明渠突發(fā)水污染導(dǎo)流退水工況的模擬

駱?lè)品?+曹慧哲++鄭彤++李彪+王鵬

摘要：我國(guó)是一個(gè)水污染事故多發(fā)的國(guó)家，在南水北調(diào)工程全面通水前，需要提前針對(duì)可能發(fā)生的突發(fā)水污染事故開展研究。通過(guò)利用SMS水動(dòng)力學(xué)軟件，以中線某段為例，模擬分析明渠中水的流動(dòng)狀態(tài)及突發(fā)水污染時(shí)污染物的擴(kuò)散過(guò)程；并在此基礎(chǔ)上分析采用設(shè)置導(dǎo)流壩配合退水渠進(jìn)行污染團(tuán)導(dǎo)流的應(yīng)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(dǎo)流；退水渠；污染物擴(kuò)散

中圖分類號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

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(gè)模型。一為原始渠道模型，即模型A。另一為設(shè)置導(dǎo)流壩、開啟退水閘后的渠道模型，即模型B。渠段模型全長(zhǎng)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(zhǎng)07 km，入口寬6 m。當(dāng)突發(fā)水污染事故后，利用不過(guò)水材料在渠道中設(shè)置導(dǎo)流壩。由于渠道模型較短，流速較

小，設(shè)置導(dǎo)流壩后，壅水情況不明顯，故而不考慮導(dǎo)流壩的設(shè)置高度。本文將設(shè)計(jì)流量和水深作為邊界條件，利用SMS的RMA2模塊，計(jì)算兩模型渠道的流場(chǎng)分布，并在此基礎(chǔ)上，利用RMA4模塊，模擬模型中游某點(diǎn)處突發(fā)水污染時(shí)，污染物的遷移擴(kuò)散過(guò)程[12]。在模擬的過(guò)程中，僅考慮設(shè)置導(dǎo)流壩前后對(duì)污染團(tuán)擴(kuò)散過(guò)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(chǎng)模擬結(jié)果

RMA2是SMS軟件最重要、最基本的模塊，主要用于計(jì)算平面二維具有自由表面流場(chǎng)的水位、水深及平面流速等[13]，是以NS方程為基礎(chǔ)、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(dòng)力數(shù)值計(jì)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(dòng)黏性系數(shù)為20。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，干渠流速分布范圍為0.3～0.8 m/s，下游流速最高可達(dá)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(yàn)證了這一點(diǎn)，上游斷面上各處流速基本保持一致，當(dāng)水流至下游斷面時(shí)，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(shì)明顯不一致。各點(diǎn)流速變化趨勢(shì)與高程差的變化趨勢(shì)保持一致，即地勢(shì)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(chǎng)模擬結(jié)果

RMA4模型是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)河道試驗(yàn)站在RMA2平面二維有限元水動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)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(shè)于渠道中游某點(diǎn)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(shí)間步長(zhǎng)取006 h，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為3 h。經(jīng)過(guò)RMA4模塊的計(jì)算，得到不同時(shí)刻下污染物的擴(kuò)散情況見圖3。

2.2 設(shè)置導(dǎo)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(chǎng)模擬結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)置導(dǎo)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(guò)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(guò)流斷面上平均流速為0.19 m/s。但由于設(shè)置導(dǎo)流壩后，干渠過(guò)流斷面急劇減小，流量?jī)H為6.15 m3/s，為設(shè)置前的21.2%。

2.2.2 模型B的污染物濃度場(chǎng)模擬結(jié)果

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

可以發(fā)現(xiàn)同一時(shí)刻下設(shè)置導(dǎo)流壩的渠道下游中污染物擴(kuò)散的面積較小，污染物擴(kuò)散速度較慢。由圖6可知，當(dāng)污染物與水體在渠道斷面上完全混合后，污染物沿縱向擴(kuò)散時(shí)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(yīng)急處置中可直接根據(jù)流量分配的比例，計(jì)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(shí)間變化的比較

取導(dǎo)流壩所在位置為一觀測(cè)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(guò)退水后，干渠中的污染物濃度可以通過(guò)稀釋，降解等過(guò)程自行降低。

3 結(jié)論

可以利用SMS軟件，針對(duì)渠道突發(fā)污染事故，通過(guò)模擬污染物的變化來(lái)分析設(shè)置導(dǎo)流壩結(jié)合退水閘退水的應(yīng)急處置措施的實(shí)施效果。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，設(shè)置導(dǎo)流壩后，壩后的干渠污染物濃度大幅減少，沿程擴(kuò)散的速度也有明顯減緩。本文的模擬結(jié)果對(duì)突發(fā)水污染事故時(shí)，應(yīng)急處置方案的設(shè)定具有一定的參考價(jià)值，并對(duì)相關(guān)方案的可操作性評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)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(yán)重影響輸水渠道水質(zhì)安全[34]。目前，對(duì)于突發(fā)水污染事故應(yīng)急處置的研究主要集中在預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)、污染物的物理化學(xué)處理方法的改進(jìn)等方面[57]，甚少?gòu)南拗扑w中水流特性的角度研究污染物的應(yīng)急處置方法。本文采用水動(dòng)力學(xué)軟件SMS[8]（其全稱為SurfaceWater Modeling System）利用其RMA2和RMA4模塊，通過(guò)模擬設(shè)置導(dǎo)流壩前后渠道中污染物的擴(kuò)散過(guò)程，分析導(dǎo)流退水對(duì)污染團(tuán)擴(kuò)散的限制效果，為突發(fā)水污染事故應(yīng)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(jìn)入水體后，首先與周圍水體混摻而擴(kuò)散。當(dāng)污染源的動(dòng)量或者浮力作用逐漸消失、完成垂向擴(kuò)散過(guò)程后，污染物質(zhì)將隨水流運(yùn)動(dòng)，并由于紊動(dòng)而繼續(xù)橫向擴(kuò)散。當(dāng)擴(kuò)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(kuò)散會(huì)很快完成。但是，從污染物進(jìn)入水體，到橫向擴(kuò)散作用與縱向離散作用達(dá)到平衡，是一個(gè)相當(dāng)緩慢的過(guò)程。為了準(zhǔn)確模擬水污染事故發(fā)生后，流場(chǎng)和濃度場(chǎng)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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