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        M IKE11 在引清調(diào)水效果分析中應(yīng)用

        2014-03-22 08:30:54杜娟
        東北水利水電 2014年7期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)污染模型

        杜娟

        (上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,上海 200434)

        M IKE11 在引清調(diào)水效果分析中應(yīng)用

        杜娟

        (上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,上海 200434)

        為改善安徽省潁上縣新城水系河網(wǎng)水質(zhì),在分析外圍水系條件的基礎(chǔ)上制定了潁上縣水資源引清調(diào)度方案,并利用 M IKE11 作為計(jì)算平臺(tái),構(gòu)建了潁上縣河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型。模型計(jì)算結(jié)果表明,引清調(diào)度方案在一定程度上可以改善河網(wǎng)水質(zhì)。

        引清調(diào)水;M IKE11;改善水質(zhì);安徽潁上縣

        由于城市化快速擴(kuò)張,工業(yè)化進(jìn)程加快等因素,城市河網(wǎng)水體受到污染,加上水體流動(dòng)性較差,河道出現(xiàn)了季節(jié)性或常年性的黑臭。下文通過(guò)安徽省潁上 縣 的設(shè)計(jì)實(shí)例,利用 M IKE11 計(jì)算軟件,結(jié)合污染負(fù)荷預(yù)測(cè)計(jì)算,評(píng)估規(guī)劃方案改善規(guī)劃區(qū)水系水質(zhì)的作用等問(wèn)題。

        1 項(xiàng)目區(qū)概況

        潁上縣隸屬阜陽(yáng)市管轄,位于安徽省西北部,淮河中游北岸,總面積 1 859 km2。潁上縣境內(nèi)河湖眾多,主要河流有淮河、潁河、西淝河和小潤(rùn)河等?;春邮强h域南部界河,在潁上縣境內(nèi)長(zhǎng) 98 km,縣域內(nèi)主要支流有潁河、西淝河等。

        潁河是淮河的最大支流,由北向南從縣域中部穿過(guò),發(fā)源于河南省西部伏牛山脈,地跨豫、皖兩省,河道全長(zhǎng) 619 km,流域總面積 36 651 km2。潁河自界首進(jìn)入安徽省境內(nèi),并流經(jīng)阜陽(yáng)市的界首、太和、阜陽(yáng)、潁上等縣市,于沫河口入淮河,安徽省境內(nèi)河道長(zhǎng)約 207 km,其中潁上縣境內(nèi)長(zhǎng)約103 km。

        2 引清調(diào)水方案

        利用潁上閘上蓄水水位較高,與閘下水位以及規(guī)劃區(qū)水系常水位有一定落差的有利條件,引水入城加強(qiáng)水體流動(dòng)。引水水源為潁河閘上潁河來(lái)水,考慮到五里湖大溝的水質(zhì)保護(hù)要求以及水動(dòng)力條件,排水方向?yàn)闈}河閘下。

        水體流動(dòng)總體方案為“北引南排”,即河西片從潁上閘上通過(guò)新建的五里井閘引水,從許廟站及曹溝涵排水;河?xùn)|片從新長(zhǎng)林排灌站引水進(jìn)城,通過(guò)五里溝排澇涵及五里溝排澇站排水。

        通過(guò)可引水量分析,常規(guī)引水流量為 7 m3/s,河西片引水流量為 5 m3/s,河?xùn)|片為 2 m3/s。

        3 河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型

        3.1 水動(dòng)力水質(zhì)模型

        采用水量水質(zhì)耦合模型分析計(jì)算規(guī)劃方案對(duì)改善水體流動(dòng)性、縮短水體置換周期、提高水環(huán)境質(zhì)量的作用和效果。模型采用丹麥國(guó)家水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的一維非恒定流水動(dòng)力與水質(zhì)計(jì)算軟件M IKE11 為建模平臺(tái),應(yīng)用的計(jì)算模塊包括水動(dòng)力(HD)模塊、對(duì)流擴(kuò)散(AD)模塊、控制建筑物模擬(SO)模塊等。

        1)水動(dòng)力模型

        描述水流在明渠中運(yùn)動(dòng)的一維非恒定流基本方程是圣維南方程組,包括式(1)質(zhì)量方程與式(2)動(dòng)量方程:

        質(zhì)量方程:

        式中:t,x——時(shí)、空變量;Z,Q,U——分別是各斷面的水位,m,流量,m3/s,流速,m/s;A,B,R——分別是各斷面的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2,水面寬,m;水力半徑,m;q——單位河長(zhǎng)的均勻旁側(cè)入流;n——河道糙率系數(shù);g——重力加速度,9.8 m/s2。

        圣維南方程是二元一階擬線(xiàn)性雙曲型偏微分方程,無(wú)法通過(guò)解析法精確求得計(jì)算結(jié)果,采用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式離散偏微分方程組,并補(bǔ)充定解條件推求近似結(jié)果。采用 M IKE11 水動(dòng)力(HD)模塊、控制建筑物模擬(SO)模塊搭建水動(dòng)力模型。

        2)水質(zhì)模型

        規(guī)劃范圍水系水深相對(duì)較淺,污染物質(zhì)分布在斷面上較為均勻,因此選用一維非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型。城市地區(qū)主要為生活污水及工業(yè)廢水排放污染,內(nèi)河主要污染物質(zhì)為有機(jī)物,因此水質(zhì)指標(biāo)選用 COD 和 NH3-N 進(jìn)行分析。

        污染物質(zhì)在水中的分布與濃度主要與自身的降解、隨水流的運(yùn)動(dòng)以及污染物的擴(kuò)散相關(guān),水質(zhì)過(guò)程符合一階動(dòng)力反應(yīng)式,水質(zhì)過(guò)程的控制方程

        式中:C——某種水質(zhì)指標(biāo)(如 COD)的濃度,mg/L;A——斷面面積,m2;Q——斷面流量,m3/s;EX——縱向擴(kuò)散系數(shù),m2/s;K——生物降解系數(shù),d-1;C2——外部匯入同種污染物質(zhì)的濃度,mg/L;q——附帶該污染物質(zhì)的旁側(cè)入流流量,m3/s。

        該方程為偏微分方程,依附于水動(dòng)力方程組采用 6 點(diǎn)隱差分格式進(jìn)行數(shù)值求解,應(yīng)用 M ike 11軟件AD模塊作為計(jì)算平臺(tái)。

        3.2 河網(wǎng)概化

        河網(wǎng)概化遵循突出主干河道,使概化后河網(wǎng)的河道容積與實(shí)際河道容積基本上保持一致,河道斷面過(guò)流能力、控制建筑物規(guī)模及調(diào)度情況與實(shí)際情況相一致的原則。

        規(guī)劃范圍內(nèi)共概化河道 85 條(段),總長(zhǎng)100.85 km,河 網(wǎng)概化密度 1.26 km/km2,概化湖泊 3 處,沒(méi)有概化的水面通過(guò)附加蓄水容積反應(yīng)在計(jì)算河網(wǎng)中。概化控制建筑物 26處。概化后模型共有水位計(jì)算節(jié)點(diǎn) 170 個(gè),流量計(jì)算節(jié)點(diǎn) 85 個(gè)。

        4 水質(zhì)改善效果

        根據(jù)近遠(yuǎn)期水體流動(dòng)方案,根據(jù)污染負(fù)荷預(yù)測(cè),分別計(jì)算近遠(yuǎn)期引清調(diào)水后內(nèi)河水系各代表斷面水質(zhì)改善情況,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。見(jiàn)表 1和圖1,2。

        表1 各代表斷面水質(zhì)改善效果統(tǒng)計(jì)表

        圖1 引調(diào)水方案各代表斷面 COD 變化過(guò)程線(xiàn)

        5 結(jié)語(yǔ)

        1)利用感潮河網(wǎng)模型軟件對(duì)潁上縣城區(qū)河道進(jìn)行河網(wǎng)概化,構(gòu)建了一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型。

        2)通過(guò)計(jì)算引水 7 d 后規(guī)劃范圍水系水質(zhì)同樣有較大改善,各代表斷面的 COD 和 NH3-N 指標(biāo)基本可達(dá) IV 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),滿(mǎn)足潁上縣城區(qū)內(nèi)河水系水質(zhì)控制目標(biāo)。

        動(dòng)量方程:

        TV67

        A

        1002-0624(2014)07-0004-02

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