煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用与数值模拟

煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型,在前期研究的基础上,进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力-水化学-微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型。采空区水动力场研究结果表明基质-裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程,模拟误差为9.9%,其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型。水化学场模拟结果与试验较为吻合,SO_(4)^(2-)、HCO_(3)-和p H模拟相对误差分别为3.0%、21.0%和6.2%,模拟结果较为可靠。模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显;而蓄满后水动力几乎停滞,但水化学场和微生物场较为活跃,2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得SO_(4)^(2-)质量浓度提升约24.6%;后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件,微生物降解作用凸显,将SO_(4)^(2-)有一定的“自净”能力。通过调整微生物代谢速率常数,可将SO_(4)^(2-)降解比例提高到61.6%。实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标。将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究,研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导。

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。

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。

基于水文水动力耦合模型的三江流域防洪模拟预报应用研究

为解决下游河网站点防洪模拟预报过程中存在预报精度偏低,以及采用水动力模型方法时所需资料数量过于庞大的问题,基于不同下垫面水文特征的分布式架构模型理论,通过对流域内山丘和平原区各阶段产汇流进行分解模拟的方式,建立了以交界面动量与通量交换实现互馈耦合的水文水动力一体化模型。以三江流域为研究区域,构建耦合了上游山丘区、平原区和下游长江水动力模型,利用代表站点开展了全流域一体化模型的率定与验证工作。对流域内2016一2022年降雨进行分析和场次降雨大于100mm的多场洪水进行验证,结果显示耦合模型的模拟精度较好,在不需要大量资料的前提下有效提高了平原河网区预报精度及整个流域防洪调度能力,具有较强的借鉴意义,可为其他类似流域防洪模拟预报研究提供参考。

海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究

海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展,为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置,已成为当今风能开发的主要方向。作为一种多体系统,由于海上浮式风机结构特殊,加上环境复杂,对其进行准确的计算和分析尤为重要。本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究,建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14-DOF耦合动力模型,包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等,用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应,并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。主要的改进有:不对平台和塔架的转动角度作小量近似,扩展其适用范围;考虑角速度和欧拉角速度的换算关系,不作等化处理。此外,所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响,得到了较为准确的叶片面内外响应。同时采用线性势流理论对水动力进行计算,较之Morison方程适用性更广。仿真分析表明,本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应,且具有更广的适用范围。

煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建

煤矿开采过程必然引起区域地下水动力场的改变,并在一定程度上影响着矿井水的水质形成与演化,甚至诱发煤矿区地下水环境的污染问题。研究并揭示煤矿矿井水水质形成与演化的水动力场驱动机制及其关键参数的定量计算方法,是定量刻画煤矿区地下水污染问题及开展相应控制与修复工作的前提。本研究以鄂尔多斯矿区某煤矿的采空区为地质背景,阐明了其积水形成的水动力场演化过程与机制,根据水动力场流动路径的差异将其分为采空区水位回升阶段和蓄满水量交换阶段;在此基础上,揭示了采空区水质形成及演化的以水动力场为主要驱动力,水化学场、微生物场等多场协同作用的复杂过程;建立了基于顶板导水裂隙带不同垂高空隙反演的分层渗透系数定量计算模型,为开采扰动后采空区积水水位回升及蓄满后水量交换的计算奠定了理论基础;利用相似材料模拟试验和室内三维箱式模拟试验的实测数据与模型计算结果进行对比,理论计算渗透系数K和采空区水位回升高度随时间的变化与试验实测误差分别约为13.2%和22.5%,验证了理论计算模型的可靠性;最后,在煤矿采空区水动力场以及水动力场影响下的水化学场、微生物场的控制方程的基础上,明晰了水动力场–水化学场–微生物场之间的耦合关系,构建了水动力场主导下的多场耦合作用本构模型,为进一步探究水动力场耦合驱动下的煤矿矿井水水质形成及演化规律的多场耦合数值模型构建提供启示。该研究补充和扩展了煤矿矿井水污染防治理论。

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。

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。

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。

基于水质水量耦合模型的湟水西宁市段生态流量计算及模拟分析

考虑未来枯水期湟水生态流量、水质将面临不稳定达标风险,提出量化计算与数值模拟相结合的方法确定满足水质水量目标的湟水西宁市段生态流量。基于实测流量、断面、污染源等现状调查及分析,采用不同频率最枯月平均值法、改进年内同频率展布法、生态水力半径法3种方法计算了湟水西宁市段生态流量,并与Tennant法的计算结果进行合理性分析比较。利用MIKE11水动力和水质模块构建了水质水量耦合模型,利用率定后的模型,以COD、NH3-N作为主要污染物指标,通过模拟不同生态流量下泄过程,分析了3种计算方法对应的下泄方案对湟水西宁市段水质的影响,优选出合理的生态流量的下泄方案,得出了满足水质水量需求的湟水西宁市段生态流量,为湟水西宁市段的水生态保护及区域水资源配置方案提供理论支撑。

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。

珠江三角洲一维河网与三维河口耦合水质模型模拟与验证

在一维与三维耦合水动力、悬沙模型的基础上,构建了珠江三角洲一维与三维耦合水质模型。模型中包括浮游植物-氮-磷-碳-溶解氧循环,并考虑颗粒物在底泥与水体界面的再悬浮过程。选择了三个代表性时段(1999年1月、1999年7月与2000年)进行水质模拟,并采用相应水期的实测资料进行验证。结果表明,耦合水质模型计算效果良好,较好地再现了整个研究区域内各水质要素的时空分布规律,成功描述了珠江三角洲河网与河口区的动力与生物化学变化过程。

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。

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。

基于一维水动力-水环境耦合模型的长兴港生态流量研究

【目的】长兴港是太湖流域重要的城市河流,对其开展生态流量研究并确定合理的生态流量管控值,对保障长兴港水生态环境健康、提高当地人民群众幸福指数具有重要意义。【方法】以长兴港新塘断面2016—2020年的逐月水生态监测数据为对象,明确了长兴港非汛期、汛期的水环境约束指标;并基于MIKE 11软件,构建了一维水动力-水环境耦合模型;从保障水生态环境质量、缓解水华爆发的营养条件的角度出发进行了生态流量研究。【结果】结果显示:长兴港非汛期约束指标为NH_(3)-N、COD_(Mn)和BOD,汛期约束指标为NH_(3)-N、TP和COD_(Mn);通过对比实测数据与模拟数据可知,水位、流量的模拟值与实测值间的Re均小于10%,R^(2)和Nash-Suttcliffe系数分别大于0.6和0.9,各时期的水环境主要管控指标的模拟值与实测值间的Re均小于17%;最终计算得到长兴港非汛期和汛期合理的生态流量管控值分别为2.59 m^(3)/s和2.63 m^(3)/s。【结论】结果表明:研究构建的一维水动力-水环境耦合模型符合长兴港的实际情况,能够应用于长兴港生态流量研究,可以解决水动力和水环境模块单独使用不能表征河流特点的问题,为河流生态流量的研究和管控提供了更为科学、高效的工具;研究提出的生态流量管控值具有可达性,可切实有效地改善长兴港水生态环境、抑制水华爆发并为长兴港的生态流量管控和“幸福河”构建等工作提供理论与技术支撑。

MIKE11水动力水质耦合模型在北方某水源地治理工程的应用

针对近年来水源地周边污染源威胁到供水安全的问题,采用MIKE11模型软件建立水动力水质耦合模型,以我国北方某水源地为例进行了水质趋势变化模拟,并对治理方案实施后的效果进行了预测,为论证实施的水源地综合整治措施有效可行提供技术支撑。

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。

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。