水质水动力学耦合问题研究报告

天津大学2013~2014学年研究报告

课程名称：水库优化调度

（编号：S205E046）

研究题目：水流与水质耦合模拟

学院名称：建筑工程学院

专业名称：水利水电工程

学号：1013205068 2013205138

姓名：许红师孟庆林

2013 年12 月

目录

1 基本资料概述 (1)

1.1 研究对象 (1)

1.2 研究目标 (1)

1.3 研究要求： (1)

1.4 研究信息和约束 (2)

2 研究思路 (2)

3 技术路线 (3)

4 研究内容 (3)

4.1 模型建立 (3)

4.2 方案制定 (4)

4.3 数值模拟 (4)

4.3.1 初始条件下数值模拟结果 (4)

4.3.2 方案一系列数值模拟结果 (5)

4.3.3 方案二系列数值模拟结果 (9)

4.4 结果分析 (13)

5 总结 (13)

1 基本资料概述

1.1 研究对象

本课题研究对象为一方形湖泊，长：1000.0m、宽：500.0m。湖底为平面，底高程为0.0m，四周岸堤高程均为5.0m。上方中间位置有一排污口。左右两侧中间位置各有一节制闸，最大过闸流量20m3/s，两节制闸均可汇入和汇出流量。平面结构如下图1所示：

500m

1000m

图1 研究对象平面结构示意图

1.2 研究目标

给定湖泊初始的水质条件和水位，计算在确定排污口排入污染过程下，10天时间内的湖泊水质变化过程。判定湖泊水体水质是否满足景观四类水体水质要求、何时不满足和哪些区域不达标。如果不达标，提出合理的补水方案(补水方式、补水时间等)，即如何通过左右两侧节制闸的调控，控制进入和汇出湖泊的水流过程，使得污染物稀释同时水体水质满足景观四类水体水质要求。

1.3 研究要求：

（1）采取MIKE21软件模拟，hydrodynamic module+ transport module。模拟所需参数可采取软件推荐值或自行调研信息值。

（2）不考虑风对水流作用；考虑降雨和蒸发。

（3）不考虑污染物的生化反应，不考虑降解。

1.4 研究信息和约束

（1）湖泊初始水深3.5m，水深不能低于3.0m，不能高于3.8m。

（2）湖泊初始水质条件：污染物浓度为0.0mg/L。

（3）排污口宽度2.0m，汇入流量为0.05m3/s，污染物浓度为50.0mg/L。10日后排污口关闭，没有污染物汇入。

（4）左右两侧节制闸的过流宽度为10m，最大补水流量20m3/s。

（5）第2、第5和第8日的早8:00-晚20:00(12小时)发生降雨，平均降雨量为12mm/h，雨水水体无污染物。

（6）第1日至第10日的日蒸发量均为5mm/day，但降雨日蒸发量忽略。

（7）四类景观水体水质污染物浓度不超过1.5mg/L。

2 研究思路

湖泊水体污染物浓度的降低主要得益于污染水体的排出和污染物的扩散稀释，而污染水体的排出需要湖泊出流大，污染物的稀释扩散需要湖泊进流大，经过初步模拟，当湖泊同时最大进流和最大出流时，无法满足水位要求。基于此，我们分别制定了污染水体的排出和污染物的扩散稀释两种类型的补水方案。

方案一系列，假设湖泊水体污染物浓度的降低主要是得益于污染物扩散与稀释，由于排污口在不同于节制闸的一侧，不在湖泊水体的主流区，该区水流流动强度较弱，污染物扩散与稀释较慢，因此，增加湖泊水面波动可以加快该区域的流动强度促使染物扩散与稀释，这一方案的补水方式是：在满足约束的前提下，通过控制左节制闸与右节制闸的交错汇入与汇出，实现湖泊水的蓄放，“蓄”起到稀释作用，“放”起到排污作用，而且蓄放过程增加了湖泊水面的波动，有利于侧方污染物的扩散与稀释。

方案二系列，假设湖泊水体污染物浓度的降低主要是得益于污染物水体的排出，则湖泊水体被更替的越多污染物浓度越低，这一方案的补水方式是：在满足约束的前提下左节制闸以一定流量连续汇入，右节制闸以最大流量连续汇出。

本研究按以下思路开展：首先，模拟初始状态下，在降雨与蒸散发的自然条件下，排污口连续十天排污过程中，观察湖泊水质及湖内水位变化是否满足要求。然后，如果上述状态不满足要求，则提出上述多种补水方案。最后，运用MIKE21进行数值模拟，给出最终合理的补水方案，以使水质、水位满足要求。

3 技术路线

（1）采用SMS9.0软件构建研究对象模型，进行网格划分，并将其导入MIKE21中，运用MIKE21中hydrodynamic module+ transport module对初始条件下湖泊水质水位进行数值模拟。若满足要求则为合理方案，否则制定下述方案。

（2）制定方案一系列和方案二系列的方案。

（3）运用MIKE21软件对方案一系列、方案二系列各方案进行数值模拟。

（4）分析模拟结果，比选方案一、方案二的最优可行方案。

4 研究内容

4.1 模型建立

本研究采用SMS9.0进行模型建立网格划分，各部分网格大小为：排污口（2m）处每米一个网格，闸门（10m）处每5m一个网格，其余部分由20m逐步向排污口、闸门处网格大小过渡以满足网格大小均匀。SMS9.0划分的网格如图2.

图2 网格划分

本研究采用MIKE21中hydrodynamic module+ transport module进行数值模拟，时间步长取为600s，计算时间为10天，初始水位设为 3.5m，蒸发值为5mm/day，污染物汇入流量为0.05m3/s，污染物浓度为50.0mg/L，按照约束条件建立降雨时间序列文件、补水方式时间序列文件，其他值取默认值。