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。

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。

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。

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。

暴雨对梁子湖水动力和水质的影响研究

为了分析在暴雨条件下,流域面源污染对梁子湖水质的影响,采用分布式流域面源污染模型,结合湖泊二维水动力水质模型,以暴雨产生的面源径流和污染负荷作为水动力水质模型的边界条件,构建了包含暴雨径流-面源模型与二维水动力水质模型的梁子湖水质模型体系。采用梁子湖水质的实测资料对模型进行了验证,其结果为面源模型的误差在15%以内,水质模型误差在20%以内,表明模型能模拟暴雨条件下面源径流和入湖污染物输入时湖泊水动力及水质的动态响应关系。以2010年7月11日暴雨过程为例,利用所建模型对暴雨前后梁子湖水质变化进行分析。模拟结果表明,水质受暴雨及污染物的冲击影响较大。

南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测

为了研究南水北调中线工程复杂水工建筑物影响下的水流特性以及对污染物在渠道内输移、衰减过程的影响,保证输水过程中的水质安全,分析了突发性污染事故潜在污染源特征,构建了南水北调中线工程典型输水渠段的一维水动力水质模型,模拟倒虹吸、节制闸、涵洞、隧洞、渡槽、公路桥6种水工建筑物影响下输水渠道内的水流特性,采用七里庄断面实测水位、流量、水质(总磷、氨氮)数据对模型进行了校核与验证;并运用该模型预测店北公路桥突发水污染事故时,3种输水流量、3种负荷、3种污染物泄露至渠道后污染物沿程分布规律。结果表明:该模型能有效模拟复杂水工建筑物下的水动力和污染物输移特性,下车亭分水口处污染物浓度超标与否受输水流量和污染负荷共同影响。针对分水口处水质指标浓度变化,提出合理、有效分水和退水方式,为保障南水北调中线工程输水水质安全提供参考。

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。

水动力-水质模型在人工湖优化设计中的应用

以青海省德令哈市人工湖为例,介绍了MIKE水动力-水质耦合模型在人工湖引水流量及湖体形态优化设计中的应用情况。通过对人工湖形态的网格划分,在大量模拟方案的基础上,系统模拟了人工湖不同点位的水体交换完成时间,确定了2条引水渠道的引水流量和引水周期;通过人工湖"新"、"老"水体的对流扩散模拟,确定了湖体重污染潜在区域和富营养化高发区,为湖体形态和水体流态的优化提供了重要技术支撑;通过对风场叠加方案的模拟,为工程运行期间换水时机的选择提供了关键的参考依据。

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。

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。

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MIKE11的浑太河水动力水质模型研究

基于MIKE11构建了浑太河流域主干河流—浑河、太子河水动力水质数值模型,并对浑河闸、葠窝水库两座大型水利工程进行概化处理,利用长序列逐日水文资料对模型参数进行率定与验证。研究结果表明,水动力、水质及可控制水工建筑物模拟精度高、拟合效果好,能够充分反映研究河段水动力及水质特征,可为水质预测、水质水量联合调度等水利工程相关研究提供模拟响应工具。

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。

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。

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。

基于水动力水质模拟的感潮河网生态补水研究

为探究改善粤港澳大湾区河口城市水系水动力不足、水质较差的情况,以东莞市滨海湾新区为例,进行以潮汐为水源的生态补水效果研究,考虑引潮河涌宽度、河涌连通的差异性拟定补水方案,建立研究范围内的水动力水质耦合模型,结合实测的同步水文水质数据对模型进行率定,模拟不同方案下引潮量、水位、流速、污染物特征值的变化趋势。结果表明:引潮河涌宽度增加,引潮量增大,但对河涌水位、流速等基本无影响,对水质提升效果影响也较小;河涌全部连通,有助于降低污染物特征值;断头涌内水流往复流动,污染物浓度较高;单纯通过引潮难以将NH_(3)-N浓度降低至Ⅴ类水标准限值以下,需辅以其他污染物削减措施。

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。

生态调节坝对御临河水动力水质影响的模拟研究

御临河生态调节坝在减少三峡库区调度产生的消落区面积的同时,也改变了御临河内的水动力特性和水环境质量,调节坝对御临河水动力水质影响的量化是一个值得研究的问题。基于SWMM和EFDC模型,构建了御临河流域的水文、水动力和水质模型,通过对建坝前后的模拟分析对比,探求了生态调节坝对御临河水动力水质的影响。结果表明:调节坝运行后,御临河流速会受到较大滞缓,且下游段(舒家至调节坝)受影响比上游段(梅溪至舒家)更大;由于流速滞缓作用,枯水期水体会形成较明显的水质分段现象,但在丰水期该现象得到一定改善;建坝后水质指标浓度均有不同程度升高,下游流经建设用地段各水质指标浓度最高,库首段水质建坝前后变化幅度最大。模拟结果可以显示调节坝对御临河水动力和水质的影响,为三峡库区其他支流修建水利枢纽设施对其造成的影响评价提供一定参考。