基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析.pdf
《基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 59 卷 第 6 期2023 年 6 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59,No.6Jun.,2023DOI:10.19645/j.issn2095-0144.2023.06.005收稿日期:2023-04-09基金项目:智慧长江与水电科学湖北省重点实验室开放研究基金(ZH21020001)作者简介:董玉茹(1999-),女,山东鄄城人,硕士研究生,研究方向:水文水资源,E-mail:。通信作者:陈燕飞(1982-),女,江西万载人,副教授,博士,研究方向:水文水资源,E-mail:fly
2、ney163com。基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析董玉茹1,陈燕飞1,陈威2,孙咏曦1(1.长江大学 资源与环境学院,湖北 武汉 430100;2.湖北省荆州市水文水资源勘测局,湖北 荆州 434000)摘要:为定量分析排污口所排污水对受纳水体水环境的影响,以石首市城南污水处理厂为例,采用MIKE 21软件建立了二维水动力及对流扩散模型。对模型参数进行率定后,在正常工况与非正常工况下分析了化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)及总磷(TP)在受纳水体中的扩散情况。结果表明:正常工况下,污染物对水质的影响范围较小,最短污染带范围长50 m、宽45 m;非正常排放
3、下,污染物对水功能区产生了较大的影响,最长污染带范围长1 200 m、宽45 m。MIKE 21模型对污染物迁移与扩散的模拟效果较好、精度较高,模拟结果反映了污染物在民建渠中的扩散过程,可以为入河排污口的设置论证工作提供技术支持。关键词:入河排污口;MIKE 21模型;水质影响;对流扩散中图分类号:X522文献标志码:A文章编号:2095-0144(2023)06-0019-05为定量分析排污口所排污水对受纳水体水环境的影响,国内外许多研究者设计了不同的数学模型。常用的模型软件有荷兰的Delft 3D1-2、美国的CCHE2D3-4、英国的InofWorks5以及丹麦的MIKE6-7。其中,M
4、IKE软件不仅能够准确地模拟水动力条件,而且在入河排污及污染物扩散方面的应用也较为广泛。张守平等8采用MIKE 21软件的污染物对流扩散模块,定量化地评估了入河排污口所排污水对受纳水域水环境的影响;张雨航等9采用MIKE 21软件预测了密云水库的总氮变化趋势,并对其影响提出了最优处理方案;张叶等10基于MIKE 21软件定量分析了改善北京市潮白河顺义段水质的4种方案;刘晨辉等11采用MIKE 21软件建立了荆州中环污水处理厂排污口的二维水动力及水质模型,模拟了污染物在长江河段的迁移与扩散。MIKE 11水动力模型仅能反映出污染物在一个方向上的扩散变化,而MIKE 21模型能够较好地耦合水动力模
5、型与对流扩散模型,可以对数据进行前处理,计算结果准确度和可视化程度高。以石首市城南污水处理厂的排污扩散为例,使用MIKE 21二维水动力模型及对流扩散模型,分析了正常与非正常两种工况下,入河排污口排放污水对受纳水体的影响范围和程度,可以为入河排污口的设置论证工作提供技术支持。1研究区概况石首市城南污水处理厂的排污口位于民建渠左岸,污水来源主要为石首市城南片区的生活污水。随着人口以及需水量的增长,生活污水总量也在不断增长,经常出现污水外溢问题12。根据排污口所在地的水域状况,分别考虑不同工况下,生活污水对民建渠的影响。结合渠道地形资料,确定研究区范围为民建渠城南污水处理厂排污口上游约50 m处至
6、枣石高速陈家院附近,全长约为4 km,属于民建渠开发利用区,如图1所示。2研究方法2.1水动力方程采用N-S方程13来描述民建渠二维水流基本运动,其由连续性方程、横向(x 方向)的动量方程和纵向(y 方向)的动量方程组成。具体如下:19ht+hu x+hv y=hS(1)hu t+hu 2x+hy=fv h-ghx-h0pax-gh220 x+sx0-bx0-1Sxxx+Sxyx+x()hTxx+x()hTxy+husShv t+hv 2x+hy=-fu h-ghy-h0pay-gh220y+sy0-by0-1Syxy+Syyx+x()hTyx+x()hTyy+hvsS式中:h为静止水深(m)
7、;t为时间(s);u、v分别为流速在x、y方向上的分量(m/s);u、v 为沿水深平均的流速(m/s);S为源汇项;f为科里奥利(Coriolis)力参数,f=2sin(其中,=0.72910-4s-1,为地球自转角速率;为地理纬度);g为重力加速度(m/s2);为水位(m);0为参考水密度(kg/m3);pa为当地大气压(Pa);为水的密度(kg/m3);sx、sy、bx、by均为有效剪切力分量(kg/mm2);Sxx、Sxy、Syx、Syy均为辐射应力分量(m2/s2);Txx、Txy、Tyx、Tyy均为水平黏滞应力项(N);us、vs为源汇项水流流速(m/s)。2.2污染物运移方程根据质
8、量守恒定律,考虑民建渠污染物运移14过程中的对流、扩散和降解等因素,得出污染物的运移方程为:()hct+()uhcx+()vhcy=xhDxcx+yhDycy-Fhc+S(4)式中:c为污染物浓度(mg/L);Dx、Dy分别为x方向和y 方向上的扩散系数;F为污染物衰减系数;S=Qs(cs-c),其中,Qs为排污口流量(m3/s),cs-c为污染物相对浓度(mg/L);其他变量含义同水动力方程。2.3CFL值采用显示法计算水动力与污染物运移方程的时间积分,理论上模拟计算步长需要使 Courant-Friedrich-Levy(CFL)值在1以内才能维持模型的稳定。但是,由于CFL值具有推测性,
9、有时即使小于1,模型也会处于不稳定状态。经过多次实验验证,当CFL临界值取0.8时,模型的稳定性较好。CFL值的计算公式为:CFLHD=()gh+|utx+()gh+|vty(5)式中:g 为重力加速度(m/s2);h 为总水深(m);u和 v 为流速在 x 方向和 y 方向上的分量(m/s);t是时间间距(s);x 和y 为 x 方向和 y 方向上的特征长度(m)。3模型建立研究采用MIKE 21软件构建民建渠水动力及对流扩散模型。首先,收集民建渠建模所需数据,包括河道流速、流量、水下地形、降水蒸发以及水质等;其次,将研究区划分为多个计算网格,并设置边界条件;再次,采用实测数据率定验证模型;
10、最后,耦合对流扩散模型,模拟民建渠在不同工况下的污染物运移情况。3.1网格划分首先,对排污口所在纳污水体民建渠的9个过水断面进行流速、流量及水质测量。9个断面分别位于排污口下游0m、50m、100m、150m、200m、500m、1 000 m、2 000 m和4 000 m处。然后,在以排污口为起始点至下游4 000 m处,每隔20 m进行水下地形高程的勘测。分析实测断面资料后,为了使模拟出来的河道更加精确,将研究范围内的渠道地形数据每隔5 m插值后输入模型。在渠道的计算范围内使用MIKE 21网格生成器(Mesh Generation)划分模拟网格,研究采用三角形网格。权衡网格的空间分辨率
11、来确定最优网格数量,最终确定网格长度为1030 m,网格数量为1 170个。具体如图2所示。水体研究区官田湖红星渠黄莲湖五股岔闸民建渠N图例研究区图1研究区位置uv(2)uv(3)2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷200500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 00026.7026.6526.6026.5526.5026.4526.4026.3526.30水位/m实测水位值模拟水位值与排污口距离/m05001 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000与排污口距离/m实测流量值模拟流量值4.54.03.53.0
12、2.52.01.51.00.50.0流量/(m3/s)(b)(a)3.2边界条件模型的边界一般分为开边界和闭边界两种,开边界为水域边界,闭边界为水陆边界。该模型的开边界包括上边界入流口和下边界出流口,闭边界为民建渠岸线。上边界采用90%保证率的最枯月平均流量,下边界采用小湖口断面水位数据。3.3模型参数3.3.1 降水蒸发由于民建渠无水文站,故以邻近的监利市气象资料为基础,采用水文比拟法进行频率分析。根据1961-2019年监利市降水资料,按照典型年的选取原则,选定1963年为典型年,设计保证率为90%,年降水量为961.15 mm。采用1963年最枯月(2月)的降水蒸发资料作为降水蒸发模块的
13、模拟条件。3.3.2 河床糙率考虑到民建渠为较为规整的人工渠道,故在模型模拟范围内,糙率取统一值。利用实测水位流量数据,经过多次糙率率定后,得到曼宁系数为31.25(m1/3)/s。按照此糙率值模拟计算,水位误差在0.010.02 m,流量误差在0.020.04 m3/s。3.3.3 污染物衰减系数根据民建渠的地形资料和水质实测资料,经过MIKE 21模型率定,得到COD、NH3-N、TN和TP的衰减系数分别为0.12/d、0.11/d、0.17/d和0.17/d。模拟出的污染物浓度结果与断面水质实测值的R2分别为0.95、0.83、0.88和0.96。3.4模型率定采用2022年5月民建渠9
14、个监测断面的实测水位流量数据,建立民建渠水动力模型,并进行多次调参率定,将率定最优的水位流量与实测水位流量进行对比,如图3所示。结果表明,水位模拟值与水位真实值的平均误差为4.3%,流量模拟值与流量真实值的平均误差为8.8%。模拟结果均可反映民建渠的实际情况,模型可用于模拟民建渠的水质情况。3.5工况选取以COD、NH3-N、TN和TP为评价指标,排放流量为30 000 m3/d,在正常和非正常两种工况下分析污水排放。其中,正常工况为城南污水处理厂正常运行,污水经处理后达到GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准 的一级A排放标准;非正常工况为污水处理厂停止运行,污水不经处理,
15、污水中的污染物以原浓度排放到民建渠中。各工况下的背景浓度与排放浓度如表1所列。4结果与分析将MIKE 21水动力模型及对流扩散模型耦合,图2模型计算网格图31.631.231.630.831.230.430.830.030.429.630.029.229.628.829.228.428.828.028.427.628.027.227.626.827.226.426.826.026.426.0未定义值测深/m图3水位、流量真实值与模拟值对比第6期董玉茹,等:基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析第59卷2136.536.036.535.536.035.035.534.535.034.0
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析 基于 MIKE 21 模型 污水 排放 水环境 影响 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。