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1、水资源调度工程对城市内河水环境改善的作用分析88防洪排水城市道桥与防洪2011年5月第5期水资源调度工程对城市内河水环境改善的作用分析陶亚芬(上海浦东工程建设管理有限公司,上海201210)摘要:为科学,客观地反映调水引流工程在解决城市地区水环境问题中发挥的作用,需建立一维水质模型.该文以南宁市环相思湖水系调水工程为例,通过分析计算表明连续调水对环相思湖水环境有较大改善作用.关键词:水资源调度;环相思湖;水环境模型;MIKE1l;南宁市中图分类号:TU991.11文献标识码:A文章编号:1009～7716(20H)05—0088—040引言平原河网地区城市发达,人口众多,
2、工业发达,同时又是湖泊密度,河网发达,地势平坦,易于受工业污染,发生水环境灾害的地区.在全国城市中,有半数以上依河而建,河流对城市形态和经济发展起着重要作用.然而近年来,由于工业化和城市化的迅猛发展,作为城市赖以生存的母亲河,却成为城市的排污管道,遭到日益严重的污染,危及人类的健康,水环境问题是困扰城市环境和经济可持续发展的一个主要问题….为解决水环境问题,近年来,许多城市主要通过引水冲污,沿河截污,清淤底泥等措施.为准确分析论证引水冲污的效果和可行性,本文将建立水动力,水质的数值求解模型,以南宁市环相思湖水系水资源调度工程为例,利用水质模型对该调度方案对环相思湖水系水环
3、境的影响进行分析评价.为今后类似城市地区河网调水对水质改善效果分析提供理论依据.1河网水环境数值模型1.1河网水动力模型及求解1.1.1控制方程组描述水流在明渠中运动的一维非恒定流基本方程是基于圣维南方程组,包括连续方程和动力方程:B+:g(1)'dfOQ+(芸+-o(2)式中:,分别为空间和时间坐标;A为过水断面面积;Q为流量;g为旁侧人流;Z为断面水位;B收稿日期:2011-03-07作者简介:陶亚芬(1976一),女,安徽人,硕士,程师,从事工程项目管理工作.为当量河宽;K为流量模数;g为重力加速度【2J.该方程组需补充定解条件才可以求解,包括初始条件和边界条件.1
4、.1.2圣维南方程组的数值求解圣维南方程组为一阶拟线性偏微分方程组,只有在高度简化的情况下才可以求得方程某种简化形式的解析解.其数值求解一般采用差分格式,该项计算采用Abbott六点隐式差分格式离散方程组,该离散格式在每一个网格节点并不同时计算水位和流量,而是按照顺序交替计算水位和流量,分别称为水位(h)节点和流量(Q)节点,该格式为无条件稳定,能够在相当大的Courant数下保持计算稳定,可以取较长的时间步长从而节省计算耗时】.1.2河网水质模型1.2.1一维水质模型控制方程河网水质模型的控制方程为一维对流扩散方程,其基本假定是:物质在断面上完全混合;物质守恒或符合一级
5、反应动力学:符合Fick扩散定律,即扩散与浓度梯度成正比.一维对流扩散方程写为:+～oOc一旦fAD—OC=一AKC+C,(3)aaOxOx/'式中:,f分别为空间坐标,m和时间坐标,s;C为物质浓度,mg/L;D为纵向扩散系数m2/s;A是横断面面积,rn;q为旁侧人流流量,m2]s;c,为源汇浓度,mg/L;K为线性衰减系数,1/d.对流扩散模型可以模拟在水流和浓度梯度影响下,传输扩散过程中的溶解或悬浮物质(如盐分,热量,沙土,无机物,有机物及其它水质组分)在时间和空间上的分布.1.2.2对流扩散方程的离散求解对流扩散方程数值解法同圣维南方程组解法类似,都为一阶拟线
6、性偏微分方程,其数值求解一般采用差分格式,该项计算采用时问和空间中心隐式差分格式离散对流扩散方程.对流扩散方程2011年5月第5期城市道桥与防洪防洪排水89的离散形式为Il:(n+ll/2Cn,(n+ll/2c,n(n+I)/2In+1)/2(1)/2一)/2O-U/2'n+1)/2一V'I"¨KC"(4KC4)C一.,【)式中:是网格数;n是时间步数;At是时间步长:是控制体积;T是通过控制体积的输运量;C是物质浓度.对流扩散项的离散形式写为:(n+1)+1)/2":=‰(n+1),12C,+ll1)/Cq+t)/2-ADL+2=Q2D.".5)式中:Atx是空间步长;
7、Q是通过控制体积右边壁的流量;A'是右边壁的横断面面积;C(i+1)/2为上游内插浓度值.整理以上各式,可以得到任一时刻,关于相邻三个网格点浓度的隐式差分方程:Ctl4.,十Cn..十,Cn+l=6(6)0.C,一17C,十C,+1=n7()1.2.3边界条件m流边界条件为:2:0(7),^OX人流边界条件为:c(o,￡)=(常数)(8)式中:,为输人的边界浓度.上述线性方程组的解法同水动力方程组解法相同,这种隐式差分体系是无条件稳定的,为了保持数值收敛,应取(或=At)的步长关系,l上l对方程组的最后求解采用Thomas追赶
