杜娟
(上海勘測設(shè)計研究院,上海 200434)
M IKE11 在引清調(diào)水效果分析中應(yīng)用
杜娟
(上??睖y設(shè)計研究院,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 作為計算平臺,構(gòu)建了潁上縣河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型。模型計算結(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,加上水體流動性較差,河道出現(xiàn)了季節(jié)性或常年性的黑臭。下文通過安徽省潁上 縣 的設(shè)計實例,利用 M IKE11 計算軟件,結(jié)合污染負(fù)荷預(yù)測計算,評估規(guī)劃方案改善規(guī)劃區(qū)水系水質(zhì)的作用等問題。
潁上縣隸屬阜陽市管轄,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、西淝河和小潤河等?;春邮强h域南部界河,在潁上縣境內(nèi)長 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,發(fā)源于河南省西部伏牛山脈,地跨豫、皖兩省,河道全長 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)阜陽市的界首、太和、阜陽、潁上等縣市,于沫河口入淮河,安徽省境內(nèi)河道長約 207 km,其中潁上縣境內(nèi)長約103 km。
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。引水水源為潁河閘上潁河來水,考慮到五里湖大溝的水質(zhì)保護(hù)要求以及水動力條件,排水方向為潁河閘下。
水體流動總體方案為“北引南排”,即河西片從潁上閘上通過新建的五里井閘引水,從許廟站及曹溝涵排水;河?xùn)|片從新長林排灌站引水進(jìn)城,通過五里溝排澇涵及五里溝排澇站排水。
通過可引水量分析,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。
3.1 水動力水質(zhì)模型
采用水量水質(zhì)耦合模型分析計算規(guī)劃方案對改善水體流動性、縮短水體置換周期、提高水環(huán)境質(zhì)量的作用和效果。模型采用丹麥國家水力學(xué)研究所開發(fā)的一維非恒定流水動力與水質(zhì)計算軟件M IKE11 為建模平臺,應(yīng)用的計算模塊包括水動力(HD)模塊、對流擴(kuò)散(AD)模塊、控制建筑物模擬(SO)模塊等。
1)水動力模型
描述水流在明渠中運(yùn)動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)動量方程:
質(zhì)量方程:
式中:t,x——時、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——分別是各斷面的過水?dāng)嗝婷娣e,m2,水面寬,m;水力半徑,m;q——單位河長的均勻旁側(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性雙曲型偏微分方程,無法通過解析法精確求得計算結(jié)果,采用Abbott六點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 水動力(HD)模塊、控制建筑物模擬(SO)模塊搭建水動力模型。
2)水質(zhì)模型
規(guī)劃范圍水系水深相對較淺,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)動以及污染物的擴(kuò)散相關(guān),水質(zhì)過程符合一階動力反應(yīng)式,水質(zhì)過程的控制方程
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,依附于水動力方程組采用 6 點隱差分格式進(jìn)行數(shù)值求解,應(yīng)用 M ike 11軟件AD模塊作為計算平臺。
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)的河道容積與實際河道容積基本上保持一致,河道斷面過流能力、控制建筑物規(guī)模及調(diào)度情況與實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100.85 km,河 網(wǎng)概化密度 1.26 km/km2,概化湖泊 3 處,沒有概化的水面通過附加蓄水容積反應(yīng)在計算河網(wǎng)中。概化控制建筑物 26處。概化后模型共有水位計算節(jié)點 170 個,流量計算節(jié)點 85 個。
根據(jù)近遠(yuǎn)期水體流動方案,根據(jù)污染負(fù)荷預(yù)測,分別計算近遠(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)計分析。見表 1和圖1,2。
表1 各代表斷面水質(zhì)改善效果統(tǒng)計表
圖1 引調(diào)水方案各代表斷面 COD 變化過程線
1)利用感潮河網(wǎng)模型軟件對潁上縣城區(qū)河道進(jìn)行河網(wǎng)概化,構(gòu)建了一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型。
2)通過計算引水 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 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),滿足潁上縣城區(qū)內(nèi)河水系水質(zhì)控制目標(biāo)。
動量方程:
TV67
A
1002-0624(2014)07-0004-02