駱菲菲++曹慧哲++鄭彤++李彪+王鵬

摘要：我國是一個水污染事故多發(fā)的國家，在南水北調(diào)工程全面通水前，需要提前針對可能發(fā)生的突發(fā)水污染事故開展研究。通過利用SMS水動力學軟件，以中線某段為例，模擬分析明渠中水的流動狀態(tài)及突發(fā)水污染時污染物的擴散過程；并在此基礎上分析采用設置導流壩配合退水渠進行污染團導流的應急處置效果。以期為渠道管理和污染事故處理提供理論和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；導流；退水渠；污染物擴散

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05010204

Simulation of diversion and recession flow for sudden water pollution accidents in open channel

LUO Feifei，CAO Huizhe，ZHENG Tong，LI Biao，WANG Peng

（Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China）

Abstract：China is a country with water pollution accidents occurring frequently.Before full completion of the SouthtoNorth Water Diversion project，we need to research the sudden water pollution accident that may occur in advance.Using the hydrodynamic software SMS，the flow state in open channel and the pollutants diffusion process were simulated when sudden water pollution occurred in a typical segment of the middle route main channel.Based on that，the emergency disposal effect with the use of setting the diversion dam and escape canal was analyzed.It provides technical support for channel management and pollution accident treatment.

Key words：numerical simulation；diversion；escape canal；pollutant diffusion

2 模擬結(jié)果與分析

收集京石段明渠相關(guān)資料建立兩個模型。一為原始渠道模型，即模型A。另一為設置導流壩、開啟退水閘后的渠道模型，即模型B。渠段模型全長244 km，坡度是1∶20 000，渠道斷面底寬185 m，邊坡比為25，渠道糙率為0015。退水渠長07 km，入口寬6 m。當突發(fā)水污染事故后，利用不過水材料在渠道中設置導流壩。由于渠道模型較短，流速較

小，設置導流壩后，壅水情況不明顯，故而不考慮導流壩的設置高度。本文將設計流量和水深作為邊界條件，利用SMS的RMA2模塊，計算兩模型渠道的流場分布，并在此基礎上，利用RMA4模塊，模擬模型中游某點處突發(fā)水污染時，污染物的遷移擴散過程[12]。在模擬的過程中，僅考慮設置導流壩前后對污染團擴散過程的影響。

2.1 原始渠道模型（模型A）模擬結(jié)果

2.1.1 模型A的流場模擬結(jié)果

RMA2是SMS軟件最重要、最基本的模塊，主要用于計算平面二維具有自由表面流場的水位、水深及平面流速等[13]，是以NS方程為基礎、以伽遼金有限元為基本求解方法的二維沿水深平均的水動力數(shù)值計算模型[14]。給定上邊界流量75 m3/s，下邊界水位為63.8 m，渠底糙率0.015，紊動黏性系數(shù)為20。

經(jīng)過計算，干渠流速分布范圍為0.3～0.8 m/s，下游流速最高可達0.6 m/s。明渠是典型的重力流，渠道的坡降變化將影響流速大小的變化。模擬的結(jié)果也驗證了這一點，上游斷面上各處流速基本保持一致，當水流至下游斷面時，由于途中高程變化不一致，使得下游斷面上各處流速變化趨勢明顯不一致。各點流速變化趨勢與高程差的變化趨勢保持一致，即地勢下降較快的位置，局部流速增幅較大，反之，則較小。

2.1.2 模型A的污染物濃度場模擬結(jié)果

RMA4模型是美國陸軍工程兵團河道試驗站在RMA2平面二維有限元水動力學模型的基礎上開發(fā)的平面二維有限元法污染物輸移數(shù)值模型，一般試用于污染物濃度在垂直方向充分混合的情況[15]。假設于渠道中游某點突然發(fā)生污染物的泄漏事故，總泄露量約為25 kg，泄漏曲線為y=150exp（-4.5t），濃度單位為mg/L。時間步長取006 h，計算總時長為3 h。經(jīng)過RMA4模塊的計算，得到不同時刻下污染物的擴散情況見圖3。

2.2 設置導流壩、開啟退水渠后的渠道（模型B）模擬結(jié)果

2.2.1 模型B的流場模擬結(jié)果

由計算結(jié)果可知，設置導流壩、開啟退水渠后，壩前流速范圍為0.4～0.6 m/s，壩后流速迅速減到0.2 m/s以下。其中，壩下過流斷面上平均流速為0.246 m/s，而模型A中同一位置處渠道過流斷面上平均流速為0.19 m/s。但由于設置導流壩后，干渠過流斷面急劇減小，流量僅為6.15 m3/s，為設置前的21.2%。

2.2.2 模型B的污染物濃度場模擬結(jié)果

在相同的泄露位置和泄露曲線下，計算模型B的污染物擴散結(jié)果得到圖4。

可以發(fā)現(xiàn)同一時刻下設置導流壩的渠道下游中污染物擴散的面積較小，污染物擴散速度較慢。由圖6可知，當污染物與水體在渠道斷面上完全混合后，污染物沿縱向擴散時在渠道斷面上將均勻分布。則在污染物均勻分布的前提下，應急處置中可直接根據(jù)流量分配的比例，計算出模擬結(jié)果中約有788%的污染物經(jīng)退水渠排出，排出總量為197 kg。

2.3 模型A與模型B的比較

2.3.1 兩模型污染物濃度隨時間變化的比較

取導流壩所在位置為一觀測斷面，由其污染物濃度變化圖（圖5）知此處兩模型中濃度變化曲線一致，峰值相差不大。而在下游末端斷面處，模型B中污染物濃度為0（圖6），即經(jīng)過退水后，干渠中的污染物濃度可以通過稀釋，降解等過程自行降低。

3 結(jié)論

可以利用SMS軟件，針對渠道突發(fā)污染事故，通過模擬污染物的變化來分析設置導流壩結(jié)合退水閘退水的應急處置措施的實施效果。經(jīng)過模擬計算發(fā)現(xiàn)，設置導流壩后，壩后的干渠污染物濃度大幅減少，沿程擴散的速度也有明顯減緩。本文的模擬結(jié)果對突發(fā)水污染事故時，應急處置方案的設定具有一定的參考價值，并對相關(guān)方案的可操作性評價具有指導意義。

作為世界上迄今為止最大規(guī)模的調(diào)水工程，南水北調(diào)工程將在緩解南北水資源供需矛盾中發(fā)揮重要作用[12]。在逐漸完工的中線明渠段中，控制建筑物和交叉建筑物眾多，一旦出現(xiàn)突發(fā)性水污染事故，將嚴重影響輸水渠道水質(zhì)安全[34]。目前，對于突發(fā)水污染事故應急處置的研究主要集中在預警系統(tǒng)的開發(fā)、污染物的物理化學處理方法的改進等方面[57]，甚少從限制水體中水流特性的角度研究污染物的應急處置方法。本文采用水動力學軟件SMS[8]（其全稱為SurfaceWater Modeling System）利用其RMA2和RMA4模塊，通過模擬設置導流壩前后渠道中污染物的擴散過程，分析導流退水對污染團擴散的限制效果，為突發(fā)水污染事故應急處置方案的研究提供更多的思路。

1 模型的建立

污染物進入水體后，首先與周圍水體混摻而擴散。當污染源的動量或者浮力作用逐漸消失、完成垂向擴散過程后，污染物質(zhì)將隨水流運動，并由于紊動而繼續(xù)橫向擴散。當擴展至全河（渠）寬，并且斷面完全混合后，將沿縱向繼續(xù)隨流離散[9]。

中線干渠寬深比較大，雖然垂向擴散會很快完成。但是，從污染物進入水體，到橫向擴散作用與縱向離散作用達到平衡，是一個相當緩慢的過程。為了準確模擬水污染事故發(fā)生后，流場和濃度場的發(fā)展規(guī)律，故采用平面的二維數(shù)值模型[1011]。

連續(xù)性方程：

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