分层水库污染物输移影响因素分析入库条件影响分析陆俊卿

文章编号：1000-4874(2009)-05-0558-08分层水库污染物输移影响因素分析(I)—入库条件影响分析*陆俊卿1，张小峰2，易灵3(1.环境保护部华南环境科学研究所，广州510655,Email:[e-mail]；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072；3.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州510610)摘要：在分层水库密度流流动典型过程分析的基础上，引入进口密度弗汝德数表征水库入库条件，采用三维非线性RNG浮力流模型对分层水库污染物输移的典型过程进行模拟，分析了入库条件对污染物输移的影响，探讨了入库条件对污染物在不同密度流流动区域射流区、交换区、潜流区的输移扩散规律，从而为水库水质、水生环境管理与调度、水库应急预警方案的制定提供参考。关键词：水库;分层;污染物;入库条件;浮力流模型中图分类号：P731.22;O353.2文献标识码：AAnalysisofinfluencefactorsofcontaminanttransportinstratifiedreservoir(I)—InfluenceofinflowboundaryconditionLUJun-qing1,ZHANGXiao-feng2,YILing3(1.SouthChinaInstituteofEnvironmentalScience,Guangzhou510655,China;2.StateKeyLaboratoryofWaterResourceAndHydropowerEng.Sci.,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;3.DesignInstitute;ZhujiangWaterResourcesCommission;Guangzhou510170,China)*收稿日期：2009-01-16(2009-05-11修改稿)基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务专项基金(zx_200809_02)作者简介：陆俊卿(1979－),男,江苏南通人,工程师,博士.陆俊卿，分层水库污染物输移影响因素分析(I)—入库条件影响分析5591引言水库密度流主要有由于温差引起的温差密度流、含沙量不同引起的泥沙异重流及污染物浓度差引起的密度流。不同的水库来流及水库分层情况导致不同的水库密度流形态。密度流在水库中的流动特性与水库水质及水库生物的生存环境息息相关，特别是当密度流中含有污染物时。污染物在水库中的浓度不仅与其本身化学特性有关，与挟带污染物水流的特性，水流入库条件及水库环境水体条件也有着密切的关系。来流密度与水库分层水体间密度的差异会改变污染物输移特性。国内大多数大型水库在垂向上均有热分层现象，温跃层的存在抑制了动量、温度、污染物浓度在垂向上的输移，对污染物在水库中的输移有重要的影响。关于污染物在湖泊水库水体中的迁移运动，已有一些研究成果。VanGils建立了能模拟有毒化学物质输移的一维数学模型，从而为流域管理提供有力的技术支持[1]。Schnoor与Mossman于1992年建立了长距离的一维能模拟杀虫剂等有毒化学物质输移的模型[2]。由于上述模型均为一维模型，假定污染物在横向和垂向上混合均匀，适合于长河段，水深较浅的河道，而对于包含大面积水域的深水库来说，一维模型不适用。李志勤等[3]在对水库水动力学特性详细研究的基础上对水库污染物输移的特性进行研究并开发了实际水库突发性污染事故预警系统，但研究中未考虑水库分层及异重流对污染物输移的影响。Chung等采用了静压假定及混合长度模式建立了剖面二维模型，采用实测资料对模型进行验证并对分层水库中污染物输移进行了模拟，取得了较好的效果[4-5]。当水库上游出现污染时，实时的污染物输移信息预报能为水库管理者采取紧急补救措施，采用不同的调度方式对污染物浓度和范围进行控制，并尽快将污染物排泄出库提供参考。对污染浓度进行稀释、取水层的选取等决策均建立在对污染物分布准确预测的基础上。因此确定上游来流条件以及水库密度分层情况对水库水流流速、潜入点位置及深度，分离点位置及深度，交换层厚度，污染物在输移过程中的稀释程度等特征参量的影响规律具有重要的实用意义。密度流在水库中的流动均具有强烈的三维特性，水流特性与水库来流条件、环境水体条件、水库地形条件息息相关。为更好模拟密度流流动的三维特性，本文采用已建立的三维非线性RNG湍浮力流模型对概化分层水库中污染物运动进行模拟，分析了不同来流条件下分层水库中污染物运动规律，为水库水质、水生环境管理与调度、水库应急预警方案的制定提供参考。2分层水库密度流流动典型过程分析对于水库分层密度流特性的研究国内外已有一些研究并取得一定的成果。Alavian，Martin和McCrutcheon等根据来流密度与水体密度的差异将水库密度流分为表面流、下潜流和交换流[6-7]。当来流密度小于水库密度时候，将沿水库库表流动形成表面流；当来流密度大于水库密度时，水流将沿河道底坡下潜，形成下潜的异重流；当来流密度与分层水库中某层密度相仿时，将在潜流的过程中脱离河道底坡进入密度与之相仿的水层，从而形成交换流。Gu等根据密度流潜入分层水库的特性将水库划分为射流区，潜流区和交换区三部分[8]。在分层水库中，射流区来流动量作用远远大于浮力作用，此时水库流态类似于河道明渠流，随着密度流向水库的不断推进，动量作用与负浮力作用的此消彼长，浮力作用占主导地位，此时水流沿河床底坡形成下潜流，进入潜流区，该潜入位置称为水流的潜入点；当下潜密度流潜入至密度与之相仿的密度层时，水流将从河床脱离进入该层并形成交换区，该脱离位置称为分离点。图1给出了分层水库密度流流动的典型过程及各区的分布示意图。图1中，0h为水库入库水深，pd为潜入点处水深，sd为分离点处水深，jh为交换区厚度，id为交换区中心水深，td为温跃层深度，th为温跃层厚度，tT与bT分别为表面层与恒温层水温，px为射流区长度。Abstract:Onthebasisofanalysisofthetypicalprocessesofdensitycurrentinthermalstratifiedreservoir,theemphasisofthestudyisputontheinfluenceofconditionofinletflowonthecontaminationtransport.TheinflowdensityFroudenumberisintroducedtofiguretheinflowboundaryconditionofthereservoir.Thetypicalprocessofcontaminanttransportinginstratifiedreservoirwassimulatedbythenon-linearRNGanisotropicbuoyantturbulencemodelandtherulesofcontaminationmixingandtransportindifferentflowregionsofstratifiedreservoirwereanalyzed.Theresultscanfacilitatecontrolincontaminationtransportandprovideinformationusefulforwaterqualitymanagement.Keywords:reservoir;stratified;contamination;inflowboundarycondition;buoyantturbulencemodel水动力学研究与进展A辑2009年第5期5603模型介绍在RNGε-k模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘性项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除，所得出的k，ε方程形式上同标准ε-k模型完全相同。与标准ε-k模型相比较，RNGε-k模型的昀大特点在于在ε方程产生项的系数ε1C的计算中引入了主流的时均应变率ijS，这样在RNGε-k模型中的ε1C的值不仅与流动情况相关，而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。浮力修正的RNGε-k模型方程及其参数详见参考文献[9]。本文采用非线性RNGε-k模型，该模型在浮力修正的RNGε-k模型的基础上，引入非线性的雷诺应力模式。模型中非线性雷诺应力模式如下：1/2223uukklDClijijijDδ−=−++i13DDDDimmjmnmnijδ−+⎛⎞⎜⎟⎝⎠213ClDDijmnijkδ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠（1）式中：ijD是平均应变张量；l为混合长度尺度，由2/1/2kltν=计算；ijD是ijD的Oldroyd导数，定义为ijijjiijkijkikkkDDUUDUDDtxxx∂∂∂∂=+−−∂∂∂∂；常数DC，EC由试验确定为DECC==1.68。已有的计算表明，这种非线性模式与线性的标准ε-k模式相比，在多数情况下能够更准确地预测各向异性的湍流[10]。运用有限体积法和交错网格离散模型基本方程。离散后的方程组采用三对角矩阵法(TDMA)迭代求解，采用SIMPLEC解法对压力和速度场进行耦合计算，代数方程组求解方法为交替方向隐式迭代法(ADI)和三对角矩阵算法(TDMA)结合扫描迭代的方法。计算中收敛条件为所有计算变量的昀大残差小于10-5。为了避免迭代过程发散，加快收敛，对源项采用线性化并对迭代过程进行欠松弛。详细离散过程参见文献[11]。作者还将另文以Johnson水库温差异重流实验资料为依据，对建立的模型进行验证分析，通过与实测资料比较验证可以看出，模型由于考虑了引入了非线性RNG模式，能更好地模拟密度流动的各向异性特性，计算结果与实测结果较为接近，模拟精度较高。4计算条件拟定4.1地形条件选取中心剖面如图1所示的概化水库进行计算，水库横断面为矩形断面，且沿中心剖面对称。概化水库特征参数如下：水库长L=20.0m，坝前水深H=4.2m，河床底坡比降J=0.22，进口水深h0=0.24m，进口断面宽度B=1.0m。计算区域选为20m×1m×5m，纵向空间步长为0.5m，横向空间步长为0.1m，垂向空间步长取为0.08m。模型计算中忽略水气、水沙交换对污染物输移的影响。假定水库水体密度仅随温度变化，污染物浓度不改变水体密度。进口流量和污染物浓度在进图1分层水库典型密度流过程及分区示意图陆俊卿，分层水库污染物输移影响因素分析(I)—入库条件影响分析561口保持恒定，出口流量与进口流量相等，运行过程中自由水面保持不变。计算初始取水库流速及污染物浓度为0。4.2计算条件拟定在确定的环境水体分层条件下，根据不同的来流边界条件拟定不同的计算方案对污染物在不同的密度流流态下输移的典型过程进行分析。来流边界条件、环境水体分层条件，可以通过进口密度弗汝德数Fre，水库分层指数St进行描述。进口密度弗汝德数Fre的具体表达式为：00'hgUFre=（2）水动力学研究与进展A辑2009年第5期562其中：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=aaggρρρ0'aρ为环境流体密度，0ρ为进口密度，g为重力加速度。Fre反映了进口水流惯性力作用与浮力作用之比，当其他条件不变时，Fre越小，说明密度水流惯性力越小，浮力作用越大，反之亦然。对水库分层指数进行如下定义：水库分层主要是由于垂向上温跃层的存在，对温跃层水温分布采用线性分布(ddzρ=constant)进行简化。如果将温跃层的厚度和深度确定不变，则表温层和均温层之间的温度或密度差异能代表水库的分层情况，通过以上简化和假定，水库分层指数定义如下：0/ρρ∆∆=tS(3)式中：btρρρ∆=−，bρ为温跃层底部密度，tρ为温跃层顶部密度。0ρ∆为水库来流与水库环境水体间的密度差，mρρρ−=∆00，0ρ为来流密度，mρ为环境水体密度，定义如下：()2tbmρρρ+=计算中固定进口水深与环境水体分层条件，通过改变进口流量来改变Fre数。考虑Fre影响的计算方案设计如表1所示。由表中可以看出，Fre范围取为0.27-