网格尺度对三维水动力模型模拟滨海地区潮流特性影响的数值分析

构建了三门湾三维水动力模型,将计算结果与实测资料进行对比分析后设置了不同的网格尺度,对三个断面和四个典型点的潮流特性进行了分析。结果表明:当研究水域为港汊较多、地形复杂的海湾时,数值模拟计算值的相对偏差会随着网格尺度增大而增大,当网格尺度增大到一定值时,相对偏差会由于多种误差的正负累积而趋于稳定。地形是影响潮流计算的关键因素,在地形变化剧烈和水深较小的潮间带水域的潮差和流速值相对变化较大,在水深较大的平坦区域则几乎不受网格尺度的影响;流向对网格尺度的敏感程度较低,与网格尺度无明显关系;水平涡粘系数与网格面积呈正相关,且网格面积对流速变形率Sij较大处影响较大。综合分析,在进行潮流计算时,需要在地形复杂的岸边、水深较小的潮间带以及岛屿间进行网格的加密处理,考虑计算时间、模型计算的稳定收敛以及计算值的精确度等因素,确定合适的计算网格尺度,使得计算结果满足精度要求。

基于水动力水质模型的浅水型湖泊水环境治理目标可达性评估

当前湖泊水环境治理仍然面临着湖泊水质的实际改善效果与工程方案预期不相符的难题,特别是城市浅水型湖泊,其受外源污染、底泥释放、降雨冲击等因素,对治理成效扰动响应更为剧烈,因此,进行多因素成效评估对城市浅水型湖泊水环境治理尤为重要。采用InfoWorks ICM模型,以武汉市墨水湖为例,搭建浅水型湖泊水质水动力模型,依据气象水文、城市开发建设、湖泊污染情况等现状数据,基于模型计算原理,研究COD、NH_(3)-N、TP等污染物的变化趋势,定量分析不同工况情景下湖泊水质的可达性,评估规划拟建工程的实施效果,可为同类湖泊水环境治理工程方案优化提供参考。

银川“西线供水”工程污染物水动力—水质传递模型

文章采用实地测量、实验和数值计算的方法,利用分析化验、实测数据建立并验证引水管道一维水动力—水质数学模型,建立西夏水库二维水动力—水质数学模型并对水流和水质进行数值模拟。利用FLUENT软件,根据实测水文和水质数据,建立并验证适合西线供水工程的数学模型,利用建立的数学模型进行水流和水质指标浓度的数值模拟研究,验证结果基本符合实际情况,为后续以黄河水为水源的西夏水库在污染物扩散机制、预防、处理等方面开展研究提供了良好的理论保障。

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。

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。

数字孪生丹江口水质模型关键技术与应用

数字孪生技术作为近年来的创新技术,通过构建精确的虚拟模型实现了对实际物理世界的高度映射,为解决传统水质安全管理中的难题提供了全新的视角和方法。水质模型是实现数字孪生湖库水质安全精准映射和虚实互动的核心。围绕南水北调中线工程的水源地——丹江口水库的水质安全管理需求,针对传统模型存在的模拟失真、误差累积、计算速度慢及无法满足突发污染事件实际决策要求等各种技术难题,提出了一种新型三维水动力水质模型,并利用实地流场观测和水质监测数据进行了模型校验。结果表明:该模型主要改进了组合σ/z网格、总磷本构方程、突发污染投药处置模拟、OpenMP并行计算、水动力预计算和双时间步长模式、污染团扩散轨迹示踪等关键技术,显著提升了模型的计算效率和模拟精度;通过在2023年汉江秋汛期间对丹江口水库水质安全管理的实际应用,证明了该模型能有效支持水质安全“四预”功能(预报、预警、预演、预案),模拟结果为汉江秋汛防御及汛后蓄水水质安全保障提供了重要技术支撑。

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。

不同调水方案对沙湖水动力及水质影响研究

由于地处降雨量少、蒸发量大的特殊地理环境,沙湖每年都需要调水引流以达到改善水质和维持总体水量的目的。因此调水水量及调水路线的选取对沙湖水质改善有关键的影响。文章基于环境流体力学模型(Environmental Fluid Dynamic Code,EFDC)模型构建了沙湖水动力-水质模型,模拟沙湖水动力、总氮和总磷的时空分布特征,发现与实际数值拟合度较高;并基于沙湖实际调水方案,设置四种调水方案,探究了不同调水方案对沙湖水动力及水质的影响。结果表明调水引流工程能有效加快沙湖水体流速同时降低总氮、总磷浓度,但也会造成沙湖水质波动。相较于减水方案,增水方案对提高沙湖水体流速和降低总氮、总磷浓度的效果更好;与八一渠入流相比,东干渠入流更利于提升沙湖水体流速和降低沙湖总氮、总磷浓度。总体而言,4种调水方案中方案一(增水方案)是改善沙湖水动力条件和水质的最佳方案。

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MIKE21模型模拟的异龙湖水动力特性与生态补水效果研究

异龙湖是云南九大高原湖泊中面积最小、水量最少、最易受人类活动干扰的湖泊,近年来湖泊水质波动性变化特征明显,湖区水质尚未企稳向好。针对异龙湖流域水文资料匮乏、水质资料较少且湖区水质受气候及人类活动干扰响应明显等特点,依托数值模拟技术来模拟并反演湖区水动力与水质演变过程十分必要。采用GPS示踪浮标法、声学多普勒流速剖面仪监测法和加密加频监测入湖河流与湖泊水质的方式,开展异龙湖生态补水前后的湖泊水动力与湖区水质监测,具象化分析及展示补水水质改善效果,并同时构建了基于MIKE21的平面二维水动力与水质耦合模型。模拟预测结果表明,在常年主导风场西南偏西风下,南北湖岸流向为西北—东南,湖心呈顺时针环流,湖东存在逆时针小环流,在湖西有明显的弱流区,不利于水量、物质交换;年内水质浓度COD总体呈现湖西低-湖中湖东高、雨季明显高于旱季的时空分布格局;在年补水量约3 500万m^(3)和多点、最大补水能力1.95 m^(3)/s的“旱季(11月至次年5月)补水”方案下,湖西、湖中、湖东3个点位COD年均浓度分别可改善约27.6%、24.0%、18.1%,补水带来的水质改善效果十分明显,可为异龙湖生态调度与湖泊水生态修复改善提供良好的决策支撑。

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。

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。

流体动力学模型在水环境治理中的应用研究——以北京无名河为例

以北京无名河治理工程为例,采用河道疏整、景观绿化工程和水质改善工程改善洪峰流量等措施对其进行了综合治理,随后,研究采用三维环境流体动力学模型对治理后的效果进行具体分析。模拟结果显示,在完成所有无名河河道治理工程后,水环境中的污染物含量得到有效削减,COD、氨和氮河TP均降低较低水平,分别为26.8 mg/L、1.6 mg/L和0.35 mg/L。由此说明,研究构建的无名河水环境治理工程效应评估模型具有较好的适用性,对于制定和优化河湖治理方案、推动科学治污具有重要意义,提高河道的水环境治理效果。

基于三维水动力模型的海砂开采对海洋环境的影响分析

作为一种重要的海洋矿产资源,海砂已成为目前工程建设开发利用的焦点。但在海砂开采过程中,势必会对海洋水文动力环境产生影响。该文基于三维水动力数学模型,通过理论基本方程建立工程项目海域模型,并将模型计算数据与已有站点记录数据进行对比,表明该模型可以用来模拟研究工程实施造成的海洋水动力变化情况。通过模型计算得出海砂开采工程现状和施工后近水海域的大潮涨急、落急时的海域表层、中层、底层的潮流场,并对比和分析得出采砂工程对采砂区内流场的影响主要集中于采砂区内,采砂区2.5km以外海域潮流场基本无变化,对大范围海域潮流场的影响较小的结论。

基于水动力–水质模型的玄武湖水治理研究

随着现代化进程的不断加快和经济的快速发展,许多环境问题越来越突出,人们日常生活、生产及生态用水需求愈来愈大,中国水资源人均可支配量少且分布不均。人工湖在城市建设和在社会发展进程中有发挥着十分重要的作用,但因其自我修复的能力太差又缺乏科学有效的管理和保护,导致许多人工湖的污染严重、水质差,这对人们的生活质量和可持续发展产生了严重影响。本文依托玄武湖水利风景区2021年度生态补偿项目及南京市玄武湖北湖东部疏浚及生态修复工程项目,以玄武湖为研究对象,对玄武湖的工程概况并通过选择pH值、溶解氧指数(DO)、生化需氧量指数(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷指数(TP)和高猛酸盐指数等6个常见水质指标对其进行检测仿真研究,然后建立了玄武湖的二维水动力和水质模型,对玄武湖及相似湖泊的水管理与管理具有良好的参考价值,对水生态文明城市建设具有参考价值。

基于水动力水质模型的金川河流域水质长效达标分析

为解决金川河流域水质全年不能稳定达标的现状,在对金川河流域污染特征分析的基础上,考虑流域污水处理厂处理能力、补水能力、截污能力提升,拟定了3种长效达标方案,对各方案水质提升效果进行预测分析。结果表明:现状污染源条件下,在流域污水处理厂提质增效10%,以及在此基础上增加50%流域补水量两种方案中,虽氨氮浓度峰值有所下降但浓度仍高于Ⅴ类水标准;在以南方污水处理厂考核目标进水浓度方案中,流域入河污染负荷总量降低约44.4%左右,河网氨氮浓度则明显降低,其中下游考核断面宝塔桥断面氨氮浓度降至1.85 mg/L,其水质全过程基本能够满足水质长效达标的效果。计算结果可为金川河流域水污染治理与防控提供有效的科学依据。

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。

基于三维水动力模型的砂枕漂距预测研究

砂枕是抛投护岸的新材料,具有结构稳定、工程造价低等优点。以往仅采用传统的抛投经验公式,每次抛前均需测量水深和流速,较少使用模型模拟三维流场,耗费人力物力。为提高施工效率,通过垂线分层流速分析,结合Mike3水动力模型和砂枕漂距公式,分别采用六层法和十一层法进行砂枕漂距预测,结果表明十一层法更精准。

水动力-水质模型在水库污染防治中的应用研究

水库的水质及污染情况关乎当地生态环境的发展。为了分析流水作用下水库的污染情况及污染物扩散规律,以白鸽陂水库为研究对象,基于MIKE21建立该水库的水动力-水质模型,对该水库的污染物分布规律进行分析。结果表明,采用水动力-水质模型对水库的坝前水位进行计算的准确性较高,采用该模型可准确反映水库的水体流场变化规律。当BOD浓度下降至1.0mg/L时,3个坐标的时间-BOD浓度曲线均存在微弱的上升趋势。这是由于洪水开始前期,水库的水流速度较快,水流紊乱,形成水流漩涡,导致污染物难以扩散,其污染物浓度微弱上升;随着时间的增大,BOD浓度逐渐减小,其曲线变化趋势逐渐趋于平缓,此时水库的污染物完全扩散。不同污染物的扩散趋势具有一定的差异性,而且测点位置也会影响各污染物浓度,表明不同测点位置的污染物扩散程度不同。

基于湖泊实景三维水环境的水动力模型可视分析技术

传统研究中针对湖泊水动力学模拟结果不连续、不直观,不利于研究人员探究其复杂多变的内部规律。本文针对湖泊水体蓝藻爆发,将水动力模型、光滑粒子系统与湖泊水环境实景三维场景相结合,提出大规模粒子系统与水动力水质模型时空耦合方法,通过三维网格数值模拟方式创建粒子系统,利用水动力模型形成的流场数据(包括位置、流速、流向等),以粒子模拟蓝藻并将其初始化到网格体系中,通过流场驱动粒子运动,实现水动力水质模型在真实水下三维地形环境中实时计算和动态模拟推演。文章通过三维粒子系统模拟湖泊流场在地理环境下的演变过程,实现污染物(蓝藻)在内陆湖泊扩散和集聚效应的连续、动态可视化。本文的研究方法和结果为研究太湖蓝藻环境防治提供技术支持。