温州市主城区平原河网水动力水质联合调控优化研究

为满足受水区水量水质需求,结合水利工程调度能力,综合分析调控水资源、解决水环境突出问题,构建水量水质联合调控优化方法及评价体系,得到调水引流的最佳组合方案。以温州市主城区平原河网为例,基于MIKE11水动力水质耦合模型,采取“集中出流,轮番配水”的思路,构建“代表河长+片水”水量水质联合优化方法,进行水动力水质联合调控模拟,确定3个外排水闸轮番开启2~5天能达到较好的水量水质联合调控效果,为研究区优化配水调度提供技术支撑。

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。

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。

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。

基于系统动力学的平原河网型灌区多尺度下灌溉用水量计算方法研究

以嘉兴市长水塘灌区为研究对象,建立基于系统动力学的灌区水循环过程模拟模型,并引入灌片灌溉水回归系数,应用于灌区灌溉回归水重复利用量模拟分析以及多尺度下灌溉用水量计算。结果表明:通过对模型的率定与验证,模拟得到典型泵站模拟水量与实测值基本吻合,相对差绝对值均在15%以内,模拟得到的灌区河网水位变化趋势与实测过程基本一致。模型能够较好的反映灌区水量转化过程,能够为灌区灌溉用水量统计工作提供支撑。

宁波陆埠镇平原河网水系结构对水动力影响研究

平原河网的水动力条件对维持区域生态平衡和生物多样性具有关键作用,而水系结构直接关系到河网的连通性和流动性。以宁波陆埠镇河网为例,在概括水系结构现状的基础上,基于浅水方程组理论,构建二维河网水动力模型,通过实测数据对模型进行验证。通过水系连通方式构造3种河网结构,模拟分析2种流动条件下,河网中水体流动的规律。结果表明:洋溪河在流入和流出条件下,流速最小值分别增至0.102 m·s^(-1)和0.154 m·s^(-1),白鹤桥横河、孙家横河、沿西河和周家湾浦的流速也有不同程度的增加,仓前河部分河段出现水体几乎不流动现象,说明水系连通对改善河网水动力有积极的作用,如果水系过度连通,在水流交汇的局部区域就可能出现水体滞留现象。因此,在实施水系连通工程前应该做好评估工作。

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。

基于水文-水动力-水质模型的区域水环境治理改善措施评估——以南方某市区域流域为例

为进一步优化城市水环境治理方案,利用模型模拟的方法研究评估分析区域黑臭水体整治策略与实施方案的效果。基于研究区域内监测与河网等基础数据,采用水文、水动力及水质模型模拟区域内的水文过程、水力调度及污染物迁移转化等过程,研究不同环境整治方案的水质改善评估方法与技术。结果表明,采用控源截污方案对污染削减有更显著的效果,在进一步结合水闸调度、内外江泵站活水等工程措施,整体水环境质量能达到预期的控制目标。通过水力水质模型模拟分析,掌握不同工程方案下研究区域的水质改善效果,可为工程治理提供定量的评价数据和科学依据。

中顺大围河网水动力水质调度模拟系统研究

珠江三角洲河网水系复杂,联围众多,其中以中顺大围水系结构最为复杂、闸泵群联合调度难度最大。为充分挖掘水工程联合调度对水量水质的调控潜力,以中顺大围作为研究对象,构建中顺大围一维水动力-水质耦合模型,实现各闸泵调度方案下的围内水量水质过程模拟;在此基础上,建立闸泵群联合优化调度模型,实现在不同引换水条件下闸泵群调度方案的最优决策;最后基于水量水质模拟及调度模型研发了中顺大围河网水量水质调度模拟系统,实现中顺大围水动力特性模拟、污染物浓度及水质变化动态模拟、水污染应急调度及过程可视化,形成了中顺大围水系连通下基于闸泵群联合优化调度的水量-水质模拟调控技术体系。基于该系统对2个典型场景进行实例分析,结果表明:在进行优化调度的情况下,调度时段末围内COD和NH3-N的加权浓度分别相比不进行优化调度的情况改善了10.26%和27.27%,调度效果显著,可为中顺大围水量水质调度决策提供可靠的技术支撑。

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。

水动力水质模型在温黄平原河网入河污染负荷削减中的应用

为了探究入河污染负荷削减对河网水环境改善的效果,针对台州市提出的河网水质改善需求,以浙南温黄平原河网为例,设定河网主要污染物氨氮为评价指标,建立能反映出河网水动力水质时空变化规律的模型,通过对入河污染物削减率和配水水源的调节,进行方案模拟计算。结果表明:在长潭水库和灵江联合配水、入河污染负荷削减率达到55%时,水质改善效果最好;温黄平原整体河网平均水质达到较好的Ⅳ类水。提高入河污染物削减率虽然能够大幅度的强化内部河网的治污体系,但控制污染物排放、调水引流、加强区域内截污治污多措并举才能从根本上有利于河网水环境改善。本模型的应用研究可为台州及其他类似城市的河网水污染治理和控制提供参考,为建立有效可行的城市河网水污染防治安全体系提供技术支撑。

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。

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。

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。

水动力实时校正模型在温黄平原洪水预报中的应用

为提高平原区河网的实时洪水预报精度,以温黄平原为例,建立平原地区河网水文水动力模型,针对以水位、流量为向量的两个状态空间分别应用卡尔曼模型进行交替滤波,实现状态量的校正和模型参数的自动调整;同时,应用该模型对不同暴雨频率下温黄平原的水动力过程进行模拟。结果显示,修正模型计算结果与实测资料吻合,局部测站的水文校正能够提高整个河网实时预报的精度;淹没范围和洪水到达时间除了与暴雨强度相关外,还与地形的容积阈值密切相关。

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。

基于水动力水质模型的平原河网排污模拟分析

以嘉兴市平湖塘及其周边河道水域作为研究区域,以水体中氨氮、BOD5含量作为水质指标,应用MIKE21建立平原河网水动力水质耦合模型,模拟了污染物在河网模型中的迁移扩散过程。通过对不同工况下的事故排放过程进行分析,得出在一定条件下,污染物在单位时间内的扩散面积与扩散时间呈明显的线性关系;在其他条件相同的情况下,污染物在相同时间内的扩散面积与事故排放浓度呈四次相关关系。研究表明,在保持排放总量不变的情况下,污染物的排放模式与排放浓度对扩散面积起决定作用,相同总量的污染物若采用高浓度排放,则对环境影响程度呈指数级上升。