平原河网水动力优化调度与水环境改善的响应关系研究

平原河网河道流动性较差是引起水环境污染严重的主要原因,引调水是改善平原河网地区水环境的重要措施之一。本文以佛山市三山围为例,基于实测资料构建了河网水动力水质耦合模型,采用15天的连续水动力水质监测数据对模型进行了验证,并将NSE和RMSE模型评价指标用于模型评价。同时结合地势、潮汐规律和景观水位等设计了4种闸控模式和7种景观控制水位,共28种模拟工况,模拟分析了不同条件下的水动力水质改善与内外江潮位变化、引排水流量及其空间分布、闸控方式和景观水位等综合响应机理。结果表明:构建的模型合理可靠。研究区域受引排水路径的影响,河道流动性差异较为显著。综合考虑河道流量分布、水流路径、分汊河道分流作用和外江污染物浓度等对河道水质的作用效果并有效结合潮汐河网的动态水环境容量和污染源排放的时空分布对水环境的改善作用将非常显著。与低景观控制水位相比,高景观控制水位的内江动态水环境容量相对较大,污染物浓度较低。景观控制水位从0.2 m上升至0.8 m时,不同引调水路径的引水流量上升28.00%~64.70%,断面氨氮浓度削减了0.85~5.50 mg/L,削减比例达到28.89%~67.23%。本研究为平原潮汐河网水环境优化调度研究提供了新的思路,为相关部门对平原河网的水环境改善提供了重要的参考。

基于Delft3D的大辽河水动力水质数值模拟

近年来,大辽河流域工业化发展迅速,带来了一系列水质恶化问题。因此,通过实测大辽河水文和水质数据,基于Delft3D建立大辽河二维水动力模型,对其进行水位和水温验证,计算值与实测值基本吻合;在水动力模型的基础上建立水质模型,对其进行NH^(+)_(4)-N(氨氮)和DO(溶解氧)验证,计算结果基本能够反映真实水质变化趋势。通过验证后的水动力水质耦合模型分析大辽河水动力水质输移特征。结果表明,大辽河具有明显的半日潮特征,河口处的流速低于内陆河道的流速;NH^(+)_(4)-N浓度年际分布较为均匀,DO浓度夏季较低,冬季较高;涨潮时,河口处NH^(+)_(4)-N浓度降低,落潮时河口处NH^(+)_(4)-N浓度升高;汛期排放的污染物浓度峰值高于枯水期的值,峰现时间也早于枯水期,在枯水期,污染物更容易在河口处滞留;整合排污口和减排两种方式均能降低河道内污染物浓度,靠近河道上游整合排污口方式优于减排方式,靠近河口减排方式略优于整合排污口。研究成果可为大辽河水质管理提供参考。

基于断面水质达标的污水处理厂尾水排放浓度确认研究

我国在建设项目准入中实行“三线一单”生态环境分区管控制度,“环境质量底线”是其重要要素之一。研究以苏中水网地区某工业污水处理厂为例,遵循地表水环境质量底线要求,在满足控制断面(排污口下游2 km)主要水质污染因子浓度达标并预留安全余量的要求下,通过构建一维河网水动力水质耦合模型,建立污染源与水质响应关系,模拟分析丰、枯水期控制断面水质稳定达标时污水处理厂尾水的允许排放浓度,为区域水环境保护和管理工作提供技术支撑。

基于水动力-水质模型的湖库纳污能力量化

"湖库纳污红线的核定"是我国最严格水资源管理制度中三大核心内容之一,也是保障城市供水安全、水资源可持续利用的关键问题之一。我国现行纳污能力的计算往往采用对稳态水质模型的解析求解,但无法获得不同来水、排污和内源污染等多种因素影响下水体纳污能力的时空动态变化。水动力-水质模型能够反映湖库水质和外部营养负荷之间的定量关系,可精细模拟水质指标在库区内的时空变化过程。基于EFDC模型,以深圳市重要饮用水源地——石岩水库为例,构建了水库三维水动力-水质模型,动态模拟了水位和水质的时空变化;并按照水功能区目标要求,探讨了该水库典型年的纳污能力的季节性变化。结果表明:EFDC模型能够准确模拟石岩水库水动力和水质要素的变化过程,水位、COD_(Mn)和NH_3-N模拟的相关系数达到了0.97、0.60和0.90;基于构建的三维水动力-水质模型,考虑到排放口位置和条件、水质的时空分布特点、底泥释放等实际因素,计算得到石岩水库2011年COD_(Mn)和NH_3-N纳污能力分别为2 158、511 t/a;纳污能力的季节性差异很明显,夏季和秋季较大,春季和冬季较小。研究成果可为我国饮用水源地水质管理和污染控制提供科学依据,也可为我国最严格水资源管理制度的实施提供一定的参考和借鉴。

面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法

针对现有可视化方法难以直观动态呈现三维水质的推演过程的普遍性问题,研究了三维水质模型计算结果与数字孪生场景的集成模式,提出了面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法,实现了三维水质推演过程的直观、准确、流畅、动态呈现。以南水北调中线工程丹江口水库2021年秋汛总磷浓度分布推演为例,采用三维水质模型开展复演分析,将分析结果在数字孪生场景中集成,模拟有机污染物的转移和扩散过程。应用结果表明该方法相较于传统二维平面展示方法具有效果更加直观、信息承载更加丰富的优势,可以在数字孪生场景中动态呈现分层水质指标的推演过程。

基于Delft3D模型对深圳湾近岸海域污染物迁移模拟

以深圳市深圳湾近岸海域为研究对象,基于Delft3D软件,建立深圳湾三维水动力水质耦合模型。利用实测数据对模拟结果进行验证,分析深圳湾海域水质时空变化规律。模拟结果表明,深圳湾内的污染物浓度整体较高,浓度分布受潮汐变化敏感性强,不仅受各污染源点源强与流量的影响,而且受湾内的潮汐动力影响,污染物浓度值总体从湾口向湾顶逐渐增大,浓度梯度由外向内递增。

基于高精度GPS测量数据的宁夏鸭子荡水库水动力-水质数值模拟研究

以宁夏鸭子荡水库为研究对象,对该水库的实测数据进行分析,利用平面二维水动力-水质数学模型,以非结构网格和有限体积法为工具对水库的水流运动进行了数值模拟。首先由流场的模拟值与实测值两者较为一致,验证了数学模型的主体模块和数值方法是可行的。然后,结合水库的运行情况设置了四种工况,对库区水流运动和水质分布进行了数值模拟研究,为进一步研究该水库的水质变化规律奠定了基础,对水库的高效运行具有一定的参考价值。

基于水文水动力模型的城镇水环境提升关键技术研究

近年来某城镇水污染问题日益突出,为改善城镇水生态环境,拟实施河湖连通工程。河湖连通工程水生态环境改善主要通过截污、引水活水和水生态修复等方法实现,其中引水工程的规模论证是本次水生态环境改善方案的重点。通过建立二维水动力水质模型,分析论证不同引水规模下水质改善、水力特性等评价指标,从而确定合理的引水流量及换水周期。

基于不同供水方式的西丽水库污染物浓度扩散规律研究

城区型水库是城市重要的供水水源,保障其水质安全极为重要,合理的水量调度方法能够有效改善水库水质状况。研究以深圳市西丽水库为例,分析了其在深圳市供水网络当中的重要性,并基于MIKE21软件构建了西丽水库二维水动力水质模型,在可用水量固定的前提下,提出了多种入库水量方案;再以总磷和总氮为例,对水库内水动力和水质消散过程进行了模拟,分析得到了一种适合日常调度使用、可有效加快水体净化的最优入库流量方案,为西丽水库发生水质污染时的应急水量调度提供了科学依据。

苏北灌河口邻近海域陆源氮入海分配容量估算

在高强度人类活动影响下,近海环境污染问题日益严重,实施陆源污染物排海总量控制是社会经济可持续发展的必然需求。文章基于三维、无结构网格、有限体积方法的水动力(FVCOM)模型的DIN三维水动力-水质模型,在2012、2013年的监测结果对模型校正的基础上,采用自净过程积分方法,计算研究了江苏北部灌河口邻近海域沿岸主要入海河流的DIN分配容量。结果表明,苏北灌河口附近10条入海河流的DIN分配容量合计约为2 200 t/a。其中,废黄河单元分配容量最大,约为1 000 t/a;中山河单元最低,约为180 t/a。进一步根据现状排放量分析表明,废黄河、排淡河单元还有剩余容量,而灌河和车轴河河流单元均需要进行大幅削减,都相当于当前入海负荷的80%以上。

梯级电站建设对水质的影响

采用一维水动力数学模型和水质数学模型,对梯级电站建设前后的CJ江干、支流的水质变化进行研究,预测CJ江2020年5个梯级电站建设后干流水质主要参数的变化情况。结果表明,各梯级电站水库蓄水后各坝址处平均DO质量浓度将较建库前略有下降,BOD5和NH3-N的质量浓度呈下降趋势,TP质量浓度变化较小。

苕溪入湖污染物通量计算及区域污染物影响权重分析

为研究苕溪流域入太湖污染物通量的时空变化特征规律,在苕溪流域水文水质同步监测基础上建立一维水动力水质数学模型。利用经率定验证的苕溪流域模型,结合枯水年P=90%(2003年型)、平水年P=50%(1995年型)、丰水年P=20%(1981年型)的水文资料以及2011年流域主要污染物排放资料,计算各典型年的入太湖污染物通量。通过出入区县交界断面河流通量的计算,进一步分析跨区域污染物影响的权重,为污染物溯源做铺垫。结果表明:1污染物因子COD、NH3-N、TP、TN的入湖通量丰水年依次为29111、1828、347、6712 t/a;平水年依次为21297、1248、272、6087 t/a;枯水年依次为14 243、898、187、407 8 t/a,各污染物因子丰水年和平水年的入湖通量较大,枯水年较小;2不同典型年各区县污染物因子对入湖通量影响权重由大到小排序依次为吴兴区(部分)、德清县(部分)、安吉县、临安市、余杭区(部分),对吴兴区的污染治理是苕溪流域入湖污染治理的关键所在。

基于二维水动力水质模拟下水环境容量的求解研究

由于受到适用条件有限、计算烦琐等方面的限制,目前许多水环境容量计算方法难以得到广泛应用,采用了影响系数法,在二维水动力水质模拟的基础上,以下边界上最大浓度点为控制点,计算区域的水环境容量,并对长江仪征工业用水区的水环境容量进行了计算,得出该河段环境容量为17 969.2t/a。该方法计算简单,且综合考虑了控制点的浓度,污染源位置,河流水文,水力学特性等多种因素,是一种非常有效且值得推广的计算方法,可为该区域水资源保护规划提供依据。

闽江下游河床演变水质影响数值模拟

本文在对闽江下游河道现状充分调查的基础上,建立了闽江下游(水口坝下～闽江口)二维水动力、水质数值模型,并利用各水文站、测流断面的水位、流量观测结果对模型进行验证。然后,应用该模型定量化研究河床演变下闽江下游各排污口污染带对主要取水口的影响程度,并提出对策措施。

一维水动力水质模型在入河排污口设置中的应用

旧馆污水处理厂入河排污口需进行设置论证。通过对所在河道水质现状、水域管理要求和现有取排水情况的调查,计算区域河网纳污能力。建立一维河网非恒定流水动力水质模型,计算结果显示在正常排放工况下,入河排污口对河道沿线水质的影响有限,水质保持在Ⅲ类;事故工况下,对河道沿线水质影响较大。建议加强工程运行管理,建立应急预案,避免事故工况的发生,研究结果表明,运用一维水动力水质换型对平原河网地区开展排污口设置论证工作具有一定的借鉴意义。

入河排污口设置论证在杭嘉湖平原河网地区的实例应用

以振浔污水处理厂入河排污口设置论证为例,通过对入河排污口的设置方案、所在河道的水质现状、水域管理要求和现有取排水情况调查研究,计算区域河网纳污能力。建立一维河网非恒定流水动力水质模型,验证模型水动力、水质参数,计算确定入河排污口对所在水域水功能区水质和水生态环境的影响程度及影响范围,结果可作为建设项目排污口设置论证的科学依据,对平原河网地区开展排污口设置论证工作具有一定的借鉴意义。

抚仙湖流域负荷削减的水质风险分析

以抚仙湖为研究对象,基于三维水动力-水质模型EFDC平台,开发了EFDC-神经网络(NN)耦合模型;并选用30d移动平均值为解译方式核算抚仙湖在不同风险下的流域负荷削减(TMDL).结果表明,对于100%的达标频度,为了达到I类水质,TP允许增加14%～18%,COD允许增加9%～11%,但TN需要削减13%～14%.如果放松对达标频度的要求,污染负荷将允许相应地增加.研究结果可为流域管理依据不同的风险与管理费用偏好实施流域削减提供基础.

突发污染事故对水源地的影响研究:以长江南京段为例

近年来伴随人类活动的加剧,突发污染事故频发,严重威胁了水源安全。该研究通过构建长江下游大通到徐六泾感潮河段下的二维水动力水质模型,结合长江南京段潜在环境风险,设定长江南京段马汊河工业事故、南京长江三桥船舶事故2种情景,模拟突发污染物苯酚的迁移扩散过程。结果表明:在马汊河事故中,仅龙潭水源地受到30.5 h的影响。在三桥事故中,江浦-浦口水源地受影响时长最短,为18 h;龙潭水源地受影响时长最长,为146 h;夹江水源地在南北侧事故中受影响时长分别为154和18 h。污染带在迁移扩散过程中中心浓度降低,范围扩大,下游水源地受影响时间加长;同时南京段独特的汊道地形以及潮汐作用的影响大大增加了下游水源地受影响的时间。研究结果可为突发水污染事故中各水源地错峰调水方案提供选择依据,为水源应急方案提供理论支撑。

考虑水质及水动力条件的滨江圩区最优活水方案

为探究考虑水质及水动力条件的滨江圩区最优活水方案,以滨江圩区南京团结圩为例,利用MIKE构建一维河网水动力水质耦合模型,在合理确定水动力及水质改善目标的基础上,依据活水水源、活水水量、活水点、达标活水历时、活水调度方式的变化设计活水方案,分析各方案模拟结果比选最优活水方案。结果表明,同时调引长江水和高旺河水的最优引水规模是东侧各泵站均引水水量25m3/s,南侧各泵站均引水水量10m3/s,最优排水规模是北侧和西侧同时排水,排水规模分别为15、20m3/s,最优调度方式是边引边排。研究成果可为区域河网优化调度提供参考。

高密度建成区雨源型河流水环境治理方案定量评估

为定量评估控源截污、生态补水、微地形营造等治理方案对高密度建成区雨源型河流水环境容量的提升效果,以重庆市城区盘溪河渝北段为例,利用MIKE21软件构建了一维水动力—水质模型,并以水环境容量为评价指标模拟研究了各治理方案。结果表明,单一治理方案对盘溪河氮磷环境容量的提升效果分别为生态补水>控源截污>微地形营造,而控源截污对COD环境容量的提升效果最大;通过3种整治措施的组合治理后,盘溪河的水环境容量可得到明显提升。