基于水动力水质耦合模型的城市河湖生态补水方案——以武汉市东沙湖水系为例

研究城市河湖生态补水对于城市的可持续发展以及满足人们的生活需求具有重要意义。沙湖港、罗家港位于武汉中心城区,是东沙湖水系引江济湖的引水通道。结合东沙湖水系整体布局和水系连通的情况,研究探讨了从长江引水补充沙湖港、罗家港的生态补水方案,通过建立二维水动力水质耦合数值模型,模拟沙湖港、罗家港生态补水方案的运行效果。结果表明,从武钢泵站引长江水,罗家港、沙湖港(青山港—罗家港段)TP和NH3-N浓度显著降低,沙湖港(徐东大街—罗家港段)虽然得到了一定程度的换水,但该段水质改善效果极其微弱。由于长江水质的TN、TP含量较高,生态补水对于降低TN浓度的效果非常有限,在利用长江补水进港渠时,还需要防止长江水带来富营养化风险。相关研究成果可为定量评估城市河湖生态补水效果提供借鉴。

不同来水条件下洞庭湖二维水动力水质模拟

为研究不同来水条件对洞庭湖水动力水质的影响,本文构建了洞庭湖二维水动力–水质耦合模型,通过改变模型水动力边界和水质边界过程,模拟并分析了江湖水量交换变化和入湖污染负荷变化下洞庭湖水动力水质的响应过程,研究结果表明:① 三峡运行后三口入湖水量、江湖连接处的水力特性发生变化,进而影响湖区水动力水质的时空分布情况,如10月份三峡进入蓄水期,入湖水量减少,湖区TP、TN浓度整体呈上升趋势,但由于长江干流来水减少,出湖口水力坡度加大,东洞庭湖站至出湖口区域的TN、TP浓度有明显的减少趋势;② 当保持基准年入湖流量过程不变,使入湖污染负荷量整体减少10%时,西洞庭湖北部、南洞庭湖南部区域TP、TN浓度下降幅度较明显,东洞庭湖站6、7月份,万子湖站5、10月份TP将达到III类水标准,东洞庭湖站9月份、小河咀站7~10月份TN将达到III类水标准。

淡水河一维-二维耦合水动力学模型构建及应用

对淡水河干流、主要支流、淡澳分洪河采用一维水动力模型建模,对惠阳主城区进行二维水动力模型建模,利用河道两岸进行一维、二维水动力耦合,模拟淡水河溃漫堤洪水演进过程。结果表明:除桥南排涝站到淡水站河段,水面线误差在20cm以上外,其余河段水面线偏差均在20cm以内,一维-二维水动力学模型计算的淡水河的洪水演进过程总体较为合理。研究成果对于流域防洪风险图的绘制具有重要参考价值。

基于一维河网模型的崇明岛水环境容量计算

平原河网地区的水环境治理修复是一项艰巨复杂的综合系统工程,合理计算水体的水环境容量,对于确定水环境综合治理工程的规模尤为重要。以上海市崇明岛为研究区,通过构建一维水动力水质模型,基于模型模拟结果计算了研究区内各河段不同时期的水环境容量,分析了各河段水环境容量的时间变化趋势,结果表明,不同污染因子水环境容量差异较大,其中COD的水环境容量比相应水文期NH_(3)^(-)N和TP的水环境容量大;不同水文期水环境容量差异也较大,即各指标在丰水期的水环境容量均大于枯水期。另外,由于水环境容量受河段长度、水质降解系数的影响,河段长度越长,水质降解系数越大的河段水环境容量越大。

基于HEC-RAS的水库下游水动力模型构建及三维可视化应用

以皎口水库为例,利用HEC-RAS软件建立水库下游一二维耦合水动力模型,通过“烟花”“梅花”2场台风的历史洪水模拟计算钟家潭、章水断面的水位变化过程,与实际情况对比发现,该模型计算结果合理准确;模拟极端洪水(P=1%、P=0.1%)情况下,水库下游淹没范围、淹没水深、淹没历时等要素;基于BIM(Building Information Modeling)、GIS(Geographic Information System)等技术进行洪水演进过程三维立体可视化展示,为水库下游洪水风险分析提供技术支撑,为智慧水利建设提供解决方案。

复杂河网地区气候-水文-水动力耦合模型模拟

以淮河流域中下游结合部的洪泽湖周边滞洪区为研究对象,基于紧耦合技术,将一维和二维水动力模型进行耦合,基于松耦合技术,将气候模型与水文模型、水文模型与水动力模型进行耦合,实现了流域、河网、蓄滞洪区和湖泊复杂系统气候水文水动力单向耦合,并对气候变化影响下的复杂河网地区水流演进进行了模拟。结果表明:构建的气候-水文-水动力耦合模型对洪泽湖周边滞洪区洪水演进具有较好的模拟能力和适应性;气候变化导致未来淮河流域洪水量级增加,加大了洪泽湖周边滞洪区的洪水风险。

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。

平原感潮河网地区一维、二维水动力耦合模型研究

提供了一种复杂地形、水流条件下一维、二维水动力耦合模型的通用计算方法。根据感潮河流地形复杂、河岸弯曲多变、河道狭长的特征,采用有限元法求解一、二维水动力模型控制方程;在一、二维模型连接断面处,利用两种模型模拟的水位、流量相等的条件,实现一、二维模型的耦合。依据该原理,开发了大范围的上海市黄浦江上游地区河网一维与黄浦江干流二维水动力耦合模型,验证结果表明:一、二维耦合模型的设计是合理的。

考虑水动力条件及水系连通的平原河网圩区畅流活水方案

针对平原河网地区水动力条件不足等问题,以嘉兴市新塍镇为例,探究不同畅流活水方案对河道水质的改善效果。构建MIKE11水动力学水质耦合模型,分析“引水/水系连通—水质”驱动响应规律,以NH3-N浓度为主要指标,分析不同活水方案的水质改善效果,并提出优化调控方案。结果表明,集中引水对区域水质改善影响较小,分散设置多个引水点可明显提高水质;直接对水质较差河道进行补水,污染物消减率在8%~30%之间,水质改善效果较明显;合理的水系连通工程可进一步增加畅流活水方案水质改善效果。

浅水湖泊群连通与调水的二维水动力-水质耦合模型研究

将湖泊群连通并进行引清调水的水环境污染治理模式在浅水湖泊分布比较集中的地区逐渐受到人们的关注。为了探究独立湖泊群相互连通引水后各湖区的水动力水质变化情况,以武汉大东湖生态水网工程的建设为背景,建立了湖泊群二维水动力-水质耦合模型。采用适合复杂边界的非结构化网格,考虑湖底地形和气候条件,考虑污染物的输入、迁移和转化,以及蓝藻等浮游生物的生长条件,分别利用东湖2006年6月和2007年6月的野外数据对所建模型进行参数的率定和校核,并利用2012年6月实测数据对3种引水方案与3种连通模式组合情况下湖泊群的BOD5,TP,TN以及Chl-a等生化指标的变化情况进行模拟,对稳定运行30 d后的模拟结果进行比较分析。结果表明:引水工程中,对于水域面积较大的湖泊,风力作用依旧是影响流场的主要因素;同样的引水流量下,不同的调水方案对水质改善结果有较大差别;湖泊群中隔堤的存在会给湖泊污染治理带来困难,而在湖泊群中适当区域设置生态小岛对水质变化过程影响微弱。

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。

基于一维和二维动态耦合FLOOD水动力模型的漓江洪水风险分析

基于漓江干流及两岸地形、断面数据,构建一维和二维动态耦合FLOOD水动力模型,并对模型率定与验证。模拟漓江天然洪水和考虑漓江上游水库联合调度作用下两岸淹没情况,对漓江干流两岸洪水进行风险分析,为漓江流域精准预报、水库防洪调度、预警、效益分析打下坚实基础。

基于一二维耦合模型和水库调度的长江宜宾河段洪水遭遇与淹没分析

【目的】宜宾市地处金沙江与岷江汇合处,且有横江、南广河及其他重要支流汇入,因此洪水遭遇组合复杂,且受金沙江下游向家坝-溪洛渡等梯级水库调度影响明显,其水文水动力计算对下游各城镇河段防洪规划及减灾政策制定具有重要意义。【方法】通过构建一二维水动力学耦合数学模型,采用实测洪水验证的分析方法对长江宜宾河段(含重要支流汇入段)的洪水组合进行分析,选取了1961年、1966年两个典型年并对比有无金沙江下游梯级水库调洪的影响,计算各河段和沿岸城镇100 a、50 a及20 a一遇的洪水淹没。【结果】结果表明:(1)当发生超标洪水时,城区主要洪水漫溢淹没分布在宜宾的安边镇、柏溪街道,翠屏区西郊街道以及岷江菜坝镇飞机坝段。(2)不管是1961典型年(岷江为主要来水)还是1966典型年(金沙江为主要来水),岷江流域均受灾较重;其中西郊街道和大观楼街道的洪水主要受金沙江来水和岷江洪水顶托作用明显;岷江漫溢洪水为宜宾城区外洪的主要来源,岷江是宜宾市的防洪重点。【结论】结合防洪工程分布及现有堤防建设情况,菜坝镇飞机坝片区现有的20 a一遇洪水的堤防无法满足实际防洪标准需求;西郊街道滨江公园和备战码头,由于未形成防洪封闭圈,城区局部地区仍处于不设防状态;柏溪镇堤防防洪标准20 a一遇偏低,黑河(柏树溪)受到金沙江回水影响会造成柏溪镇严重洪灾。金沙江在向家坝水库的调蓄作用下,即使发生100 a或超过50 a一遇超标洪水,中心城区均不超过40 a一遇,宜宾城区受金沙江洪水影响相对较小,受岷江回水影响较大。

基于Mike21模型的鸭绿江支流排污口水质影响分析

识别排污口尾水排放对周边水体的影响范围对防范和处理水污染事故具有重要意义。本研究采用MIKE21模型建立水动力模型,通过耦合对流扩散模型研究分析改扩建项目入河排污口设置对鸭绿江支流水质的影响程度和范围。结果表明:在最不利的水文条件下(保证率为90%最枯月),排污口正常排放时,COD浓度和氨氮浓度均满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅲ类限值标准;排污口事故排放时,排污口至下游边界约5 000 m的河段COD和氨氮浓度均超出地表水Ⅲ类限值标准。为防止水污染事故发生,在实际运行中应设置事故应急池,污水处理站无法正常处理尾水时,应将尾水存放至事故池,严禁直接排放入河。该研究成果可为鸭绿江支流水环境管理提供依据,也可为沿岸排污口设置及优化提供一定的理论指导。

基于一、二维耦合水动力模型的赣西联圩溃堤洪水风险分析

鄱阳湖赣江下游尾闾赣西联圩防洪保护区水系繁多,水文条件复杂,汛期频繁受到洪水侵袭,因此极有必要对该地区开展洪水风险分析。建立了能够模拟溃堤洪水水流演进的一、二维耦合水动力模型,并应用于赣西联圩防洪保护区。采用糙率分区、网格加密等技术进行优化,提高了模型计算精度,计算区域采用非结构化三角形网格进行剖分,设定溃口发生瞬时溃堤,溃口流量满足水量平衡原理,演进结果合理可靠。对演进计算结果进行洪水风险分析,结果表明:在赣江20年一遇鄱阳湖2010年实测水位过程中,保护区内洪水淹没范围大小和影响人口数量与溃口位置有关,淹没分布基本遵从地形高低原则,永建洲、李家垾溃口洪水淹没面积分别为8.46、36.57 km2,淹没水深基本都大于3 m。

河网水动力及综合水质模型的研究

采用Preissmann 4点隐式差分格式离散一维圣维南方程组,应用三级联解法求解河网水动力数学模型。基于河道-节点-河道算法的河网水质模型的求解特点,在WASP的水质模型理论基础上,建立了河网非稳态水动力综合生态水质数学模型,考虑了多个污染物变量的耦合计算、变量之间的相互转化和迁移。利用模型对4个河网算例进行验证。验证表明,水位和流量过程计算值与实测值吻合很好,各水质变量的计算值和实测值也符合较好,可见模型是合理可靠的,为河网的水质预测和管理提供了一个较为简便实用的工具。

二、三维耦合水动力模型研究I:模型的建立

利用基于非结构网格的有限体积法分别建立了二维和三维水动力模型。在实际工程应用中,二维模型一般用于模拟浅水自由表面流动,而三维模型在水流参数垂向结构变化较大时适用性更强。结合两者的特点,建立了二、三维耦合水动力模型。首先通过2个经典的算例来分别验证二维和三维水动力模型的精度和可靠性,最后通过一个潮流在斜坡地形上的传播实验来比较研究二、三维耦合水动力模型的实用性。结果表明,耦合模型在保证计算精度的同时,可有效提高工作效率。

赤山湖区二维水动力-水质耦合数值模拟研究

文章基于二维浅水方程和对流扩散方程构建了赤山湖二维水动力-水质耦合模型,模型采用非结构网格有限体积法进行离散,计算单元界面的法向通量采用通量向量分裂格式(Steger-Warming)。结果表明:赤山湖现有的水动力条件和水生态环境条件对中等强度的降雨产生的面源污染有足够的净化能力;依据赤山湖的计算和实测资料,叶绿素Chl-a的浓度为4μg/L,p H值为8.2～8.8,发生蓝藻水华的可能性很小。依据数值模拟结果,提出了保障赤山湖长效水生态健康的合理防治措施。

浅谈一维水动力模型在水文分析计算中的应用

平原区内河道纵横、互连成网,水工建筑物控制调度复杂,同时亦受海洋潮汐的影响,水位、流量变化较为复杂。常规明渠恒定非均匀流计算方法难以综合反应片区排水情况,文中采用mike11一维河网水流数学模型进行建模,分析片区排涝水位,为工程建设提供理论依据和技术支持。

水文-水动力-水质模型耦合应用现状综述

随着城市化进程,评估生态环境是在流域低影响开发和制定区域决策方案中至关重要。集成流域与河流模拟原理,构建水文-水动力-水质系列模型,优化现有模型结构,更好的服务于水环境日常管理。文章主要介绍现有水文-水动力-水质耦合模型框架,通过模型耦合来源、机理,针对复杂流域水系,综合分析面源点源污染,常见水文-水动力-水质耦合模型应用分析,有助于水环境耦合模型开发应用。