河流與淺水湖泊水流數(shù)值模擬及污染物輸運(yùn)規(guī)律研究.pdf

1、隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速，在我國當(dāng)前面臨的各類水問題中，河流與湖泊水污染問題十分突出，已成為制約我國社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。利用數(shù)值模擬方法分析預(yù)測水流水質(zhì)變化是水環(huán)境污染治理規(guī)劃中的主要方法之一，其結(jié)果可為相關(guān)決策者進(jìn)行水環(huán)境管理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。雖然國內(nèi)外學(xué)者在河流與湖泊水流水質(zhì)模擬領(lǐng)域開展了大量的理論研究工作，一些理論與方法有了重要進(jìn)展，但仍有許多需要深入研究的問題，以解決計(jì)算區(qū)域地形不規(guī)則、氣象條件多變、污染物指標(biāo)眾多、不

2、同污染物之間關(guān)系復(fù)雜、水流-水質(zhì)動力耦合密切、水流形態(tài)多樣、計(jì)算效率過低、計(jì)算失穩(wěn)等一系列難題。因此，亟待探索和研究河流與湖泊的水動力學(xué)驅(qū)動機(jī)理，并建立可靠、高效和穩(wěn)定的水動力水質(zhì)耦合模型。
　　本文圍繞河流與湖泊中水流水質(zhì)數(shù)值耦合模擬面臨的若干關(guān)鍵科學(xué)問題，基于迎風(fēng)格式的有限體積方法，建立了適用于河流與淺水湖泊的高性能水流水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，并以大東湖水系為研究對象，通過推求引水連通湖泊在自然循環(huán)與人工循環(huán)條件下各種污染物濃度對不

3、同流場的響應(yīng)關(guān)系曲線，深入分析了連通湖泊群水循環(huán)對水污染遷移轉(zhuǎn)化過程的影響。相關(guān)成果可在湖泊水網(wǎng)連通工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用，具有良好的工程應(yīng)用前景。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新包括：
　?。?）綜合考慮了不規(guī)則地形、氣象條件、水流形態(tài)、計(jì)算精度和計(jì)算效率等因素，建立了復(fù)雜計(jì)算條件下河流與湖泊二維水流數(shù)值模擬模型。為提高模型在復(fù)雜流體運(yùn)動中的適應(yīng)能力，引入局部Froude數(shù)，提出了一種水深-水位加權(quán)變量重構(gòu)技術(shù)，可準(zhǔn)確模擬二維水流中的緩流、

4、急流、混合流、間斷流等復(fù)雜流態(tài)。同時，深入分析了通量計(jì)算可能導(dǎo)致的負(fù)水深問題，創(chuàng)新性的提出了一種水量通量校正方法，有效解決了數(shù)值計(jì)算過程中產(chǎn)生負(fù)水深的難題，保證了計(jì)算過程水量守恒性，提高了水流數(shù)值模擬的有效性和穩(wěn)定性，為進(jìn)一步揭示水體污染物的遷移規(guī)律提供準(zhǔn)確的流場支持。
　　（2）針對傳統(tǒng)的一、二維水流數(shù)值聯(lián)解過程中面臨計(jì)算時空不同步的難題，提出了基于黎曼近似解的一二維水流方程的耦合聯(lián)解模式，建立了一維河道水流與二維平面水流數(shù)學(xué)耦

5、合模型。采用近似黎曼算子計(jì)算一、二維以及耦合區(qū)域的水流數(shù)值通量，不僅具有時間同步性，并且解決了兩種模型獨(dú)立求解可能遇到的空間分辨率和計(jì)算精度差異問題，實(shí)現(xiàn)了河湖連通條件下的水流數(shù)值模擬。
　?。?）針對流體運(yùn)動中污染物輸運(yùn)方程求解出現(xiàn)數(shù)值阻尼過大和數(shù)值振蕩等問題，建立了基于分布式水動力學(xué)的連通湖泊污染物遷移模型。模型采用能有效捕捉流態(tài)與污染物濃度間斷的HLLC型近似黎曼算子耦合求解水流和污染物對流通量，有效減少了模型計(jì)算過程中的數(shù)

6、值阻尼現(xiàn)象，為準(zhǔn)確揭示不同水動力條件下污染物遷移規(guī)律提供了可靠的理論依據(jù)。
　?。?）針對大尺度計(jì)算區(qū)域的水流水質(zhì)數(shù)值模擬面臨計(jì)算效率過低以及網(wǎng)格分辨率要求不同的難題，發(fā)展了一種網(wǎng)格自適應(yīng)動態(tài)加密方法，該方法能根據(jù)計(jì)算區(qū)域的水位梯度特征和污染物梯度特征動態(tài)加密或稀疏網(wǎng)格數(shù)量，提高數(shù)值模擬空間精度的同時減少計(jì)算單元數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了模型計(jì)算精度與計(jì)算效率的均衡。
　　（5）采用java編程語言，提出了一種基于CPU多線程并行計(jì)算的水

7、流水質(zhì)模型求解模式。采用區(qū)域分解技術(shù)對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分解，并引入虛擬單元對不同分解區(qū)域進(jìn)行無縫銜接，保證了模型在計(jì)算過程中CPU資源的合理分配，進(jìn)而通過多線程并行計(jì)算技術(shù)加速模型求解，極大幅度的提高了水流水質(zhì)模型的計(jì)算效率，有效解決了實(shí)際工程中水流水質(zhì)模擬面臨計(jì)算用時過長的難題。
　?。?）運(yùn)用已建立的水流水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，以大東湖水系為研究對象，開展水流水質(zhì)模擬在水環(huán)境規(guī)劃中的應(yīng)用研究。首先采用實(shí)測數(shù)據(jù)對水流水質(zhì)模型進(jìn)行參數(shù)率定，

8、然后研究了連通湖泊水動力學(xué)特性并對比分析大東湖在自然條件以及引水條件下流場分布特點(diǎn)，闡述了自然循環(huán)條件下水流變量與水質(zhì)變量之間的定量關(guān)系，探求了污染物受水流運(yùn)動影響的主要因子，揭示了污染物隨水流變化的遷移規(guī)律，最后以人工循環(huán)條件下引水路線、引水流量、引水時間等變量參數(shù)優(yōu)化為突破口，推求了引水連通湖泊在不同引水方案下各種污染物濃度對流場的響應(yīng)關(guān)系曲線，闡明了水流運(yùn)動、水體污染物遷移以及水質(zhì)改善三者之間的定量關(guān)系，可為水環(huán)境工程規(guī)劃和水污染