河道立面二维非恒定水温及污染物分布预报模型.pdfVIP

水 　　利 　　学 　　报 　2000 年 9 月 SHU IL I 　　XU EBAO 第 9 期 文章编号 : (2000) 河道立面二维非恒定水温及污染物分布预报模型 1 1 2 江春波 , 张庆海 , 高忠信 ( 1 清华大学 水利系 , 北京 　100084 ; 2 中国水利水电科学研究院 机电所 , 北京 　100038) 摘 　要 : 通过建立一种立面二维模型 , 考虑自由水面的变化 , 采用全显式的有限体积法模拟了河道流动的水温 及悬浮污染物质分布. 该模型适用于大尺度水域中较长期的流动 、水温及悬浮物质迁移问题. 通过优化取水 口 位置高程将水体中污染物质残存总量控制到最少 , 对水库实际流动 、水温 、悬浮物质分布的模拟结果与实际观 测符合良好. 关键词 : 温度分层流 ; 立面二维模型 ; 水污染控制 中图分类号 : X143 　　　　　　文献标识码 : A 由于人类活动及工农业生产 , 使河流两岸的植被遭到破坏 , 大量泥沙及其悬浮物质流入江河 、湖 泊等水域 , 造成河流 、水库水质的严重污染. 随着人们对环境保护的日益重视 , 已经开展了大量的对 水污染治理的研究 , 并且提出了相应的工程措施. 其中 , 建立一个预报河道水域中流动 、水温和污染 物质分布的数学模型 , 是水污染控制方法之一. 模拟河道水流流动特性的数学模型有二维与三维[1 ,2 ]之分. 与三维数学模型相比, 二维模型输入 数据少 、计算效率高. 对于流速 、温度以及浓度等在水深方向上分布基本均匀的情况 , 用沿水深方向 [3 ] 积分后的数学模型 就可以得到满意的结果. 而对于河道比较窄 , 流速 、水温或污染物在深度方向 上分布具有明显差异的情况 , 如垂向有回流旋涡 、密度分层等 , 用立面二维模型[4 ,5 ] 可以充分反映流 ( ) 动特征 , 与完全三维模型相比还可以节省计算工作量. 对于简单均匀流动 垂向流速近似为零 , 文 献 [4 ] 在假定悬浮泥沙颗粒为单一粒径且不考虑颗粒本身沉降速度的情况下 , 采用剖面二维模型模 ε 拟了泥沙颗粒在河道中的迁移过程 ; 对于考虑复杂流态的立面二维模型 , 文献 [ 5 ] 采用 k 双方程 湍流模型计算了一个立面二维流动 , 实际算例为一个定常的悬浮泥沙分布问题. 以上两种模型均未考 虑自由水面的变化. 本研究提出了一种预测河道型水库中流速 、温度和悬浮污染物质分布的立面二维数学模型. 模型 的特点为 : ( 1) 数值格式全部采用显式 , 具有节省机器内存 、计算速度快的优点; (2) 可以模拟较长 时期 (如几个月 , 几年) 的流态 、水温和悬浮污染物质分布 ; (3) 考虑河道宽度的变化以及汛期自由 水面的变化 , 适合于非定常问题的模拟 ; (4) 考虑悬浮物质粒径不均匀性及 自身在水中的沉降速度 , 并通过取水口布置对水库中悬浮物质分布及残存总量进行控制. 1 　数学模型 11 　基本方程