基于质点追踪法的河渠非恒定流污染物模拟研究

摘要

由于不合理的用水习惯导致水资源浪费,城市化进程的加快,工业废水与生活废水排放总量与城市污水处理能力之间的矛盾,导致人均水资源量不足,水污染严重,水环境治理工作迫在眉睫。研究污染物进入水体后的迁移扩散规律是治理水环境污染和阻止水环境进一步恶化的重要理论基础,是迫切需要研究的重大课题。基于欧拉法的水环境污染物扩散模型,以空间为控制单元,无法描述污染物质点的迁移扩散轨迹,为此本文以明渠非恒定流和感潮渠道非恒定流以及汾河入黄口为研究对象,以有限差分法,特征线法在流场模拟中的应用,以及质点追踪法在污染物迁移扩散模拟中的应用为手段,对流场及污染物迁移扩散规律进行了研究,结果表明,污染物进入河流后,首先要沿排污方向进行迁移,由于受到河流不同方向流速的影响,污染物随着速度方向进行扩散,污染物在河流中经过迁移扩散形成污染带,其中排污口浓度较高,并沿着随流方向浓度逐渐减小。污染物的迁移扩散受到上游来水量和流速的影响,上游来水量越大,流速越大,在相同的时间内污染物质点运动轨迹更远,有利于污染物的迁移扩散。
　　本文主要进行了以下几个方面的研究:
　　(1)建立随机试算模型,采用试算法和随机游动法相结合的思想,对变宽矩彤断面的明渠恒定均匀流水面线进行了模拟计算,并与已有文献对比作为模型验证。随着游动次数的增加和迭代误差的减小,相对误差和绝对误差都在减小,游动值更加接近试算的结果,但是迭代误差比游动次数对绝对误差和相对误差的值影响更大。随机试算法得到的相对误差和绝对误差并不随着计算断面的增多而逐渐增大,可以减小累积误差。
　　(2)针对河渠不同的边界条件分别采用有限差分法和特征线法求解非恒定流一维水动力模型,以此为基础与质点系思想相结合建立了质点追踪模型。
　　(3)将建立的质点追踪模型应用于电站引水渠道和感潮渠道,模拟了渠道内侧排污、底部排污两种工况下污染物质点的运动轨迹,分析了污染物迁移扩散规律。渠道内中心线的浓度分布符合高斯曲线,并且其值随着占的增大而逐渐的减小;从中心线轨迹和x=-30-处质点的轨迹线可以得出污染带随着不同时间,在不同位置的分布情况;感潮渠道内污染物质点的运动轨迹是往复轰荡的,更不利于污染物向下游进行迁移:等宽渠道和变宽渠道在15km处,断面越室,污粪物质点向上游迁移的更近,更有利于污染物迁移扩散;与上游无来水相比,有来水的情况下污染物质点向下游迁移的要远,更有利于污染物的迁移。
　　(4)将所建立的质点追踪模型应用于汾河入黄口,模拟了浍河入黄日黄淤60断面至黄淤59断面,枯水年(75％水文频率年)枯水季(5-7月份)六荐工翟下典型污染物COD汇入黄河后的质点迁移的位置以及污染带分布情况。污染物蜃点首先耍沿捧污方向进行迁移,由于受到河流不同方向流速的影响,质点随着速度方向进行扩教形成污染带,其中排污口浓度较高,并沿着随流方向浓度逐渐减小,且污染物在河瀛串的扩散以纵向扩散为主,横向扩散程度相对较小;当上游来水较大时,污染物质点纵囱迁移歪离均较长,使得整个污染带较长且较宽;反之,当上游来水较小时,污染物在纵向迁移距离均较短,整个污染带较短且较窄。

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1绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 本研究技术路线

2 基于质点追踪法的河渠水环境模型研究

2.1 水动力模型简化

2.2 一维水动力模型

2.3质点追踪模型

3 电站引水渠道非恒定流水流与污染物模拟研究

3.1水流计算

3.2 污染物迁移扩散模拟

3.3 小结

4 感潮渠道非恒定流水流与污染物模拟研究

4.1 水流计算

4.2污染物迁移扩散模拟

4.3小结

5 汾河入黄口水动力特征与COD模拟研究

5.1 汾河入黄口概况

5.2汾河入黄口水动力特征研究

5.3汾河入黄口COD模拟研究

5.4 小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录