福州内河河网精细水流水质数学模型研究

[摘要]在前人研究的基础上,根据感潮河网地区水体的水动力、水质特性,建立了河网一维水动力和水质模型,并进行了模型验证。结果表明水动力模型计算值能够较好地吻合实测值,能正确反映涨落潮趋势,水质模型能正确反映污染物受涨落潮影响在河网内回荡的变化情况。研究成果对解决福州市水环境问题提供了一定的理论基础,具有一定的指导意义。

[关键词]感潮河网一维河网水力水质模型数值模拟,水环境

1引言

随着对水环境治理的日益重视和大力投入,研究感潮河网地区水流运动和水环境变化规律越来越重要。利用数值模拟分析水流及水质变化是水环境污染治理规划中的主要组成部分。内河水环境是城市规划与建设的一个重要组成部分,是城市形象的具体体现。受潮汐影响的城市河网水体具有水深小、河床比降小、受闸坝控制、流速缓慢、顺逆不定、水体自净能力不强等特性,这些特性使得污染物质在水体中随水流回荡,局部地区污染加剧,水质恶化。

1.1 福州内河地理水文特征

福州市地处闽江下游,福建省的第一大河闽江穿市而过,城区内河发育良好,河网密布,福州中心共有42条内河,形成以白马河为主的西区水系,以晋安河为主的东区水系,以光明港为主的东区河口水系[1]。内河河网如图1所示。

福州内河河网水源除部分来自北部山地汇水外,主要来自闽江潮水,主要是通过光明港的九孔、五孔、三孔和台江的派洲、方寿、彬德及西北角的西河与闽江福州段水域相连。城区内河的主泄水方向由西北指向东南,内河水流属往复非恒定流,水位、水深随闽江水位变化而变化,呈周期性涨落。正常情况下,闽江水每日两次由防洪闸门流入城区内河。进入市城区河道的潮水基本上以八一七路为界分东部和西部两种流态。东部潮水基本上由光明港经晋安河进入市区逆行而上达于各支流河其它横向河道,退潮时,与原河道中污水混合后的各路水流又由原路顺路退出,大部分经九孔闸排入闽江中。西部潮水主要通过彬德闸涨入白马河,然后北上注入各支流和东西向河道,退潮时,只有白马河以西各支流白马河中部河水顺原路退出彬德闸,其余部分河水则向东通过东西向河道与东部河水汇合,由晋安河、光明港泄出。由于城区内河水源补给受到闽江潮汐的控制,且河网总进水方向与总泄水方向基本一致,水体的交换是被动的,河道中水流流向、流速的时空变化很大,污水稀释条件因河道、河段而异,局部河段污水因顶托、回荡难以排出的问题还是相当严重。

1.2 福州内河污染特征

福州城区内河以有机污染为主,氨氮,五日生化需氧量、高锰酸指数、溶解氧,pH一直是近10年来福州城区内河的主要污染项目。由表1可以看出,近10年来,福州城区内河的主要污染物构成及污染负荷分担率基本是一致的,说明福州城区内河10年来一直是以氨氮为首要污染物的有机污染类型。自1998年福州城区内河引水冲污以来内河水质总体上有较大好转,但仍然无法稳定达到GB33838-2002地表水V类水质标准。

表1 福州城区内河主要污染项目污染负荷分担率%

年份 指标

氨氮 BOD5 高锰酸盐指数 溶解氧 pH 其它

“八五”平均 66.65 16.46 6.11 3.71 3.49 3.58

“九五”平均 67.42 10.13 6.36 4.45 2.53 9.11

2002年 60.8 11.17 8.74 5.83 5.83 7.63

2003年 60.2 14.9 4 6.3 6.6 8

2004年 62.7 13 4.3 9.4 7.2 3.4

2005年 61.5 14.7 4.5 8.6 7.6 3.1

2模型基本方程

福州内河河网一维水动力水质模型是在描述非恒定流运动的圣维南方程和污染物浓度时空变化的带源对流扩散方程的基础上建立起来的[2]。

2.1水动力模型

一维水动力学模型计算的实质是求解圣维南方程组[1]。在河道的汇合点处,要求满足两个独立条件,即水流连续方程和能量守恒方程。

连续方程 (1)

运动方程 (2)

结点方程

(p为结点;m为结点断面) (3)

(4)

式中: Z为水位,m;B为水面宽度,m; Q为流量,m3; q为均匀旁侧入流的单宽流量,m3/s; x为河道纵向坐标,m; t为时间,s; A为过水断面面积,m2; K为流量模数,m3/s,;R为水力半径,m;n为河道糙率;Ap为结点面积,m2; 为结点水位增量,m。

初始条件及边界条件:

初始条件(5)

边界条件 为边界条件) (6)

上述方程采用不等距偏心插值的差分格式对其进行离散[3]。所建立的一维河网水动力学模型充分考虑了感潮河网地区河网结构错综复杂,分岔河道众多,河道水流流向多变,闸坝等水工建筑物较多的特点,将不等距差分法用于具有分岔支流河道的非恒定流水力计算中,使具有岔道支流的复杂的非恒定流计算问题得以利用不等距格式作连续计算,从而得出水质模型计算所需要的水动力数据。

2.2水质模型

由于感潮河网水流受潮汐作用的影响,产生明显竖向、横向混合效果,因此采用一维简化迁移扩散基本方程,对于一般污染物,有:

(7)

式中: 为污染物的断面平均浓度,mg/L; 为过水断面面积,;为流速,;为纵向紊动扩散系数,;:为污染物的来源和漏失项之和,;为有机污染物的降解速率系数,; 为时间,s。

方程(7)采用隐式差分法求解。一维对流扩散方程结构简单,且不受稳定条件限制,对任意形状的河网,各类水质指标及边界条件都能确保计算收敛和结果合理,计算简单、适应性强,有较高的模拟精度[4]。

3模型验证

3.1 河网概化

对于城市内河,过流断面可视为矩形,河道断面面积按矩形面积公式计算。并根据实际地形资料,选择断面间距为200m～1000m不等,河道节点前后50m各设一个断面。概化河道共18条河道,分成河段39条,河道节点23个,边界节点12个,总计算断面数为200个。时间步长取1s。

3.2 计算条件

水动力模型:上边界条件为2007年8月7日8:00至8日8:00上游边界断面同步实测流量资料,下边界条件为相应时段下游边界断面的实测流量资料。计算的初始条件可以采用静水启动条件(也称冷启动条件),即初始流量取为零。初始水位各河道给出0.05米水位。

水质模型:采用2007年8月7日～8日与河道水流监测同步的水质监测资料,污染源边界本模型根据水资源普查资料将市内的点源集中成25个,这些点源分别就近排入相应的河道。

3.3 模型率定

选取2008年9月2日白马河、晋安河和光明港各一个断面实测验证资料对水动力模型进行糙率率定,反复调试各河道的糙率,使得计算水位或流量过程与实测验证资料相吻合。水质模型采用同步水质监测资料率定。得到福州内河河道糙率取值范围为0.025～0.045,其中光明港糙率0.025～0.028,晋安河糙率0.025～0.035,白马河糙率0.028～0.032。在计算河道断面间有桥梁、水闸等构造物时,该断面间的计算河段糙率有意识的加大,借以提高模型模拟精度。参数Ex和COD降解,BOD降解,大气复氧,BOD沉浮,NH3-N降解,降解的速率系数分别选取:10m2/s,0.10,0.25,0.25,0,0.05,0.01。

3.3 模型验证结果

部分典型断面水位、流量计算值与实测值对比见图2～图7,NH3-N、BOD5浓度计算值与实测值的比较见表2。

图2 白马河同德闸前计算和实测水位的比较

图3 白马河同德闸前计算和实测流量的比较

图4晋安河紫阳桥前计算和实测水位的比较

图5 晋安河紫阳桥前计算和实测流量的比较

图6光明港连江路桥前计算和实测水位的比较

图7 光明港连江路桥前计算和实测流量的比较

从比较结果来看,研究区域内的水位、流量、水质浓度模拟是成功的,说明模型结构合理,基本能反映福州内河河网的水质状况。

表2主要断面氨氮浓度计算值与实测值比较

监测断面 实测平均值(mg/L) 计算平均值(mg/L) 相对误差 (%) 水质类别

白马河同德闸前 2.21 2.18 1.36 >Ⅴ

晋安河紫阳桥前 9.64 11.23 16.49 >Ⅴ

光明港连江路桥前 4.20 3.67 12.62 >Ⅴ

4结果分析

通过对内河河网水流水质的模拟计算,可以内河水流、污染物运动规律认识有更加直观、全面的认识。

4.1 水流运动规律的认识

本研究区域外江高潮时间为农历廿五8:00,外江低潮时间为农历廿六2:40。闽江福州段潮型为半日潮,每天两周期,每周期12h50min[1]。在涨潮时由于江水的倒灌或顶托,内河下游靠江河段水位升高,流量反而随之减少;三捷河、达道河、瀛洲河、打铁港由于河底坡降较小,甚至有负流量的出现。落潮时内河下游靠江部分水位降低,流量随之增大。总的看来,不管是涨潮还是落潮,内河下游水位变化要滞后于外江水位的变化,内河流量的变化要滞后于水位的变化。

4.2 污染物浓度的时空变化

为了进一步研究该区域内河非恒定流状态的水体对污染物的时空变化规律产生的影响,将选取典型断面的2007年8月7日～8日的氨氮计算浓度变化过程和计算流量变化过程叠加在一起,结果见图8～图10。

图8 白马河同德闸前流量、氨氮浓度过程线

图9 晋安河紫阳桥前流量、氨氮浓度过程线

图10光明港九孔闸内流量、氨氮浓度过程线

由图8～图10可以得出该研究区域污染物浓度随时空变化的大致规律。

(1)浓度过程与流量过程密切相关:污染物浓度大小和流量大小都是呈现周期性变化,此外两者还存在一定的相位差,这种相位差沿程有所变化。

(2)河口水系,东区水系和西区水系的下游,外江落潮时,市区的污水通过下游泄入江中,污染物浓度增大,落憩前后浓度达到最大值;涨潮时,污水受到外江潮水的顶托作用,不能外排,污染物浓度降低,涨潮前后达到最小值。东区水系与西区水系的上游,污染物浓度与水位高低一致。中游是过渡段,外江涨潮由于下游污染物上溯,河水顶托,流速降低,污染物浓度增加;外江落潮时污染物浓度随之下降。

5结语

本文对研究区域水系河网进行合理概化后运用所建立的数学模型进行数值计算和验证,验证结果令人满意,水力模型能正确反映涨落潮趋势,水质模型能正确反映污染物受涨落潮影响,分析得出福州内河感潮河网的水动力及污染物迁移规律。

河流水质模拟的最基础、最关键的部分是要有大量的水文、水质同步监测数据。本文研究中,对于部分监测断面数据不够完整,需进行更深一步的精确测量和验证工作。

参考文献:

[1] 洪理建.福州内河引水冲污技术研究[J].人江. 2000(1): 38～42.

[2] 陈虹,朱明栓,余金星. 感潮河网水动力水污染数值模拟研究及应用[A].第二十届全国水动力学研讨会文集[C].北京:海洋出版社,2007.

[3] 白玉川,万艳春,黄本胜等.河网非恒定流数值模拟的研究进展[J].水利学报.2000,(12):43-52.

[4] 徐祖信.河流污染治理规划理论与实践[M].北京:中国环境科学出版社,2003.