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福州内河河网精细水流水质数学模型研究

福州内河河网精细水流水质数学模型研究

作者:陈虹朱明栓雷少青

来源:《海峡科学》2010年第10期

[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)

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