（环境工程专业论文）平原河网区水环境容量模型研究.pdf

摘要 摘要 水环境容量是指在一定的水质目标下 水体环境对排放于其中的污染物质所 具有的容纳能力 它是水环境研究领域的一个基本理论问题 是水体污染物总量 控制及水环境管理的主要依据 本文针对平原河网地区水流往复特征 在总结现有水环境容量计算方法的基 础上 以平原河网水量水质耦合模型为基础 提出了能较为客观的反映感潮河网 特征的水环境容量模型 并应用于昆山市水资源综合规划 本论文主要研究成果有 1 建立平原河网区水环境容量模型 该模型基于环境容量定义法 假设 无排污条件下 根据平原河网水量水质模型计算出河道水量及水质 由环境容量 定义法计算出各时段不同功能区的自净容量和稀释容量 累加求出各功能区水环 境容量 2 结合 昆山市防洪及水资源综合规划 课题 建立昆山市河网水环境 容量模型 通过该模型预测昆山市不同规划年功能区的水环境容量 根据环境容 量计算结果及不同规划年的污染物排放量提出污染物总量控制目标 关键词 平原河网 水环境容量模型 水量水质耦合模型 总量控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t ym e a n st h a tt h em a x i m u mo fp o l l u t a n t sc a r r i e d b yw a t e r su n d e rc e r t a i nw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d i ti sab a s i ct h e o r e t i c a lp r o b l e mi nt h e f i e l do fw a t e re n v i r o n m e n t a lr e s e a r c h i ti sa l s oa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t sa n dt h eb a s i ct h e o r yo fc o n t r o l l i n gt h et o t a l p o l l u t a n t sd r a i n e di n t ot h ew a t e r s t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ew a t e rc a r r y i n gc a p a c i t ya tp l a i nr i v e rn e t w o r ka r e a a f t e rt h ec o m p a r i s o no fp r e s e n tn u m e r i c a lm o d e l sf o rw a t e rc a r r y i n gc a p a c i t y a m o d e lf o rw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yb a s e do nt h ec o u p l e dm o d e lo ff i v e rn e t w o r k h y d r o d y n a m i cm o d e la n dw a t e rq u a l i t ym o d e lw a sd e v e l o p e dw h i c hi n d i c a t e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft i d a lr i v e rn e t w o r ka r e a sa n da p p l i e st ot h ep r o j e c tp l a n n i n go f f l o o d c o n t r o li n t e g r a t e d p l a n n i n go f w a t e rr e s o u r c e si nk u n s h a n c i t y t h em a i nc o n t e n t ss t u d i e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 aw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t ym o d e lw a sf o u n d e dt h a tc a n b eu s e di nt h e p l a i no fr i v e rn e t w o r ka r e a s t h em o d e li s b a s e do nt h em e t h o do fw a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yd e f i n i t i o n i ti so nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h e r ei sn op o l l u t i o n d i s c h a r g e di n t ow a t e rf u n c t i o n a ld i s t r i c t s i na c c o r dw i t l lt h er e s u l to ft h ec o u p l e d m o d e lo fr i v e rn e t w o r kh y d r o d y n a m i cm o d e la n dw a t e rq u a l i t ym o d e l w es i m u l a t e t h ew a t e rs e l f p u r i f i c a t i o nc a p a c i t ya n dd i l u t i o nc a p a c i t yo fe a c hw a t e rf u n c t i o n a l d i s t r i c t sw i t hm e t h o do fw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yd e f i n i t i o n t h e n t h ew a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yc o u l db ec a l c u l a t e d 2 t h ew a t e re v i r o n m e n t a lc a p a c i t ym o d e lo f t h er i v e r sn e t w o r kh a sb e e nm a d e u pb a s eo nt h ek u n s h a np r o j e c tt oc o n t r o lt h ef l o o da n dp l a nw a t e rr e s o u r c e a n dw e c a nu s et h i sm o d e lt of o r e c a s tt h ew a t e rc a r r y i n gc a p a c i t yi nt h ef u c t i o n a ld i s t r i c t si n e a c hp l a n n e dy e a r t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sf o rp o l l u t a n td i s c h a r g ed e c r e a s i n g w e r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ew a t e re v i r o n m e n t a lc a p a c i t ya n dd i f f e r e n tp o l l u t i o n l e v e l s s ot h a tt h et o t a lp o l l u t a n ta m o u n tc o n t r o l l i n gw a sc a r r i e do u ta n dt h ew a t e r r e s o u c ec a nb ep r o t e c t e d a b s t r a c t k e yw o r d s p l a i nr i v e r sn e t w o r k w a t e re n v i r o n m e n t a l c a p a c i t ym o d e l c o u p l i n gm o d e l o fw a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t y t o t a jp o l l u t a n ta m o u n tc o n t r 0 1 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 巨甚荔l 以年d 月日 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 葵函 幺卜 易年莎月 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究目的及意义 水作为人类所需而不可替代的一种资源 从水资源与可持续发展来看 一方 面是 量 的可持续性 另一方面是 质 的可持续性 这就要求人们既要保证 水资源开发利用的连续性和持久性 又要使水资源的开发利用尽量满足社会与经 济不断发展的需求 两者必须密切配合 目前 世界水环境所面临的主要问题是水资源短缺和水体污染严重 这也是 全球性的问题 水污染加剧了水资源危机 统计表明 全世界每年约4 0 0 亿m 3 的污水排入江河湖泊 使占全球淡水总量1 4 以上的可用水源受到污染 水体污 染控制的研究刻不容缓 而水体污染控制的主要措施之一是总量控制 水环境容量的确定 可以为污染物总量控制提供技术支持 通过水环境容量 的计算 制定出区域水污染物总量控制方案或控制规划 以达到实施水环境目标 管理的目的 因此 水环境容量模型的研究是开展水污染保护工作必不可少的基 础和前提 平原河网地区境内地势平坦 河道纵横交织成网 河流坡降平缓 由于平原 河网区的内涝水患 长期以来 人们在平原河网地区构筑了大量的水工构筑物 堰 水闸 泵站等 使得平原河网区的水流受自然和人为两类因素的影响 给 水环境容量的数值模拟计算带来了复杂性 l 为了有效控制平原河网地区的污染物排放总量 加强水污染控制理论和技术 的研究 必须进一步深入开展平原河网地区水环境容量模型的研究和开发 1 2 水环境容量模型研究进展 1 2 1 水环境容量定义 水环境容量是指在不影响水的正常用途的情况下 水体所能容纳的污染物的 量或自身调节净化并保持生态平衡的能力 它反映了污染物在环境中的迁移 转 化和积存规律 也反映了水环境在满足特定功能条件下对污染物的承受能力 其 大小与水体特征 水质目标及污染物特性有关 环境容量是环境科学的 个基本理论问题 也是环境管理中一个重要的实际 应用问题 在理论上 环境容量是环境的自然规律参数与社会效益参数等两类参 河海大学硕士学位论文 数的多变量函数 它反映污染物在环境中的迁移 转化和积存规律 也反映满足 特定功能条件下环境对污染物的承受能力 在实践上 环境容量是环境目标管理 基本依据 是环境规划的主要环境约束条件 也是污染物总量控制的关键参数 2 在实际应用中 水环境容量就是指最大允许纳污量 水环境容量与允许纳污 量区别在于 允许纳污量是指在排污口空间分布及排污方式给定条件下 环境单 元所能允许排放污染物质的量 允许纳污量不仅与水质标准有关 而且与污染源 的时空分布有关 在实际计算中 由于允许水环境容量无法计算 人们常常把最 大纳污量作为环境容量 此时 水环境容量也称为实际环境容量 而把上面定义 的环境容量称为理想环境容量 3 1 2 2 水环境容量的研究与应用现状 国外对水环境容量的研究首先是由日本学者开展的 六十年代末 日本为改 善水和大气环境质量状况 提出污染物排放总量控制问题 即把一定区域内的大 气或水体中的污染物质总量控制在一定的允许限度内 日本环境厅委托日本卫生 工学小组提出 1 9 7 5 年环境容量计算化调查报告 环境容量的应用逐渐推广 成为污染物总量控制的理论基础 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 最大允许纳污量和水体容许排污水平等概念 在2 0 世纪7 0 8 0 年代美国的 国家环境政策法 中 把 最广泛地合理使用环境而不使其恶化 作为制订环境标准的原则之一 英国则最早直接应用稀释容量概念制订有机物染 指标及悬浮物排放标准 前苏联主要依据满足生态和健康能够承受的污染物最高 允许浓度直接作为水质标准 但在对这些标准进行可达性分析时也广泛采用了 容量 这一概念 4 我国对水环境容量的研究自七十年代开始 大致经历了下列三个阶段 1 八十年代初期 我国环境科学工作者在北京东南部环境质量评价 黄 河兰州段 图门江 第一 二松花江 漓江以及渤海 黄海环境质量评价等项目 中分别探讨了水污染自净规律 水质模型 水质排放标准制定的数学方法 从不 同角度提出和应用了环境容量的概念 2 六 五 国家环保科技攻关项目的展开 有力的推动了我国水环境容 量的研究 中国环境科学研究院与中国科学院 高等院校等联合攻关 开展了 主 要污染物水环境容量的研究 根据我国水体的水文特征和沿岸经济发展特点 2 第1 章绪论 选择典型河流和河口海湾区 分别进行了 沱江有机物的水环境容量研究 湘 江的重金属的水环境容量研究 和 深圳河有机物水环境容量研究 并把水环 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 综合这些研究 成果 提出了科学 全面 简明的水环境容量定义 水环境容量是水体环境在规 定环境目标下所能容纳的污染物质的量 3 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 全国一些城市制定综合整治规划 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 为环境容量的理论研究和实际 引用提供了广阔的天地 1 2 3 水环境容量模型研究进展 对水环境数学的模型研究 比较多的是水量水质模型方面的研究 近三十年 来 水量水质模型由零维 一维稳态模型向二维 三维动态模型发展蟑j 而且被 模拟的状态变量不断增多 由最初的几个增 扫n n 十个 由单纯的污染物质模 拟转变为可以模拟富营养化指标 6 1 应用范围由河流 水库 湖泊等单一水体向 流域性综合水域发展 7 8 1 国内外这方面的模型很多 国外常用的水量水质模型 有美国环境保护局研制的q u a l 2 模型 9 1 们 w a s p 模型系统 l l 丹麦水力研究 所研制的m i k e 模型系统 美国陆军工程兵团研制的h e c 模型系统等 1 3 1 4 我国河网动态水质模型的研究也有了很大进展 关于河网对流输运问题的数值解 法 适用于河网中流向顺逆不定 水流和输送物质浓度的不稳定 非均匀变化 其计算方法物理概念清晰 适应性强 所需的计算机内存少 计算速度快 而且 实用方便 并在不同流域河网中均获得了广泛的应用 1 5 18 1 对水环境容量方面的研究近年来n i 习t j 兴起 对于一般稳态河流的水环境容量 研究相对成熟一些 一般采用枯水期9 0 保证率最枯月平均流量来计算水环境容 量 关于这方面的研究成果己有很多 并己广泛应用于水资源保护规划和污染物 总量控制t 2 1 t 1 9 但是 对于非稳态的感潮河网 流量和流向随潮汐和径流的相互 作用而变化 涨落潮流量呈周期性的变化很大 因此 将稳态河流水环境容量的 计算方法移用于非稳态河流 计算结果会与实际情况相差较大 需要改进方法 2 0 对平原河网的非稳态水环境容量数值计算 郑孝宇等 2 0 曾经有过初步研究 建立了求解大型河网非稳态水环境容量的 节点一河道一节点 计算模式 该方 3 河海大学硕士学位论文 法成功应用于水流流向顺逆不定 水文情势极为复杂的苏南河网地区 徐祖信等 2 1 1 也对感潮河网水环境容量进行了研究 提出了基于动态的水质模型并利用计算 机仿真和线性规划来进行感潮河段水环境容量计算的基本方法 并成功应用于上 海市蕴藻浜水系及中心城区水系 由于河网中河段水质目标的不一致以及水流运 动的复杂性 徐贵泉等 2 2 2 3 1 提出了从水质超标到水质达标过渡区间河段长度的 概念 该过渡区间长度就是标准低的河段水质对标准高的河段水质的影响范围 表明在水体功能区划时 应考虑水体功能要求高的水域以外的一定保护范围 即 缓冲区的概念 并计算出缓冲区长度以及相应的水环境容量 陈振洪口4 1 运用双向 流模型计算感潮河段水环境容量 该方法具有计算速度快 适用性强 简单方便 的特点 韩龙喜等 2 5 1 在南通河网水量水质模型的基础上 提出了充分利用长江潮 水的稀释容量来动态调节污水处理厂处理量的水污染综合治理方案 取得了一定 的效果 尽管水环境容量的定量研究有了一定的积累 但是 水环境容量的系统研究 还刚刚起步 目前难以对区域的水环境容量及其可持续利用方式作出科学合理的 评价 从而使水资源的开发利用和水环境的治理保护因缺乏相应的技术支撑带有 一定的盲目性 1 2 4 水环境容量模型分类 目前 河流水环境容量的计算方法主要有4 种 环境容量定义法 解析公式 法 模型试错法和系统最优化方法等 2 6 1 1 环境容量定义法 水环境容量是满足水环境质量标准的最大允许污染负荷量 或纳污能力 它 是以环境目标和水体稀释自净规律为依据的 根据其定义 水环境容量的计算公 式为 w c s c o q q c s k v c s 1 1 式中 w 一水环境容量 t a c s 水环境质量标准 m 鲋 c 广水中污染物的自然背景值 或来水中污染物浓度 m 朗 q 一流量 m 3 s q 旁侧入流流量 m 3 s 4 第l 章绪论 k 污染物衰减系数 d 1 环境容量定义法 式 1 1 为其计算公式 该公式概念明确 计算简单 它既 适用于计算稳态容量 也适合于计算动态容量 既可以计算单向河流的容量 也 可以计算潮汐河网的水环境容量 2 1 1 本论文以环境容量定义法为基础 利用一维平原河网水量水质模型计算结 果 分别求出不同时段不同功能区的水环境容量 依次推求出各功能区的环境容 量 2 解析公式法 在河流的流量 断面面积和纵向分散系数e x 沿流程变化较小的条件下 其 一维纵向对流分散方程如下 i o c 4 a o c e x 窑一解 s 1 2 8 ta ca c z 当水体中污染物质输入量不随时间变化 污染物质浓度为恒定值时 即式 1 2 中要 o 则该式可化为一维常微分方程 屹d c e x 鲁一愆 s 1 3 出出2 当式 1 3 中源汇项s 为零时 根据边界条件可解的其解析解为 铲 幢 卜 14 k e x m 4 当源汇项s 不为零 且从河段的上断面处加入时 采用简化的方法 用满足 质量平衡原理的混合公式计算c o c o 粤华 1 5 一 q f l g h 式中 c i l i 河段i l 断面的浓度 m 1 c i l 一河段i 1 断面处的支流或排污口从旁侧流入的污染物浓度 m 醣 k 污染物的降解系数 d 1 e 一纵向分散系数 x u 河段的长度 m 和平均流速 m s q i l q i i i 河段i 1 断面的流量 m 3 s 和i 1 断面处流入的支流或排污口流 5 河海大学硕士学位论文 量 m 3 s 式 1 5 可以计算出某一设计条件 或某一保证率 下 符合规定水质标准的河 流平均纳污能力 即稳态水环境容量 稳态容量的计算方法概念直观 简单实用 对于水文要素 水力条件变化不大的单向河流是非常有效的 3 模型试错法 由于河网中的水流流向不定 污染物会在河网中往复流动 各个河段相互影 响 因此我们考虑用模型试错法 它可用于计算非稳态的水环境容量 模型试错 法是在水质模型基础上进行的 该模型基于以一维对流扩散方程计算污染物在各 个横断面上的运输降解过程 模型表达式如下 o a c i o q c 一导f 么e 害1 尉c w o 1 6 夙舐 舐l 叙 其中 w 为水环境容量 模型试错法利用率定好的动态水质模型 通过对某一河段污染源排放量的反 复调试 以使规定水域的水质浓度的计算值符合规定的水质标准 这时所得到的 污染源排放量即为该河段的水环境容量 模型试错法简单实用 但计算效率低 一般只适用于单一河道水环境容量的计算 4 系统最优化方法 系统最优化方法是基于线性规划基础上的 其基本思路是 在水动力模型和 动态水质模型的基础上 建立所有河段污染物排放量和控制断面水质标准浓度之 间的动态响应关系 以河流总排放污染负荷最大为目标函数 约束集为 各河段 都满足规定水质目标 各河段容量约束 即每个河段都要有一个最小容量约束 以满足进人河道的面污染源总量 进而运用最优化方法求解每一时刻河流水质浓 度满足给定水质目标的最大污染负荷 系统最优化分析方法的优点是自动化程度 高 精度高 对边界条件及设计工况的适应能力强等 但它所需的计算条件较多 计算程序也较复杂 所以应用不是很广泛 1 3 本文研究内容和技术路线 1 3 1 论文主要研究内容 1 研究和开发平原河网地区水环境容量模型 以环境容量定义法为基础 根据一维河网水量水质耦合模型的计算结果 提出能反应平原感潮河网水流特征 6 第1 章绪论 的水环境容量计算方法 2 结合 昆山市防洪及水资源综合规划 课题 把研究成果运用到实际 工程中去 建立昆山市河网水环境容量模型 通过该模型预测昆山市不同规划年 河道功能区的水环境容量 根据不同的污染水平制定出相应的污染物削减措施 从而达到污染物总量控制的目的 1 3 2 论文研究技术路线 本论文研究的技术路线见图1 3 一l 1 分析各功能区污染 物削减情况 j r 提出相应的污染物 削减措施 图1 3 1 技术路线图 7 河海大学硕士学位论文 第2 章平原河网区水环境容量模型系统研究 2 1 概述 水环境容量模型是在一维河网水量水质模型的基础上建立起来的 只有计算 出河网内各功能区的水力条件 水质浓度 才能以此为依据进行水环境容量的计 算 论文采用的水质模型是由美国国家环保局 e p a 环境研究实验室开发的 w a s p 5 模型系统 t h ew 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 一5 即水质分析 模拟程序5 t 2 7 j w a s p 5 模型系统中自带有水动力模型d y n h y d 5 但是 d y n h y d 5 模型不具有模拟泵闸工程运行的功能 并且该水动力模型采用显式差 分格式进行方程的离散 精度上不能满足要求 因此本论文采用的水动力模型是 三级联解河网水动力模型 本章着重介绍河网水量水质模型及水环境容量模型的基本原理和方程推导 求解过程 2 2 一维河网水动力模型 一维河网水动力模型计算过程即是对s a i n t v e n a n t 方程组的求解过程 该方 程组属于二元一阶拟线性双曲型方程组 现阶段尚无法直接求其解析解 由于有 限差分法具有数学概念直观 表达简单的特点 其解的存在性 收敛性和稳定性 早已有较完善的研究成果 2 引 所以河网水流计算通常采用有限差分法 对于平 原河网水动力数学模型大多采用分级解法 本论文采用三级联解 2 0 2 1 1 河网水动力模型作为模拟河网水力特征的水动力 模型 该法求解平原河网水力特征的基本思路可概括为 河道一节点一河道 2 0 2 9 3 0 即先形成河道方程 然后利用河道方程 边界条件 节点连接条件形 成节点方程 求解此节点方程 然后根据节点连接条件辅以边界条件形成封闭的 各节点水位方程 求解此方程组得各节点水位 再将各节点水位回代至单一河道 方程 从而得到全河网所有待求断面上的未知变量 该方法求解效率高 因而得 到广泛的应用 成为求解河网水力特性的常用方法 3 l 3 2 2 2 1 水动力计算基本方程 1 基本方程 8 第2 章平原河网区水环境容量模型系统研究 论文利用水位和流量为变量的平底棱柱形明渠的水流一维非恒定流动的基 本方程组 s a i n t v e n a n t 方程组 描述水流非恒定流动状态 3 3 1 基本方程如下 一o o b 丝 口 0 x 西 1 小i 2 1 署 昙c 等 鲥罢 g 黑 一 方程组 2 1 中1 式为连续方程 2 式为动量方程 其中 q 一流量 m 3 s x 一空间坐标 m t 一时间坐标 s z 一水位 m b 一河面宽度 m q 一均匀旁侧入流 m 2 s a 一过流断面面积 m 2 c m 重力波 速 g 一重力加速度 m s 2 r 一水力半径 m 2 方程的离散 利用有限差分法对方程组进行离散 差分格式的好坏直接影响计算成果的精 度和速度 同时 收敛性和稳定性还需满足 平原河网区域河道长短不一 在河 网计算中不同河道采用不同的空间步长 在整个河网计算过程中必须采用统一的 时间步长 所以在选取其值时 应考虑整个时段内最为不利的稳定性条件来控制 这样必须足够小 造成计算工作量的巨大浪费 所以一般不选用显式差分格式 本论文从精度 工作量等角度来考虑 选用p r e i s s m a n n 四点隐式差分格式 进行离散 离散格式如图2 1 1 2 1 1p r e i s s m a n 四点隐式离散格式示意图 具体离散方程如下 f l m 弘n l 卅 半 f 善m o 耸a 丛x 叫c 警 c 2 刊 ok x 9 河海大学硕士学位论文 礴 一 j 蕊七 j 一一 j 一 j 瓦i m 一 1 f 一 式中目一一加权系数 0 0 l 对动量方程方程进行离散得 q 研 qq 爿 f j 7 川 i 一一f 厂 z n l 2 3 其中 q 黑一 倒 n 旦婪 jn缸 28a 2 cr j t jzjj g 盖 铡k 裂h a x f 2 鲥 p j 盖 簖 研 一半 伽q 一 伽q 一字 鲥 z 二 一z 为书写方便 忽略上标n 1 可把式 2 3 的任一河段差分方程写成 j g l g c j z j 1 c j z j 2 dj 2 4 毕j q j g j q j n f j zj 一f j z j 固j 其中c j d j e j 乃 g j 均由初值计算 所以方程组为常系数线性方程组 对一条具有l 2 一l 1 个河段的河道 有2 l 2 一l l 1 个变量 可以列出2 l 2 l 1 个方程 加上河道两端的边界条件 形成封闭的代数方程组 根据不同的 边界条件 可设不同的递推关系 用追赶法直接求解 2 2 2 河网水流计算 1 外河道计算 对于平原环状河网 可以分为内河道和外河道进行 对于外河道 河道的一 端是边界条件已知的外节点 而另一端是水力要素未知的内节点 内节点的变量 必须通过河网的联解才能得出 为了减小方程组的阶数 通常以内节点构成基本 河网 外河道的求解是通过边界条件确定首断面的递推关系 用追赶的方法求解 各断面的水位与流量递推关系 得到汇入基本河网的末断面流量与内节点水位的 关系 待内节点水位求出后 即可回代求出各断面的水位和流量 1 0 第2 章平原河网区水环境容量模型系统研究 2 内河道计算 对于内河道 由于没有端点边界可供利用 上述方法不能适用 此时设单个内河道的首断面号为l 1 末断面号为l 2 可得到如下差分方程 组 譬 0 三 呈 c r 三 l2 d r i l 1 l i 1 1 1o l 2 1 2 5 l e q e z g q l f z f i 咖 有2 l 2 l i i 个未知量 2 l 2 l 1 个方程 方程的个数总比未知量个数少两 个 因此 以首 末断面水位为基本方程 可利用双追赶方程求解得到 皱 2 吼 尻 z 彘 z l z 2 6 l q l 2 o l 2 r l z z l 2 九2 z l l 其中z l l z 首为首节点水位 z l 2 z 末为末节点水位 即首 末断面流量表达 为首 末节点水位的线性组合 当首 末断面水位求得后 即可求同一断面上的 流量 j q 2 一z f z 末 2 7 iq f q r h z f 7 f z 首 联立求解得 70 r q i 七y i z 首一 i z 苯 l p i r i 求得z i 后即可求得q i q i o t i p i z r i z z 所以关键问题是如何求出节点水位 3 节点水位方程 为了求解河网节点水位 必须建立节点水位方程 节点水位方程建立的依据 是水量守恒原理 即流进某一节点的水量之和等于该节点蓄水量的变化 姜咖4 鲁 2 8 其中q 为河道j 汇入节点i 的流量 4 为节点i 的蓄水面积 z f 为节点i 的 水位 m 为汇入节点i 的河道数 将流量与节点水位关系式代入上式 得到与节点i 相邻的节点水位为未知变 l l 河海大学硕士学位论文 量的线性代数方程 z u 0 其中z 为节点i 相邻节点水位的集合 对河网每一个节点 都可建立上述 的节点水位方程 形成以河网节点水位为基本未知变量的线性代数方程组 3 4 a z r 广1 l 口l l 口1 2 口1 月i 其中 a 一 i 为系数矩阵 z z z 2 乙r 为节点 l 口月l 口n 2 a 月hj 水位列阵 r k r 2 r 为右端项列阵 可见 方程中的节点水位只包含与该节点有直接联系的节点水位 用同样的 方法可以求出河网中其它各个节点的水位表达式 河网中有多少节点就可以列出 多少个节点水位方程 这样 可以解得节点水位后 节点水位与流量的关系式可 求解出内河道各计算断面上的水位和流量 将边界节点的水位代入外河道的追赶 方程 逐步回代可求得外河道各断面的水位和流量 3 5 1 4 内边界闸坝过流处理 在平原河网地区 常常在河口或河网的交叉口设闸 设闸的目的在于人为控 制水流的走势 从而控制水位或流量 如沿长江设置了许多防止潮水倒灌的挡潮 闸 在太湖周边设置了防止污水入湖的控制洲3 6 1 在河网概化中 每条河道两端均设有节点 河道与河道的连接均通过节点 对于水闸 船闸 涵洞及泵站等控制建筑物上下游亦设有节点 见图2 2 1 由 图中可知 每个控制建筑物均介于上下节点之间 但是两节点之间的距离忽略不 计 且节点之间水位差与流量之间的关系取决于堰流公式及运行方式 1 2 第2 章平原河网区水环境容量模型系统研究 a b 涵闸的存在 使得本来连续的天然水流改变了走势 也改变了天然河网的水 力连接 过闸水流有三种情况 关闸 自由出流 淹没出流 对于关闸的情况 闸上 闸下河道不在联系 q i q i l 0 因此闸上 闸下可以作为两条单一河道 来处理 对上游河道来说 q i 己知 为下边界已知条件 可单独求解 对于下游 河道 o i 1 已知 可按流量已知边界条件单独求解 开闸时 通过本节的计算可 以求得过闸流量 因为闸没有容积 即流入和流出的流量相等 在进行节点水量 平衡计算时 该流量即为与闸相连的断面之流量 对于闸上 闸下的河道 是通 过闸联系起来的 淹没出流和自由出流在任何时刻均可以发生 亦可以相互转换 依该时刻的水力条件决定 对于普通闸坝 开闸时 根据闸的上下游水位 可能有自由出流和淹没出流 两种情况 判别条件为闸后水深与闸前水深的比值 若大于0 8 时为淹没出流 否则为自由出流 其自由出流和淹没出流过闸流量o 可按宽顶堰公式计算 公 式为 q d 加 2 9 纠一 亿 9 式中 q 一过闸流量 m 3 i s m 一自由出流流量系数 o 一淹没系数 b 一闸 门开启总宽度 h o 一堰上总水头 h o h t z o v 0 2 2 9 咖一动能校正系数 v o 一行进流速 对于其它水工建筑物 例如桥墩 船闸 倒虹吸等 水头损失一般可写成 1 3 一 p 丽 河海大学硕士学位论文 z 芒 2 9 式中 毛为水头损失系数 包括局部水头损失系数和沿程水头损失系数 v 为流速 流量公式可以写成 q 毒h b i 2 9 a z 式中 毒 专 b 为宽度 h 为水深 b 在模型计算中 对于倒虹吸作适当的处理 为了使得下游水位z i l 改变时 仍使过水断面 h x b 保持不变 可将z o 假定得很低 又因h z i 1 z o 这就 使得h 随着z i l 的变化忽略不计 因此 q i f z i q i 1 q i 可同关闸情况类似计算 所不同的是 关闸以q i 0 作为上游河道的下边界 而这里以q i f z i 作为下边界条件 综上所述 可以看出 对于类似于闸坝这样的内边界点的处理归结于特殊河 段的追赶系数计算 计算依据的是特殊河段的相容方程 水量守恒与动量守恒 这些方程与非恒定流的基本方程无关 对相容方程进行必要的处理 单独计算 特殊河段的追赶系数 可同正常河段一样求解 5 降雨一径流计算 3 7 产流计算 下垫面的差异不同 会导致产流方式的不同 昆山市地处太湖流域的平原河 网地区 下垫面主要可以分为 水面 水田 城镇等不透水区域 早地与非耕地 针对不同的下垫面的特征及相应的产流规律 进行产流计算模型的设计 汇流计算 平原区汇流模拟汇流过程将各分区净雨汇集到出口控制断面或排入河网 分 圩区与非圩区两种情况 圩区产水量先在圩区内部进行调蓄 圩区水面积起调蓄 作用 昆山市一般圩区内水位变化控制在2 0 c m 当圩内水面蓄水量超过2 0 c m 多余水量排泄圩外 但排泄时要考虑排涝模数的限制 非圩区的排水量 按0 4 o 4 o 2 分配 即一天产水量分三天汇入河网 汇流曲线是否正确 由率定结果 来评估和判断 第2 章平原河网区水环境容量模型系统研究 2 3 一维河网水质模型 w a s p 5 w a s p 模型具有模拟平原河网水体富营养化的能力 在其基本程序中反映了 对流 弥散以及边界的交换等随时间变化的过程 3 8 水质的模拟过程是在特殊 的运动学子程序中得到体现 这些子程序可以从程序库中挑选 也可以由用户自 己提供 w a s p 的模型结构使用户能容易的将水力学模型集成到总的程序包中形 成解决具体问题的模型 因此本论文中选用的水质模型为w a s p 5 水质模型 2 3 1w a s p 5 水质模型简介 w a s p 5 模型系统是按照软件工程的思想来开发的 它由两个独立的程序组 成 水动力模型d y n h y d 5 和水质模型w a s p 5 系统中各模块之间的关系见图 2 3 1 图中 示踪剂可认为是水体中不发生降解 主要指生化降解 的物质 仅受 传输 边界和负荷过程的影响 w a s p 5 系统使用t o x l 5 对示踪剂进行模拟 3 9 1 图2 3 1w a s p 5 模型系统 水动力模拟为水质模拟提供必要的水力参数 如流速 流量 水位等 在 w a s p 5 系统中 水质模型程序既可和d y n h y d 5 相连运行 也可和其它水动力 程序如r i v m o d 维 s e d 3 d 维 相连运行 如果有已知水力参数 还可将 1 5 河海大学硕士学位论文 水力参数作为输入参数单独运行 水质模型由两个模块组成 模拟常规水质的e u t r 0 5 模型 模拟有毒物质 污染的t o x l 5 模型 e u t r 0 5 模型用来分析传统的污染项目 包括溶解氧 生 化需氧量 氨氮 叶绿素q 有机氮 硝酸盐 有机磷 无机磷等物质在水体中 的迁移变化情况 t o x l 5 模型用来模拟有毒物质的污染 包括有机化学物质 金属和泥沙等 2 3 2 水质模型基本方程及其求解 1 水质模型基本方程 w a s p 5 水质模型是综合型水质模拟模型 它利用变步长空间模型 分析各 种水体中 塘 溪 湖 水库 河流 河口等 水质变化问题 其模型的坐标系统 如图2 3 2 x 和y 轴在水平面上 z 轴在垂面上 4 0 1 詈 一昙u x 虬c 一昙o y q c 一昙 址c 丢c t 篆 杀c b 詈 昙c t 篆 乳 s b s 足 2 1 1 6 第2 章平原河网区水环境容量模型系统研究 水位流速变化均匀 水质浓度无悬殊变化 单元体污染物质的交换通过随水体对 流及交界面上的扩散而进行 单元污染物浓度以形心处浓度代替 它随时间的变 化 取决于交界面上的对流扩散输运 单元内污染物的降解及源项的汇入 y 图2 3 3 模型单元结构 本论文研究一维河网水质 因此只考虑一维扩散 即假定垂向和横向是均匀 的 这样就可以得到下面的一维水质组分运移方程 昙 删 三 一u a c 地a 要 a s 工 s b a s k 2 1 1 0 to xo x 式中 a 一横截面面积 m 2 其余符号意义同上 从这一方程基本形式出发 可以写出各种水质指标的表达式 2 方程的离散 方程的离散采用显示差分格式 时间差分采用e u l e r 前差分 即时间前差一 空间中心差分 2 7 差分形式如下 华叫叫 2 v 华 v 华l lj 2 1 2 e 三兰生铲 s t s b s k 式中 v 为对流因子 v 的取值不同 可以改变对流项差分的性质 模型中考虑污染物迁移转化的机理包括 河海大学硕士学位论文 表面水对流 水的对流直接控制着溶解和颗粒态污染物在水体中的迁移 而且 流速和水 深的变化能影响大气的复氧 污染物的挥发和光解作用 水质模拟的第一步是要 知道正确的对流过程 w a s p 5 水质模型的水流资料由相应的河网水量模型提供 孔隙水对流 孔隙水可以流入流出底泥 对底泥中的污染物浓度有着非常明显的影响 孔 隙水的对流也能引起上层水体污染物的变化 源或漏 假如模型中包括底泥部分 就要指定溶解污染物在底泥中的对流迁移 孔隙 水对流能引起溶解污染物的迁移 但不影响沉积物和颗粒污染的迁移 污染物迁 移质量方程为 从格网j 到格网i f 4 1 等唱如岛h 2 1 3 式中 m 腑一污染物k 在格网i 中的质量 g c j k 一污染物k 在格网j 中的总浓度 m g l g m 3 刀 一格网j 的孔隙率 l 以 一格网j 中污染物k 的溶解率 q 厅一从格网j 到格网i 的孔隙流量 m 3 d 其中 用户可以在数据文件中定义污染物k 在格网j 中的溶解率 即f d j k 的 值 污染物扩散 扩散交换也显著地影响溶解和颗粒污染物的迁移 在河流中 纵向扩散对突 发性污染物的稀释有着一个非常重要的作用 扩散方程为 盟 掣 一q ot 厶i 叫 7 孔隙水扩散 2 1 4 孔隙水扩散交换能显著地影响底泥中污染物的浓度 孔隙水中的污染物能对 上层水体的污染物量产生影响 由于上层格网与下层格网可能不是一对一的 所以应计算每单位孔隙水的溶 解污染物扩散 实际的计算公式为 第2 章平原河网区水环境容量模型系统研究 堕 骅 鱼生一丝 c a t l c q n j n l n u 2 1 5 式中 n i j 格网i 和格网j 的平均孔隙率 其余意义同上 对流因子v 对流因子v 是为修正别西的有限差分近似值而增加的项 v 0 为后差分 这是非常稳定的差分方法 v 0 5 为中心差分 中心差分会使本水质模型计算不 稳定 故不使用 v 不等于0 对于防止数值离散有一定的作用 对给定流速 长度 时间步长 v 不等于0 可减少离散值 根据b e l l a 和g r e n n e y 1 9 7 0 总数值离散乜 罢 1 2 y 三一u a f 所以v 在此模型中取0 0 4 3 单元体 的体积和积分时间步长 单元体 的体积与模拟时间步长直接相关 单元体 的尺度主要由所考虑的 问题性质决定 用户要考虑水质变化的频率分配 水体和输入负荷的时变性 重 要变量的非线性 水体的空间特征变化 对水质浓度空间变化的期望等 单元 体 体积大致相等有助于获得较精确的模拟 并可允许较大的时间步长 划分单 元体体积要根据水体断面变化的实际情况 在上 下游变化较大的地方 单元 体 体积也要作相应变化 对于给定了 单元体 和迁移参数的有限差分方程 为保持稳定性并使数值离 散值最小 就必须限定时间步长和必须保证污染物的对流 扩散 降解量小于其 总量 q c r cj s xv y a t c o i 则说明i 河段有稀 释容量 其值为q i c s j c o j 如果c s j c o i 则i 河段的稀释容量为0 最后 将i 河段的自净容量与稀释容量相加 即可求出i 河段一个时间段的 环境容量 按照这个方法可以求出所有河段各个时间步长的环境容量 累加即可 求得不同功能区的典型年的环境容量 需要特别说明的是 对边界条件的选取 在计算现状环境容量时 所有边界 河道的水质按现状的浓度来选取 预测2 0 1 0 年和2 0 2 0 年环境容量时 边界河道 的水质取其相应的水质目标 2 5 2 环境容量计算程序流程图 水环境容量计算程序流程见图2 5 2 3 9 河海大学硕士学位论文 上 j 图2 5 2 水环境容量计算程序流程图 第3 章昆山市水环境容量模型建立 第3 章昆山市水环境容量模型建立 3 1 昆山市水系特征 昆山市地处长江三角洲 位于江苏省东南部 全市面积9 2 7 6 7 平方公里 其中水域面积2 1 2 7 平方公里 占总面积的2 3 1 昆山市属太湖流域中的阳澄淀泖水系 以沪宁铁路为界 铁路以南为淀泖水 系 铁路以北为阳澄湖水系 境内河道纵横交错 湖塘星罗棋布 支流密布 脉 脉相连 形成江河相通 湖泊相连的水系网络 昆山全市有大小河道2 3 1 1 条 总长度2 6 3 5 k m 昆山市水系分布图见图3 1 2 3 2 昆山市河网水动力模型建立 3 2 1 河网概化 1 河网概化原则 主要骨干河道概化 对于主要的骨干河道必须作为单独的概化河道 次要河道概化 对于有些次要的河道 可以将两条或更多条平行的河道 用一条概化河道来 代替 当这些平行河道具有断面资料 且首末节点相同 则亦可用水力学方法 根据过水能力相同原理 求得合并概化河道的断面参数 但由于这些平行河道往 往缺乏断面资料 且首末节点并不相同 通常先凭经验来确定概化河道