和实验研究，人们 已经认识和掌握了很多有关水利工程水环境的自然现象和规律，提出了一套成熟 的建立相关物理模型的设计和计算方法归1 。 环境容量的概念首先是由日本学者提出来的。6 0 年代末，日本为改善水和大 气环境量况，提出污染排放总量控制问题。欧美国家的学者较少使用环境容量这 一术语，而是用同化容量、最大容许纳污量和水体容许排污水平等概念。中国对 环境容量的研究开始于上世纪7 0 年代，其发展大致经历了下列三个阶段：8 0 年 2 一 第一章绪论 代初，主要结合环境质量评价等项目进行研究，研究集中在水污染自净规律、水 质模型、水质排放标准制定的数学方法上，从不同角度提出和应用了水环境容量 的概念；“六五 攻关期问，一部分高校和科研机构联合攻关，把水环境容量理 论同水污染控制规划相结合，出现了一批有实效的成果，初步显示了水环境容量 理论与实际相结合的威力，这一时期的研究对污染物在水体中的物理、化学行为 进行了比较深入、系统的探讨；“七五国家环保科技攻关研究把水环境容量理 论推向系统化、实用化的新阶段，1 9 8 5 年以来，随着中国环保事业的发展，全国 一些重点城市和地区相继提出了城市综合整治规划、水污染综合防治规划、污染 物总量控制规划以及水环境功能区划，为环境容量理论研究和实际应用提供了广 阔的天地u0 。 前人所做的研究主要集中在水质模型、水环境容量的理论研究以及局部流域 或河段的环境容量。 环境容量是反映在特定功能条件下环境的纳污能力，它是环境管理中的一 个重要参数，是进行污染物总量控制的关键参数，而影响它的因素有很多，对河 流水库而言，包括水库水位、水温、风向风力等等，对于这些影响因素，到目前 为止，国内外都进行了大量的研究，也产生了很多在不同周边条件水环境容量的 计算方法，水环境容量的计算包括稀释容量和自净容量的计算，对于稀释容量的 计算方法已经有了公认的计算方法，而自净容量的计算也不断地改进，为以后的 研究提供了比较精确的方法。 另外，对于不同流场也产生了针对不同流场的水环境容量计算方法，其中既 包括稳态水体的水环境容量计算方法也包括了关于感潮河段的水环境容量的计算 方法。有分河段的累计算法n 2 1 也包括对于一整体水环境的环境容量的直接计算方 法。在具体的计算方法上，基于一维稳态水环境容量计算就有段首控制、段末控 制、功能区段段末控制等多种方法n 引。 由美国环保局暴露评价模型中心开发和维护的w a s p 模型袭用是代表性的水质 模型之一n4 j 。w a s p 模型系统是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域 的一系列水质问题而设计的动态的多箱式模型n 射。w a s p 模型系统被广泛地用于水 质预测，在国际上，a m b r o s e n 6 1 7 l u n g n 8 1 叩等；在国内，张祥志啪1 、周东风口幻 等、夏军乜2 1 等、廖振良盥3 1 等、贾海峰乜4 1 等都成功应w a s p 模型系统解决了实际环境 问题。 由于水利工程不同，水体流场出现了多样化，对于水库而言，水体流场的相 关研究很多，影响水库水体流场的因素包括温度、风、水位等，很多研究者对于 这些因素都进行了综合性的研究，也得出了很多有价值的研究结果，以利于对水 库流场的认识，为以后的研究提供了很多可靠的依据。 3 一 第一章绪论 影响水库流场和水库水环境的因素很多也很复杂，目前，研究者在进行研究 时仅局限于水库库内水体的特性，而对不同的水库来说，由于水体特性的不同也 有不同的结果，现行的研究基本上都是以某一特定的水库为研究对象，然后分析 水库水位及水温等对水库环境容量的影响，进而得出结果。此结果具有较大的局 限性，没有与水库的下泄流量联系起来，仅能对此水库现状进行说明，在解决方 案上也很笼统，起不到决定性的作用，降低了研究的应用价值。 1 3 研究目标及研究内容 1 3 1 不同下泄流量的河流水库水动力模型研究 确定数学模型中需要模拟的研究区域，作出简化假定和近似，忽略非本质的 物理过程。采用数学模型表达理想和简化的物理系统。建立控制微分方程的边界 条件和初始条件，在本项目的处理中，下泄流量仍然作为初始条件，在计算中只 是改变初始条件。用适当的数值方法将数学模型转变为一个数值模型。利用c f d 计算软件对水库的流场进行计算。得出水库在不同出流宽度下的流场。 1 3 2 河流水库水环境污染物浓度场分析计算 将水力计算软件凹1 计算得到的流场数据结果还原为实际情况的大小，并将具 有代表性的结点的相关数据，如流量等连接水质模型系统，以c o d 妇作为污染物研 究指标，利用环境计算软件口8 1 对其迁移转化进行计算，得出在不同出流宽度下 的水库的具有代表性的结点的浓度以及水库的浓度场。 1 3 3 河流水库水环境容量研究计算 将水库概化为1 2 个网格区间，将流场转换为一维，结合浓度场对每个网格区 间利用段首控制法对其环境容量进行计算，然后将每个网格的环境容量进行迭加 得到整个水库区域的环境容量，分析比较在不同出流情况下环境容量的变化情况， 得到其变化规律。 1 4 研究关键及技术路线 1 4 1 技术关键 本课题拟解决的关键技术问题，也是本课题的研究难点 由于水库的出流不能进行准确地控制也就是难以人为地让水库以以一恒定 的流速或者流量进行泄水，所以本研究以调节水库的出水宽度的方式来对出流进 4 一 第一章绪论 行间接地调控，一方面既符合实际情况中以闸门来控制出流，另一方面也便于计 算。 在建模过程中一些重要过程的模拟有一定难度，一些水力参数和环境参数 不能在数学模型中直接模拟，所以在进行水环境容量的计算时，要选取合适的参 数以便进行数学模型的计算。 数学模型采用二维，不能完全模拟出水库在深度上的情况，在结果上自然 也会出现误差，在选择研究对象时特别选择水深和平面比例相差较大的，这样在 垂直方向上的情况就可以被简化。 在计算水环境容量时，需要选取各个网格的环境容量进行叠加，而对于每 一个网格中的水力参数或者环境参数都要求准确和同步。另一方面，水环境模型 计算采用二维，但是在进行水环境容量计算时使用一维计算方法，所以需要将每 个计算节点的速度进行分解计算，并将计算域拆分为能够进行一维计算的通道形 式。 1 4 2 技术路线 本项目采用c f d 计算模型四1 与水环境水质模型口8 3 结合的研究方法，以河流水 库为研究对象，改变水库的闸门开口从而改变下泄流量，计算针对与各确定下泄 流量的水库水环境容量。 河流水库网格概化； 建立水力数学模型； 计算各网格区域的水力参数，如流速流量； 根据求得的流量利用w a s p 计算水环境的浓度分布； 利用段首控制法对水环境容量进行计算： 改变闸门开口宽度出流重复计算相应的水环境容量； 分析出流，闸门开启宽度和水库水环境容量的关系。 1 4 3 创新点 水库出流与水库水环境 水库水体的流动规律是影响水库水体中污染物迁移转化规律的重要因素，也 是影响水库水环境的重要因素，而影响水库水体流动规律的因素包括：纵向的温 度差、水体表面的风向及风力、入库流量、库底地形等，对于这些因素的研究也 很多。但是对于影响水库流场的另一重要因素水库的出流却没有，本论文以水 库的出流作为条件研究了水库流场的变化，在处理技术上，由于水库的出流人为 是很难进行控制的，所以本论文采用了调节水库出流宽度的处理方案来改变水库 的出流，研究在不同出流宽度下，水库的不同出流和水库的流场变化规律，进一 5 一 第一章绪论 步研究了水库出流对水库水环境的影响。 以水力计算软件对水库流场的计算结果作为水质计算的基础数据 在进行水质计算的时候，一般情况，水质计算软件都是连接其自带的d y n h y d 5 水动力模型的计算结果进行水质计算，但是d y n h y d 5 水动力模型的计算精度不高， 往往影响水质计算的精确度，本论文使用计算精度很高的c f d 专业流体计算软件 计算的水库流场的数据结果作为水质计算的水动力参数，提高了水质计算的精度。 将二维区域概化为若干功能区计算环境容量 在环境容量的计算方法上，对于水库都是直接使用整个水库的平均浓度然后 结合整个水库的入流和出流对环境容量进行计算，本论文将水库的平面二维计算 域划分为若干功能区，对每个功能区断面采用一维段首计算方法进行环境容量计 算，然后将各功能区段的环境容量迭加得到整个二维空间的水环境容量。这样在 方法上既简便又提高了计算精度。 1 5 本章小结 介绍了本论文的研究背景和研究意义，同时说明了了本论文的研究目标和研 究内容，并根据研究目标和研究内容详细介绍了主要的研究方法和所采用的技术 路线，在最后对本论文的三个创新点进行了详细的说明。 6 一 第二章模型建立 第二章模型建立 2 1 水库介绍 2 1 1 水库概述 水库是指在山沟或河流的狭口处建造拦河拦河坝形成的人工湖泊。水库建成 后，可起防洪、蓄水灌溉、供水、发电、养鱼等作用口。由此可见水库是人工建成 的一种大型的综合性的人们对自然水域进行控制或者调节的建筑系统。水库根据 其所在河道流量以及其自身所能蓄供水的能力，按照国家的规定可以进行划分如 表2 1 所示： 表2 1国内水库等级划分 7 一 工程水库防洪治涝灌溉供水水电站 总库容 城镇及工 保护农田治涝面积 灌溉面城镇及t装机 等别工程规模 矿企业的 积( 万 矿企业的容量 ( 1 0 8 m 3 )( 万亩)( 万亩) 重要性 亩) 重要性 ( 1 0 4 l c w ) i 大( 1 ) 型 1 0 特别重要 5 0 02 0 01 5 0 特别重要 1 2 0 i i 大( 2 ) 型 1 0 1 0重要5 0 0 1 0 02 0 0 6 01 5 0 5 0重要1 2 0 3 0 r j l型1 0 0 1巾等1 0 0 3 06 0 1 55 0 5中等3 0 5 小( 1 ) 型 0 1 0 o 0 l一般3 0 51 5 35 0 5一般 5 1 v 小( 2 ) 型 0 0 l 0 0 0 1 530 51 既然是建筑系统，水库自然是由很复杂的各个小型的建筑组合而成，这其中 就包括了挡水建筑物，也就是大坝，这是形成水库的重要建筑，作为一个用来进 行蓄供水的水库，自然还需要一个泄水的建筑，也就是水库的泄水口，而泄水口 泄流需要另外一个水库重要的组成部分来控制，也就是水闸，根据水闸的泄流量 国家规定对闸门进行等级划分，根据水闸技术管理规程，按校核过闸流量( 无 校核过闸流量则以设计过闸流量为准) 划分为： 大型水闸：1 0 0 0 m 3 s 及以上； 中型水闸：l o o m 3 s 及以上，不足1 0 0 0 m 3 s ； 小型水闸：l o m 3 s 及以上，不足l o o m 3 s 。 2 1 2 研究对象概况 概况 研究对象陈行水库位于上海石宝山区。上海市宝山区位于长江和黄浦江的交 汇处，是上海的水陆门户。区域总面积为4 1 5 平方公里，常住人口约1 3 0 万。明 第二章模型建立 朝时，因给出入吴凇口的船只导航而人工筑山，由永乐帝亲题“宝山”而得名。 这里曾是中国最早的通商口岸，这里曾建造过中国第一条铁路，有着深厚的历史 文化底蕴。 宝山充分发挥“钢( 精品钢基地) 、港( 国际海港) 、船( 造船港机业) 、城( 城 乡一体化) 的综合优势大力推进精品钢延伸业，国际物流业，造船港机业，都 市和楼宇经济的发展。 宝山具有得天独厚的交通优势。海运连接1 6 4 个国家和地区的4 0 0 多个港口， 集装箱的吞吐量占上海港的6 0 以上，具有完善的海关“大通关”和航运服务平 台。陆路形成了铁路、高速公路、轨道交通等四通八达的道路交通网络。宝山到 达浦东和虹桥空港仅1 5 3 0 分钟车程，便捷的交通使宝山成为我国长江三角洲城 市重要的枢纽。 宝钢一中国最大的精品钢生产基地座落在宝山，长兴岛吸引了中国船舶总公 司、振华港机等造船港机企业落户，将建成中国最大的造船基地。区域内形成了 中国最大的集装箱制造基地和国际物流园区。通用电器、西门子、三井物业、新 同铁、东芝、三菱、普莱克斯等世界5 0 0 强企业先后在宝山投资兴业。大批民营 企业家在宝山借势创业、发展壮大，使宝山成为中外客商投资创业的理想地区。 宝山是人才集聚的高地。除上海大学、行知、济光、邦德等高校外，还拥有 众多的培养技术和管理人才的各类学校，拥有大批熟练的技师、技工。 宝山是商务成本的盆地。拥有上海最大的电厂、煤气厂。基础和配套设施十 分完善，现代物流极其顺畅、交通非常便捷，精品钢铁及其延伸产业高度集聚， 企业的运作和交易成本较低。 宝山是投资服务的高地。金融机构云集，海关，“三检 齐全，投资环境良 好。区招商服务中心负责协调招商引资、项目审批、办证服务，为投资企业提供 “一门式”项目审批和投资服务。 宝山是企业投资的福地。宝山正处在“大开放、大开发、大建设、大发展” 的热潮之中，生机勃勃，商机无限，宝山人民热忱欢迎海内外客商前来宝山考察 投资、兴业发展。 气候 宝山区属亚热带海洋性湿润气候，受季风环流分配并受冷热空气交替影响， 四季分明。以候( 5 天) 平均气温低于1 0 的为冬季，高于2 2 c 的为夏季，介于低 高之间的为春、秋季。按此划分，本县冬、夏长，春、秋短。 冬季：气温高，温差变化幅度大，降水较多。2 0 0 3 年1 2 月至2 0 0 4 年2 月的 平均气温6 4 ，比常年( 5 4 c ) 高1 ，是1 9 8 7 年以来连续第十八个暖冬，但 1 月气温略偏低( 4 i c ) ，而2 月气温( 8 6 c ) 特高，创历史新高。尤其是1 月 8 一 第二章模型建立 下旬连续低温( 低于零下5 ) 后，2 月中旬又出现反常的假春天( 平均温度1 0 3 ) 现象，其后又出现寒潮和强降温，旬间平均气温之差8 9 为历年之最。1 月上中旬各有一段连续阴雨天气。雨日2 9 天，比常年( 3 7 2 天) 少。降水量1 8 6 4 毫米，比常年( 1 3 7 2 毫米) 增加3 6 。冬季日照3 8 1 5 小时，比常年( 4 1 4 2 小 时) 减少约8 。2 月2 2 日有初雷，冷暖空气变化强度大。 春季：气温偏高，降水和日照正常。3 月至5 月平均气温1 5 7 ，比常年( 1 4 1 ) 高1 6 ，但温差变化幅度大，其中3 月9 日到1 7 日再次出现假春天现象( 5 天平均温度最高达1 3 1 ) ，而后出现寒潮，到2 4 日才正式稳定进入春天( 5 天 平均温度大于1 0 ) 。雨日2 9 天，比常年( 3 7 2 天) 偏少，其中3 月中旬有一段 连续阴雨。降水量2 7 6 7 毫米，接近常年( 2 7 3 9 毫米) 。日照5 0 0 9 小时，比常 年( 4 8 3 4 小时) 略多。 夏季：气温特高，降水比常年明显偏少。6 月至8 月平均气温2 7 7 ，比常 年( 2 6 3 ) 高1 4 ；尤其7 月至8 月高温日( 日最高气温大与等于3 5 ) 达 2 0 天，为历史次高值，比上年少5 天。极端最高温度3 7 3 。雨日2 7 天，比常 年( 3 7 4 天) 明显偏少。梅雨期，天气时阴时雨，没有闷热湿潮特征。多强对流 天气，受2 次台风影响。日照6 3 3 4 小时，比常年( 6 0 2 5 小时) 多约5 。 秋季：气温偏高，降水正常，日照略偏少。9 月至1 1 月平均气温1 9 4 ，比 常年( 1 8 5 ) 偏高0 9 。雨日2 3 天，比常年( 2 6 2 天) 略少。雨量2 1 8 8 毫米，接近常年( 2 2 1 0 毫米) 。日照4 7 0 9 小时，比常年( 5 0 6 5 小时) 偏少。 全年降水量1 0 6 1 0 毫米，比常年( 1 1 2 7 3 毫米) 偏少约6 。年降水天数1 0 4 天，比常年( 1 2 6 1 天) 少约1 8 。日降水量5 0 毫米天数为1 ，比常年少1 9 天。 汛期( 6 月至9 月) 总降水量4 5 6 3 毫米，比常年( 6 1 1 2 毫米) 偏少逾二成 半。雨日3 9 天，比常年( 4 8 2 天) 偏少。梅雨期1 6 天，梅雨量2 3 8 0 毫米，比 常年( 1 8 4 2 毫米) 多2 9 。入梅略偏早( 6 月1 5 日) ，出梅偏晚( 7 月1 6 日) 。 年平均气温1 7 5 ，比常年( 1 6 o c ) 高1 5 c ，为连续1 1 年气温偏高年( 历 年第二高) 。各月平均气温除1 月气温比常年偏低o 1 外，均偏高。其中2 月平 均气温比常年高3 5 ，创历史新高。年气温极端最高温度3 7 3 ，出现在7 月 2 日，年极端最低温度一5 4 ，出现在1 月2 5 日。全年的日最高气温3 5 的高 温天数2 0 天，比常年( 6 2 天) 明显偏多。 无霜期2 6 4 天，比常年( 2 3 2 6 天) 多3 1 4 天。2 0 0 3 年度终霜出现在2 0 0 4 年3 月8 日，2 0 0 4 年初霜出现在2 0 0 4 年1 1 月2 8 日。2 0 0 3 年结冰终期出现在2 0 0 4 年3 月8 日，2 0 0 4 年结冰初日为2 0 0 4 年1 2 月2 9 日。 日平均气温稳定通过1 0 的初日为3 月2 4 日，终日为1 1 月2 8 日，持续天数 9 一 第二章模型建立 1 0 2 5 0 天。 年日照总时数1 9 6 3 3 小时，比常年( 2 0 0 4 6 小时) 少约2 。 年平均大气相对湿度7 3 ，比常年( 7 9 ) 低6 个百分点，为历年最低。 主要灾害性天气：( 1 ) 气温高，多次受寒潮影响，温度升降幅度之大、之强 和时间分布之广为历年罕见，生物生长和活动出现反常或不适应。( 2 ) 7 月至8 月高温天气多，日最高温度3 5 ( 2 的天数为历史罕见( 历史第二高) 。造成较长时 期的用电紧张，部分企业和单位因避峰让电而受损。( 3 ) 受“蒲公英”和“鲇鱼 台风影响，大风和大到暴雨使部分农田及蔬菜受损。( 4 ) ) 7 月至8 月多强雷暴天 气，伴有局部暴雨和8 1 0 级或以上大风，对工农业生产和人民生命财产造成较 大损失。( 5 ) 1 2 月气温明显偏高，而下旬出现寒潮、低温( 低于零下5 。c ) 、连续 阴雨( 雪) 和积雪，给交通、电力、供水等部门造成很大压力，但却有利于减少 来年病虫害影响。 地质 宝山区区境内地势平坦，基底岩石埋藏南浅北深，基岩面由南向北倾斜。南 部江湾、五角场一带基岩埋深约2 8 0 米；大场为一残丘，基岩埋深仅2 7 0 米；顾 村、吴淞、宝山城厢一带约3 0 0 米；罗店、月浦一带约3 4 0 - - - 3 5 0 米；长兴、横沙 两岛一般为3 0 0 - 3 1 0 米，长兴岛凤凰镇以西可深达4 0 0 米。基底广布侏罗系上统 寿昌组地层，岩性由紫红色、青灰色、灰白色凝灰岩、凝灰质砂岩及泥岩、粉砂 岩、中粗砂岩与砾岩组成。在广布的侏罗系上统地层中，罗店、大场、江湾一带 残存着古生代地层，据地质部门钻探资料表明，为寒武系中下统地层。 在吴淞、宝山和长兴岛凤凰镇附近及五角场一带埋藏着燕山晚期侵入的花岗 岩体。吴淞到宝山一带称吴淞花岗岩体，面积约5 5 平方公里，呈北西向延伸。岩 体与围岩接触关系不明。岩石具有细粗粒的不等粒结构，主要矿物成分有钾长 石、斜长石、石英、黑云母及角闪石等。岩体边部为“二长”花岗岩，长兴岛凤 凰镇附近的花岗岩与此为同期产物。五角场的花岗岩属市区花岗岩体的北块，面 积约2 2 平方公里，岩体受虹桥到五角场北北正向断裂控制。岩体与围岩接触关系 尚不明。经对岩体作同位素年龄测定，为1 1 2 2 兆年，当属燕山晚期早白垩世产 物。 另外，在月浦到盛桥一带有小片石英闪长粉岩及闪长粉岩存在，侵入时代尚 不清楚。 境内盖层第四系的厚度受古地形控制，与基底岩石的埋藏深度有关。由于县 境濒临长江，上海地区更新世时期的五期河流相堆积在本区发育良好，构成了五 个承压含水层。主要岩性为中、粗砂及砾石夹粉细砂层。第五承压含水层埋藏在 2 5 0 米以下；长兴、横沙该层可分两个含水层。第四含水层在长兴、横沙都不甚 第二章模型建立 发育，而在陆地部分地区，罗店、杨行、吴淞位于古长江主流线上，大场属边缘 地区，该层顶板埋深一般为1 7 0 1 8 0 米，中心部位可达2 4 0 米，厚约7 0 米，是 地下水主要开采层。第二、三层埋深6 0 - 1 6 0 米，有一定的开采价值。第一层埋 深3 0 - - 4 5 米，一般无开采价值。在地质年代上，第一、二含水层属晚更新统，第 三、四、五含水层属中下更新统。 与含水层相向的隔水层，由以湖相堆积层为主的粘性土、粉性土等组成。 晚更新统末期上海地区形成的湖沼相暗绿色硬土层，在本县的罗店以东至月 浦、宝山、吴淞一带的沿江地区，由于江水的冲刷与切割而该层缺失，大场至罗 店一带该层埋藏深度小于2 0 米，其他地区一般约2 0 - - 一3 0 米，五角场一带3 0 米内 不见此层。 研究对象工程特性 陈行水库位于上海市宝山区罗泾乡陈行镇岸段，地处长江口南支南港河段， 上游紧邻小川沙河，下游紧邻宝钢水库，利用滩地圈围而成。水库总库容为9 1 4 5 3 万m 3 ，水体面积达4 8 h m 2 ，水深平均4 m 。水库供水能力达到9 1 4 5 3 万m 3 ，约占全 市区自来水原水供应总量的1 5 ，该水库为月浦、闸北、吴淞、凌桥、泰和和大 场等水厂供应原水。长江原水中n h 3 一n 、非离子氨、t p 指标一般劣于i 类，水库 水质监测数据表明，出水水质优于进水水质。水库流速范围：0 ，一- - 0 0 7 m s ，流速数 量级在1 0 2 m s 。入流宽度为2 0 0 m ，泄水口由闸门控制，闸门为可调节闸门，属于 小型水闸，调节范围最大可达2 0 0 m 。水库的边界线大致情况如图2 1 所示。 入流边界 图2 。1 水库边界线 流边界 第二章模型建立 1 2 2 2 创建研究对象的计算模型 陈行水库属于中型水库，水体面积达4 8 h m 2 ，水库的流速范围0 - - - 0 1 m s ，流 速数量级在1 0 2 m s 。水深平均4 m ，水库的流速范围0 - - - 0 0 7 m s ，流速数量级在 1 0 一2 m s 。以水库9 月份到1 0 月份作为研究的时间段，入库流量为1 6 m 3 s ，入库流 速为0 0 2 m s 。 几何比尺的确定 根据水库大小及数学模拟的简易，平面比尺采用丑= 1 0 0 。 根据几何比尺可以得到：模型水库长为8 m ，宽为6 m 加上入水口和出水口。 模型平面如图2 2 所示： 入流边界 图2 2模型平面图 边界 运动量比尺的确定 水库中流体流态基本上是层流，而污染物质的扩散主要是随流扩散和纵向离 散，也就是说起主要作用的是层流粘滞力，则应保持原型和模型间的粘滞力相似 【9 】 o 再根据水流连续性相似： 4 = 乃，于是可以得到： 速度比尺：丸= 布1 ； 时间比尺：兄，= 名； 所以得到 = 1 1 0 0 ，a t ：1 0 0 0 0 。 根据运动量比尺的确定，可以得到模型水库的入库流速为2m s ，入库流量 为0 1 6 m 3 s 。 第二章模型建立 1 3 出库边界的处理 根据实际情况，水库对于下泄流量的控制往往是根据开启闸门的角度或者宽 度控制，因此在进行模拟的时候同样按照这样的原理，出水口最大宽度在这个模 型中是2 m ，所以在模拟的时候就通过改变出水口的宽度来进行对下泄出流的控 制，这样每次计算的时候以0 2 5 m 的改变量对出水口进行调节，按照o 5m 、 0 7 5m 、1m 、1 2 5 m 、1 5m 、1 7 5m 、2m 这样的顺序来进行计算。 纵向处理 1 ) 库底 由于研究对象陈行水库属于人为地围地建成，在地形上没有太大的起伏，比 较平稳，而且竖直方向与平面方向比例相差很大，其所以将平面计算的流速作为 纵向的平均流速处理。 2 ) 出流 研究对象的泄流处由若干泄水口组成，每个泄水口又各自的闸门控制，所使 用的闸门为普通闸门( 水头在6 m 以下) 。 闸门的高度会影响整个水库的流场，由于研究对象竖直方向与平面方向比例 相差大，所以闸门高度对于水库流场的影响与水库平面情况对流场的影响相比很 小，所以忽略闸门高度对流场的影响，在竖直方向上不进行考虑。 研究污染物的确定 研究对象水库的主要污染物为有机污染物，c o d 是反映有机污染物污染程度 的一个通用指标，因此，本研究选取c o d h 的浓度作为环境容量的计算参数，其离 散系数e 。根据水库已有资料确定为1 2 5 。 2 3 研究方法的确定 2 3 1 控制方程 水流连续方程 姿+ 导( 胁) + 昙( 协) ：0 研o x c r y 水流运动方程 掣+ 掣+ y 掌+ 一i o z + f h u ug hj h u 一儆- i p ：v v 2 ( 协)_ + _ + y i 一十i + 一 = 【爿“) d f蹴卯蹴 o h _ v + o h _ v + y o h _ v +i a z + f h u g h矿+ f 师：v 2 ( 日y ) _ + _ + y _ +i + 矿+ 互洲y 2 1 ，v 【爿y ) o lm0 vo v 式中：z 为水位； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章模型建立 1 4 日为水深； u 、1 ，为方向的垂线平均流速； 厂为阻力系数，= 石+ 以，z 为河床底部摩阻系数，z = g 等，c 为 谢才系数，反映了库底对水流的阻力作用的大小，厶为局部摩阻系数， 厶：孝掣，善为局部阻力系数； q = 2 a ，s i n 为哥氏力系数，反映了地球自转偏心力的作用，缈为地球自转 角速度，为2 z r ( 2 4 x3 6 0 0 ) r a d s ，沙为所在点的纬度，y 为紊流黏性系数。 水质方程 考虑时变项与对流扩散 掣+ 掣+ 掣= 戗a - 生( h e x 锻a c ) + 未( 哆争 ( 2 4 ) 式中：c 为水质矿化度，单位m g l5 e 、e ，为x 、y 方向的紊动扩散系数和分散系数之和晒1 。 2 3 2 网格概化 根据水库特点，将水库概化为1 4 个节点，1 9 个通道，见图2 3 。节点主要参 数：与w a s p 6 连接段号、节点水位、节点面积、库底高程，通道主要参数：通道号、 通道长、通道宽、水力径、通道方向、曼宁系数、初始流速、连接通道的节点。 节点和通道参数由水库的地形资料得到。 i _ 善： i 矿 苜 1 硭9一 li 1 4 1 si 6 l- l2 l 。1 呻l z l 旦 91 0 平 占一7 。k l 墨 5 i 456 ld 一，l已l3 占 1 坦 l三3 图2 3水库结点通道图 第二章模型建立 2 4 本章小结 本章介绍了研究对象的整体情况，对其所在区域的气候、地质、以及工程规 模进行了详细说明，并根据其实际情况在几何和水动力方面进行了缩放，以便于 进行计算。同时建立了相关的数学模型，包括水动力模型，水质模型，并对计算 区域进行了网格概化。 第三章水动力模型计算 1 6 第三章水动力模型计算 3 1 网格及其生成方法概述 3 1 1 网格类型 网格( g r i d ) 分为结构网格和非结构网格两大类。结构网格即网格中节点排 列有序、邻点问的关系明确，如图3 1 所示。对一于复杂的儿何区域，结构网格 是分块构造的，这就形成了块结构网格( b l o c k - s t r u c t u r e dg r i d s ) 。图3 2 是 块结构网格实例。 图3 1 结构网格实例 图3 2 块结构网格 与结构网格不同，在非结构网格( u n s t r u c t u r e dg r i d ) 中，节点的位置无法 第三章水动力模型计算 1 7 用一个固定的法则予以有序地命名。图3 3 是非结构网格示例。这种网格虽然生 成过程比较复杂，但却有着极好的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题 特别有效。非结构网格一般通过专门的程序或软件来生成。 图3 3 非结构网格实例 本论文的研究对象几何形状规则，整体性很好，所以可以直接采用结构网格 进行划分。 3 1 2 网格单元的分类 单元( c e l l ) 是构成网格的基本元素。在结构网格中，常用的z d 网格单元是 四边形单元，3 d 网格单元是六面体单元。而在非结构网格中，常用的2 d 网格单 元还有三角形单元，3 d 网格单元还有四面体单元和五面体单元，其中五面体单元 还可分为棱锥形( 或楔形) 和金字塔形单元等。图3 4 和图3 5 分别示出了常用 的2 d 和3 d 网格单元。 ( a ) 三角形( b ) 四边形 图3 4 常用的2 d 网格单元 第三章水动力模型计算 ( a ) 四面体 锣眵 ( b ) 六面体( c ) 五面体( 棱锥)( d ) 五面体( 金字塔) 图3 5 常用的3 d 网格单元 本论文采用平面二维进行计算，研究对象的几何形状趋近于矩形，固使用2 d 网格的四边形网格单元构成研究对象的网格。 3 1 3 单连域与多连域网格 网格区域( c e l lz o n e ) 分为单