潮汐动力条件下支流排污入长江口的数值模拟

中国环境学会  2011年 03月31日

        张景新
  上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系 上海 200240
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       摘要:长江口水域以其独特的地理位置及生态环境对长江三角洲地区的人类活动起着重要的作用。该地区人口稠密,工农业发达,而与之伴随的是沿江污染物排放及取用水条件的不断恶化。本文研究潮汐动力条件对支流(刘河)排污入江的影响,通过三维水动力及水质模型,模拟了不同潮汐条件下污水的输运过程,给出了污染强度的预报。通过数值模拟,分析了不同潮汐动力条件的影响作用,从而为进一步的排污工程管理提供一定的技术支持。


  关键词:潮汐河口 支流排污 稀释历时
   
  1 简介


  潮汐流动的数学模型已经被广泛的用来研究河口潮汐动力问题,时至今日,模型发展已逐渐由一维、平面二维转向三维[1][2][3][4][5][6]。以水动力学模型为基础,物质输运及相关水质模型已经得到了广泛的研究[7][8][9][10],且该类数值模型已逐渐在水环境的预报及环境评价工作中发挥着重要作用。
  本文建立了河口三维水动力及物质输运模型,模型基于一般曲线坐标系,计入了地转柯氏力。利用该模型,本文针对长江口支流(刘河)排污入江开展数值模拟工作,分析污染物的输运过程及影响因素。支流(刘河)通过闸门定时排放污水,闸门建造于口门内300米处。本文针对大潮和小潮两种潮汐动力条件,模拟分析了污水排放过程。分析了300米闸室内的污染物稀释过程及长江水域受污染范围。通过统计各计算网格点的污染物浓度时间变化,给出了最高浓度值的空间分布。本文重点在于模拟分析不同潮汐动力对支流排污入长江的污染影响,为排污时段的科学选择提供一定的技术支持。
  本文章节安排,第二部分介绍了具体的三维数学模型;第三部分给出了数值模拟过程;第四部分对模拟结果作了深入分析。
   
  2 数学模型


  本文三维数学模型平面基于一般曲线坐标,垂向为 坐标[11][12][13][14]。平面流速变量以逆变张量形式给出,其与笛卡尔坐标系下的流速变量有以下转换关系:

 

  3.1计算域
  长江口为三级分叉四支入海(图1),本文计算域覆盖南支水域,上游计算边界设在徐六泾和青龙港,下游设在横沙及共青圩(XLJ, QLG, GQW 和HS 分别代表徐六泾、青龙港、共青圩和横沙)。边界条件利用逐时的实测水位值给定。图2给出了刘河局部地形,刘河在此汇入长江。刘河口内300米处建有挡潮闸门,定时开闸取放水。   
  3.2 模型验证
  水平计算网格共 ,刘河口局部计算域网格最小分辨率 ,垂向分为10层。潮位的计算验证利用六效、南门、石洞口和杨林的实测数据(图1中Liuxiao, Nanmen, Shidongkou 和 Yanglin分别代表相应的潮位站),流速验证利用A#, E#, SHXA 和 SHXY(图2)四点的实测数据。计算边界潮位采用2006年9月23-25日和2006年9月30-10月1日的实测数据,分别对应于大潮和小潮两种潮型。图3 给出了大潮和小潮时段的潮位验证结果,很好的复演了两种潮汐动力条件下的潮位过程。图4和图5 分别给出了大潮和小潮时段流速的验证结果,其中0.2 D 代表流速测量点距水面0.2倍的水深。验证结果表明,无论流速大小还是流向,模拟结果达到了一定的精度要求。
  3.3排污工程
  本文分别研究了大潮和小潮两种潮汐动力条件下,支流(刘河)排污入江及污染物输移过程。污水排放强度为 ,选择在高潮位开启闸门,连续排放4小时后关闭。在本文的工作中,重点模拟分析了不同潮汐动力条件对物质输运的作用,未计入污水的各种生化反应及可能的降解过程。计算域内初始浓度设为0,排放浓度设为1,作为标量处理。本文通过定点的浓度变化和空间污染水域范围的统计分析,分析研究潮汐动力因素对支流(刘河)排污入江的作用。
  
  模拟结果分析


  本文重点研究不同潮汐动力条件对物质输运的作用,模拟分析了支流(刘河)排污入江的污染物输运。通过观察点浓度的时间变化及计算水域内物质浓度的空间分布,比较分析了潮汐动力条件的影响因素。图6给出了刘河口局部水下地形及观测点、观测断面的布置,其中箭头方向设定为正向。图6所示水下地形显示有一深槽自刘河入长江,且转向下游,据此可知该水域的落潮流占优势。本文模拟历时48小时,在涨憩时刻闸门开启,持续排放污水4小时后关闭。  
  图7给出了大潮条件下观测断面流量及物质通量的时间变化,其中实线代表断面流量,虚线代表断面物质通量。物质通量为流量与浓度值的乘积,本文浓度值设为无量纲量,将两个物理量的时间变化示于同一张图中,可较直观的给出其不同的变化过程。闸门开启后,断面流量瞬时明显增加,而物质通量的激增则要滞后(图7)。水体扰动的传播已有部分研究成果[20],研究表明浅水扰动传播速度为浅水波的相速度,这一速度值通常大于流体质点速度,而水中物质以水质点速度输运。观测断面距闸门约300米,闸门开启引起的水体扰动较污水水质点先传播至观测断面,故该断面流量与物质通量的时间纪录存在时间差。随着闸门关闭,观测断面流量降低,同时江水涌进涌出不断稀释300米河口内的污水,结果显示断面物质通量不断降低。图7显示当闸门关闭后,水体扰动幅度逐渐降低,但仍持续较长时间。图8给出了大潮条件下观测点的水位及浓度值的时间变化,其中上图为水位变化过程,下图为浓度值的变化过程。水位变化曲线显示闸门开启及关闭时刻观测点水位有明显的扰动,且闸门关闭后,该扰动持续了较长时间而逐渐减小。观测点浓度值随时间逐渐降低,涨潮时段浓度值接近于零值,即江水涌入河口;落潮时段,该点浓度值逐渐增加,即河口内水体流入江中,且在接近落憩时段,浓度值几乎维持不变。通过上述分析可知,河口内污水的稀释要经过较长时间。就污水稀释效率而言,闸门的建造地点宜靠近江岸。图9及图10分别给出了小潮条件下观测断面及观测点相应物理量的变化过程,基本变化规律与大潮情况相似,但无论断面物质通量还是观测点的浓度值衰减均较缓慢。由此可知,对于小潮流动条件,河口内水动力较弱,污水稀释过程较长。
  图11给出了大潮和小潮条件下污水稀释历时的比较。污水稀释历时的计算以观测点浓度值变化为基础,该值描述了污水稀释的快慢程度[21]。首先将瞬时浓度相对值取自然对数,其中 为最大浓度值(图11),然后采用最小二乘法拟合该自然对数与时间的线性关系,所得曲线斜率定义为稀释历时,即稀释快慢程度的某种描述。计算结果显示对于所设观测点,大潮的稀释历时约1.2天,而小潮的稀释历时约2.7天。闸门建于河口内,其所形成的封闭河道内的水动力条件小潮期弱于大潮期,污水稀释输运效率较低。仅就污水净化而言,闸门宜建于靠近江岸处。
   本文模拟结果显示污染物垂向分布较均匀,故以下只给出了表层物质浓度分布。图12给出了大潮条件下闸门关闭时刻污染物分布,显示污水输运方向沿江而下,刘河口内浓度值较高。图13给出了相应水文条件下48小时瞬时浓度分布,长江水域浓度值已经非常低,仅在刘河口内存在高浓度值。闸门建造于河口内所形成的封闭河道,显然不利于污水的稀释及输运。图14和图15分别给出了小潮条件下的相应模拟结果,基本特征与大潮情况相似。48小时瞬时浓度分布显示小潮的稀释输运能力较弱,无论是长江水域还是刘河口内,残余污水浓度值均较高。
  水域内某点的浓度值随时间而变化,水质标准以其最大值为主要判据之一。通过统计计算域内各网格点的最大浓度值,分析污水影响范围,可得到污水影响程度的直观描述。图16和图17分别给出了大潮和小潮条件下计算域内最大浓度值的空间分布。比较显示,大潮情况下,污水影响范围较大,但具体浓度值较低,而小潮情况下,相应范围较小,但具体浓度值较高。分析结果表明,评判污水影响及不同的水质目标,就潮汐动力而言需要做不同的排污时段选择。


  结论

 

        本文建立了河口潮汐流动及物质输运的三维数值模型,模拟分析了支流排污入长江的污染过程。着重分析了大潮和小潮两种水动力条件下的污水排放影响。通过分析观测断面、观测点的浓度值变化及主流区的污水影响范围,研究了闸门局部水域污水稀释特征及支流排污对长江主流区的影响。结果表明闸门所形成的封闭河道不利于污水稀释,尤以小潮情况为甚。而对于长江主流区而言,污水影响范围及污染程度因潮汐动力条件不同而异。对于具体的水环境保护目标而言,需慎重选择排污时段。


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