利用流管一有限体积法的河流水质二维数值模拟

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1、2004年8月重庆大学学报Aug．2004第27卷第8期JournalofChongqingUniversityVo1．27No．8文章编号：1000—582X(2004)08—0105—04利用流管一有限体积法的河流水质二维数值模拟赵万星，陈景秋(重庆大学工程力学系，重庆400030)摘要：河流的流动形态复杂，影响水质的因素较多。对河流污染物迁移扩散机理进行分析，提出将流管划分与有限体积法相结合的方法，利用流管求取河流流场，有限体积法求取污染物的扩散。将其应用到重庆城区段的二维水质模拟，全部计算和可视化都通过FORTRAN实现，取得较好效果。该方法简单、准确、高效，

2、具有较好的工程意义。关键词：河流污染；二维水质模拟；有限体积；流管中图分类号：0352文献标识码：A由于人类活动对自然界的影响越来越大，水环境上近似均匀混合后，这时沿纵向的随流分散占主导地的污染问题也越来越突出，其造成的危害和影响越来位，可作为一维纵向分散问题看待。越受到人们的关注。水体污染物的数值模拟是现代环对于像长江、嘉陵江重庆城区段这样的河段，根据境水力学的一个重要分支，是环境水质预测和控制的污染物的排放条件，目前大多作二维的考虑【3】。提出基础。通过对河流的污染物排放状况的研究，可以为了一种新的思路，将流体力学中流管的概念与控制体河道取水、河流水资源保护和可持

3、续开发提供科学结合，应用到水质数值模拟。流管是按照连续介质理依据。论和稳定流的流量守恒的原理建立，此时，流管的测流影响河流水质的因素很多。从污染物种类分，有可以忽略；在流管划分足够密的情况下，可以概化为一生活废水、工业废水和农业化肥等。从排放方式又可个矩形的有限控制体。通过求解流场的区域参数，得分为点源和面源。污水排放到水体中，是一种物理、化到浓度在单元区域分布的平均指标。该方法既有工程学和生物的复杂综合过程，各过程都有其本身的特点近似，又有数值技术，被应用到重庆嘉陵江地段，这里和规律。建立正确的数学模型是定量描述污染物在水以示踪剂在水体中的分散为对象，比较试验a)，

4、可以推中迁移扩散的前提工作。天然河流大多属于宽浅型，断出它的合理性。多满足浅水长波的假定条件⋯。根据污水与河水相互作用的表现形式可以人为划分为三个阶段J：1)污1河流流场的计算水在离开排放口以后，以射流(维持运动的主要动力水流平面图法是求解流场的一种简单可靠的实是初始动能)或浮射流(动力是污水和受纳河水的密用方法，绘制水流平面图常采用累积流量坐标法。度差及初始动能)的方式和周围水体掺混及扩散，这1)将河流分段。根据河流的流动形态划分次级个阶段又称初始稀释阶段。2)从污水在排放口附近的初始稀释到污水扩散到全河宽的过程，污水仅占据河段，在流形和断面发生变化的地方设置分断点

5、，这是河宽的部分空间，形成所谓的污染带。认为污水很快保证流管划分局部统一的前提。在垂向充分混合，浓度分布均匀。接着主要是河宽横2)绘制横断面图，得出横向和垂向地形图。向紊动扩散。如果污水是动力惰性物质，与周围水体3)根据水力学公式(如，Manning公式或Chezy公密度相同，紊动扩散主要在河流纵向和横向展开，则此式)，计算断面流速；并绘制垂线平均流速沿水面宽度阶段的扩散可视为二维扩散问题。3)污水在横断面的分布图，如图1。·收稿日期：2004—03—04作者简介：赵万星(1971一)，男，重庆万州人，重庆大学博士研究生，主要从事计算流体力学研究。①重庆市环境科学研究

6、所，重庆建筑工程学院．长江、嘉陵江重庆段水污染控制规划研究报告，1992．106重庆大学学报2004年一流管截面积(m)；h一平均水深(m)。注意：1)河道变化剧烈的地方，可划分密一些，变化缓一些的地方可已疏一些。2)流管划分的方法有等流量和不等流量，为精确描述近岸区域的变化情况，采用不等流量方法，近岸地带，流量取较小值。不等流图1断面的速度分布图量的划分方法很多，这里采用下式：n／24)计算两根垂线间的形成的流管流量。qi=Q×i1(2∑)，i=1，2，⋯n／25)计算累积流量∑作累积流量图，如图2，将每=1n／2根流管的流量累积相加便得到全断面的累积流量∑。q‘=

7、Q×(n—i+1)／(2∑．『)，i=．j}，k+1，⋯n

8、I1／这里，n为断面流管数，k=n／2。3)在足够密的情况下，可将每一个流管概化为矩形。／／磁～4)特殊形态河段的水流平面图绘制：如果在排污口下．游，河道横断面骤宽，这时要定出回流边界，将多余的／回流流量划出来。2污染物浓度场的求解图2断面累积流量沿河宽的变化图6)将A—B线段按要求进行分割，分割的数目即2．1二维水质数学模型的建立及求解水质的确定性模型是建立在连续性方程、水动力为河流划分的流管数。流管数的多少取决于对浓度场要求和分析结果。学方程、质量守恒原理及生化反应的基础上。实际河7)按