浑水水质模型研究及其在三峡库区岸边水质模拟中的应用

论文题目: 浑水水质模型研究及其在三峡库区岸边水质模拟中的应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 水利工程

作者: 申满斌

导师: 陈永灿

关键词: 浑水水质模型,数学模型,三峡水库

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 以分析天然实测资料为基础,推导出具有一定含沙量的浑水中污染物的输移扩散方程,建立了反映泥沙环境作用机理和过程的三维浑水水质数学模型。对室内试验和原型观测的实例进行数值模拟,结果表明,浑水水质模型适合于模拟浑水中污染物的输移扩散。在此基础上将浑水水质模型应用于三峡库区万州江段的岸边水质模拟中,对三峡水库建库前后的岸边水质变化情况进行了分析,并讨论了泥沙对污染物输移扩散特性的影响。以三峡库区清溪场和万州两个水质断面实测资料为基础,研究了三峡库区水体中泥沙对总磷的吸附关系,并得到了泥沙对总磷的吸附等温式,用于浑水水质模型中泥沙上总磷吸附量的计算。研究结论表明:总磷在泥沙上的吸附关系符合Langmuir吸附等温式,并且随着泥沙浓度、粒径级配的不同,吸附等温式中的系数也不相同,这与室内吸附实验的结果相符。考虑泥沙对水体中污染物的吸附作用以及泥沙运动影响污染物的输移扩散特性,建立了三维浑水水质模型。通过对明渠侧向排放和涪陵江段岸边排污水流水质模拟结果的分析,验证了模型的有效性,讨论了泥沙冲淤的影响。当泥沙运动为冲刷时,吸附在泥沙上的污染物会随着泥沙向水面运动;当泥沙运动为淤积时,吸附在泥沙上的污染物会随着泥沙向床面运动,从而会影响到污染物浓度沿水深方向的分布。与传统的清水水质模型相比,浑水水质模型考虑的影响因素更全面,计算得到的污染物浓度分布更接近实际情况。如果泥沙的冲淤明显,浑水水质模型和清水水质模型的计算结果会有明显差别,应用浑水水质模型进行模拟更能反映实际水体中污染物的输移扩散特性。将浑水水质模型应用于三峡库区万州江段龙宝河排污口附近总磷浓度场的模拟,模拟结果表明:三峡水库蓄水后,过流断面加大,水体流速减缓,库区江段的岸边水质将变差,其中以枯水期岸边水质的变化幅度最大。论文对比分析了三峡建库前后泥沙冲淤对岸边水质的影响,在建库蓄水初期,泥沙运动表现为淤积,吸附在泥沙上的污染物也将在床面淤积,表层水体中污染物浓度有降低的趋势。

论文目录:

第1章 引言

1.1 工程背景及研究意义

1.2 岸边排放污染物浓度场的研究现状及发展趋势

1.2.1 现场实测

1.2.2 理论分析

1.2.3 室内模型试验

1.2.4 数值模拟

1.3 泥沙影响污染物输移扩散的研究综述

1.3.1 污染物在泥沙上的吸附关系研究

1.3.2 数值模拟泥沙对含沙水流污染物输移扩散的影响

1.4 论文的主要研究内容

第2章 岸边排放浓度场模拟浑水水质模型的建立

2.1 笛卡儿坐标系下的控制方程

2.1.1 三维浅水方程推导

2.1.2 紊流模型的选择

2.1.3 污染物输移扩散方程

2.2 Sigma 坐标系下控制方程形式

2.2.1 Sigma 坐标系下的浅水方程

2.2.2 Sigma 坐标系下的污染物输移扩散方程

2.3 Sigma 分层模型的建立

2.4 浑水水质模型中参数的确定

2.5 边界条件

2.6 本章小结

第3章 浑水水质模型的有限元离散

3.1 控制方程的时间离散

3.2 控制方程的空间离散

3.2.1 控制方程的统一形式

3.2.2 对流扩散方程的有限元离散

3.2.3 流线迎风有限元法

3.3 连续方程和动量方程的解耦方法

3.4 当地时间步长法的应用

3.5 浑水水质模型的程序实现

3.6 本章小结

第4章 三峡库区江段泥沙吸附 TP 特性研究

4.1 三峡库区泥沙与污染物清浑水浓度监测情况

4.2 三峡库区泥沙吸附 TP 室内试验研究概述

4.3 利用实测数据分析三峡库区泥沙吸附 TP 特性

4.3.1 清溪场水质断面泥沙吸附 TP 关系拟合

4.3.2 万州水质断面泥沙吸附 TP 关系拟合

4.3.3 实测数据拟合吸附等温式与室内试验拟合结果比较

4.3.4 蓄水前后泥沙吸附 TP 特性的变化

4.4 本章小结

第5章 浑水水质模型的验证

5.1 明槽均匀流的数值模拟

5.2 长直明槽侧向排放的模拟

5.3 三峡库区涪陵磷肥厂污水排放的模拟

5.3.1 涪陵磷肥厂排污口附近的污染带观测

5.3.2 浑水水质模型参数的确定与网格划分

5.3.3 排污口附近流场计算的验证

5.3.4 TP 浓度场计算的验证

5.3.5 浑水模型与清水模型计算结果对比

5.4 本章小结

第6章 排污口附近泥沙浓度分布对岸边水质的影响分析

6.1 平面二维非平衡输沙方程的引入

6.2 排污口附近泥沙浓度分布对 TP 浓度场的影响

6.3 模拟排污口附近局部江段泥沙浓度分布的必要性讨论

6.4 本章小结

第7章 浑水水质模型应用于三峡库区岸边水质模拟

7.1 计算条件与模型参数的确定

7.2 龙宝河排污口附近 TP 浓度场的模拟

7.2.1 三峡建库前丰水期

7.2.2 三峡建库前平水期

7.2.3 三峡建库前枯水期

7.2.4 三峡建库后丰水期

7.2.5 三峡建库后平水期

7.2.6 三峡建库后枯水期

7.3 龙宝河排污口附近岸边水质的变化分析

7.4 本章小结

第8章 结论

8.1 论文的主要工作及结论

8.2 今后进一步的工作

参考文献

致谢与声明

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

发布时间: 2006-06-29

参考文献

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