平面二维动态水质数学模型.pdf

辑第卷第期 年月 水动力学 研究与进展 平面二维动态水质数学模型 吴时强丁道扬 南京水利科学研究院 南京 吴碧君马英 电力工业部 电力保护研究所 南京 摘要本文根据工业环境影响评价的需要 提 出了一个平面二维动态水质数学模型 该水 质数学模型以一 为评价参数 考虑 了大气复氧 和的降解和沉淀 底泥耗氧 温度等影响因素 针对具体评价河流 本文进行了模型参数的选取及灵敏度分析 并对 该模型进行了验证与应用 结果表明该水质模型具有较高的计算精度和较强的预测能力 为工程 环境影响评价提供了一个有力的工具 关键词水质模型 数值模型 剖开算子法 黄浦江 吴径电厂 前言 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高 水环境问题已越来越受到人们的关注和重 视 水质模型是预测评价水环境问题的重要手段之一 近几十年来 国内外许多学者已开展了 大量的研究工作 针对所研究问题的不同 提出了许多水质模型 巨 综观现有的一些水质模 型或简化的二维模型 预测结果也往往只有纵 向分布 缺乏空间分布 在研究工程环境影响问 题中 通常要求了解工程所带来的水质平面上动态变化 这就需要有一个二维动态水质模型来 进行预测 本文结合黄浦江上游江段实际情况 提出了一个平面二维动态水质数学模型 并利用这个 模型论证了吴径电厂六期扩建工程冷却水 列式排放方式对下游水源厂水口水质的影 响 平面二维动态水质模型 的建立 平面二维水流数学模型 基本方程 平面二维水深平均 的含源汇作用的水流基本方程为 玉而而 二万 十 万一 十 万一 虎 丁 四 孤面撇 无 刁 二 撇 刁 撇 下丁十 一兀二 十 一不丫 一 言二 十 百二气城月 不夕十不 从月万三少 一 礴 以石叹 沈 口 尸 本文于年月 日收到 水动力学研究与进展年第期 而撇 次夕刃 灸 二 二 而 二 而 而不干万 牙 二屯一 十 一育二 了 一什一不二 下 一 不 州一石二又从 万二一不二火竹月不二少一 一一一万厂一一一 十 又夕 口少 左 沈口沙口 这里 为水位为水深 分别为 方 向流 速为源汇单位面积流量 源时取正 汇 一 二人 一 一 一 时取负 分别为源汇输入出河道时 向的流速 一 言 为谢才系数 为水力半 径为河床糙率 从 为紊动粘性系数 定解条件 初始条件为 工 夕 一与 势 芯 少 丫 一 份 少 戈刀 戈工一 刃 又工 边界条件为 上游边界给定流量条件 下游给定水位条件 数值方法 由式组成 的水流模型基本方程 可采用剖开算子法来求离散求解 采用这一方法 可针对方程的非线性混合算子特性 剖分成若干个子算子方程 并就不 同算子特性采用各 自适 应的数值方法求解 从而可有效地提高计算精度和计算稳定性 并解决了方程非线性困难 详 细求解过程可参见文献 平面二维水质数学模型 针对工程实际需要 平面二维动态水质数学模型选择 一 作为评价参数 考虑到大气复氧 和的降解和沉淀 底泥耗氧 温度等影 响因素 确 定由 和增温量 五个组份方程组成水质模型基本方程 基本方程 孔 撇 乙加 口 笼 刁 孤 二畏开 二只 于巡 二夭拼三一 之 子 最几 子 一 众 决 七 即肚 一 七 即一 一 即 一 一 一一 二 孤 而 二 刁 气 孤 刁 脱 二残二 二于于巡 二共子 异 二 一 之 二 二影 十最 二 影 一跳 厌 肚 即七 一 一 七 即 一少一 即 一 一胡 一 苑 撇 下丁 一二万一一 十 成 工 而 即 一 孚 华 孚万孪 口沈 丈 卿 一 卿 一一 一 己 一 韶 撇而 日 芜 韶 不一 一不二一 十 一不二一一 砚 气刀 月不二十不刀 月 万下 一幻月七十式 皿 亡又建 口止 侃既 口乡户 俘 少 刁 流 而 刁 二二 刁 刁 二 刁 一一一 二丁一一 十 十 二了一一一 一 又一气乙 一二不一一夕一卜 只一又乃 二 一一 少 一 优 以 卿 叹 卿 一 卿 脚 十 式中 为含碳化合物耗氧浓度 二 为沿程源汇输送的浓度 为 吴时强等 平面二维动态水质数学模型 耗氧速率系数和沉浮速率系数 二 分别为毛向扩散系数为含氮化合物耗 氧浓度为沿程源汇水体浓度舔 跳 分别为耗氧速率系数和沉浮速率系 数 为溶解氧浓度 为在当时水温下溶解氧饱和浓度为大气复氧系数 为 沿程源汇水体浓度为底泥耗氧速率系数为底泥覆盖系数为化学耗氧量 浓度 为递减系数 为源汇强度 为水体增量 为水面综合散热系数 川 为水体定压比热通 量 为沿程源汇水体超温值 由 一 式构成了二维水质数学模型的基本方程 定解条件 初始条件为 少 夕 二 少 少 夕 夕 一 少 夕 厂 边界条件为 入流边界 巾一中 出流边界 出流边界法向单位矢量 数值方法 式可写成统一形式 冲 伽 一 中分别表示 及 等物理量 为 冲 撇吸加吸 刁赶 冲八 刁赶 冲 一不丁一 十 一一万 一 十 一 不一一 一 刃一又刀 月 二干一 十 贬二咬刀 月 下一 卿既既卿 一 卿 一从电 从一吸一片一吸一 巾 一 分别表示 及 等物理量 方程中各系数含义如表所 表各组份方程系数 组份份电电 片片 产一 片一中 一 电 一 十 一一 一 了 川 对于式 仍选用剖开算子法 将其剖分为对流分步 扩散分步及反应分步 对流分步和 扩散分步求解过程与水流计算类同 这里仅说明反应分步的计算 水动力学研究与进展 年第期 反应分步的算子方程为 秘 魔 一 一八电 令夕 一一中 并假设吸 一 电一 一十 产 一 电一 片 一 电 一 一吸 在计算吸组份时反应步 内为线性分布 即 式 中 戊 中州子一中夕全孑 尽 一 一 中 一 一 稗绍 电 一 一中对尸 卿士牙一 中对穿 戊 一 尽 一 各符号上标及 一十 分别表示 时刻及 时刻 即扩散分步计算值 的物理量值 由此可得到 卿 一 一 双 其中 产卜 月 一 一对 一卿 片 一 中六孑触一电寸孑 八一 汉 一 卜 尸 片一中肚尹从一禽仁少 产 片一 戊 一 十从 一 八 一 从 声矛 由式即可求得高时位 十 时刻的各组份值 一 和浓度计算方法 在水质模型中 组份浓度与一浓度存在以下经验关系川 川 一 这里 一为氨氮浓度 由式可确定一 的浓度 浓度换算方法为假设在污染物排放后天 内好氧菌仅对含碳化合物氧化 而抑制硝 化作用 则 与 浓度 间有以下关系式 巨 一 一 一 一 为天生物耗氧量 在求得组份浓度言可确定 的浓度 模型参数 的选取及其灵敏度分析 模型参数的选取 前面提出的水流水质数学模型中 包含着许多待定参数 这些参数的选择与河流的特定情 况有密切关系 尤其是水质模型中的一些参数 局限性较大 目前尚未有通用性较好的参数值 这里根据黄浦江多年实测资料 选定模型参数川 水温下各参数值标准值为表 所示 对于不 同的水体温度 水质模型参数需进行修正 叭必 一 其中 叭为水温 下各参数值必 为各参数标准值为修正系数口 为水体温 度 吴时强等平面二维动态水质数学模型 表模型参数值 参参数数 城城 万万 标标准值值 一一 温温度修正系数数 注 上面的值为涨潮时的值 下面的值为落潮时的值 模型参数灵敏度分析 水质模型中 各参数除考虑水温对其影 响外 没有计及其时空变化 为了评估参数选取精 度对结果的影响 对参数进行了灵敏度分析 传统的分析方法是在众多参数中变动欲考察的某 个参数 保持其它参数不变 研究其对模型输出值的影响 选择溶解氧浓度作为模型输出值 对 有直接影响的参数有 岛 及 二 和几 对考察参数摄动士 分别计算两个潮型 夏季大潮水文条件和冬季小潮水文条件 各参 数对浓度的灵敏度分析结果如表所示 可见所有 系数中 复氧系数及底泥耗氧速率对 浓度影 响最 为敏感 尤其是夏季大潮水文条件下 的灵敏度为 而为写 扩 散系数的影响不大 同时冬季小潮水文条件下 各参数的灵敏度均较小 表灵敏度分析 水水文文灵敏度 条条件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件 二 大大潮水文条件件 小小潮水文条件件 水质数学模型的验证与应用 水质模型的验证 利用黄浦江上游段河流 同步监测的水文水质资料 对本文提出的二维动态水质模型进行 验证计算 水文水质监测点及断面布置如 图 所示 验证计算结果见表 由表 可见 一 等组份浓度计算误差均在 以内 说明模型计算结果与 监测结果相符程度较好 表明水质模型具有较高的预测精度 水质模型的应用 位于黄浦江上游西侧 的吴径电厂为提高冷却水的冷却效率 拟 采用 西取东排 的排水方 案 即在西岸取水 东岸排水 由于西岸集中了许多工厂的排污口 在该工程建设前的监测结果 表明 西侧的水质比东侧 差 工程投产运行后 可 能会因冷却水的东排而把西侧水质差的水体 迁移至东侧 影响东侧下游的水源厂取水口处水质 需对该工程 的环境影响进行预测评价 这 是一个典型的平面二维水质问题 而且黄浦江为感潮河流 其水流为非稳定流 因此必须选用 水动力学研究与进展 年第期 平面二维动态水质模型来评价 表水质模型验证计算结果 大大潮水文条件件小潮水文条件件 测测测监测测 一义 测测 监测测 一 以 点点点 时间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间点点时间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间 计计计计算算实测测计算算实测测计算算实测测测测计算算实测测计算算实测测计算算实测测 一 尽尽 名 采用本文提出的二维动态水质模型 以 一 为评价参数 计算结果如图 所示 比较工程投产前后水质变化情况可见 水源厂的取水口处水体一和浓度变化 甚小 而浓度工程投产后 在落潮时有所增加 但其值小于该厂投产前的最大浓度 因此工程的建设不会加重水源厂取水口处水体污染程度 也不致降低其水质等级 结语 本文提出了一个平面二维动态水质模型 该模型能较好地反映工程建设引起的水质平面 变化情况 验证结 果表明 该模型具有较强的预测能力 可用于评价新建 扩建工程环境影响问 题 参考文献 金士博著 杨汝均 候然杰编译水环境数学模型中国建筑工业 出版社 年月 傅国伟 河流水质数学及其模拟计算 中国环境科学出版社 年 一 解 一一 吴时强等平面二维动态水质数学模型 一 吴时强 丁道扬 剖开算子法解具有自由表面的平面紊流速度场水利水运科学研究 河海大学等 黄浦江准动态水质模型及上游调水对污染治理作用的研究 月 吴碧君 马英吴径热 电厂六期扩建工程取排水对黄浦江水质影响调查投产前阶段报告电力工业部电 力环境保护所年月 吴时强 丁道扬吴径热电厂六期扩建