气动式清淤方案施工扰动模型研究.pdf
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1、人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45,Sup.1Jun.,2023气动式清淤方案施工扰动模型研究张榴梅,陈新,向文俊,王兆强(四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065)收稿日期:2022-07-21基金项目:国家科技支撑计划项目(2014BAB03B04)作者简介:张榴梅(1999),女,四川成都人,硕士研究生,研究方向为水工结构工程通信作者:陈新(1963),男,四川富顺人,教授,博士,研究方向为结构与材料、安全监测与分析E-mail:摘要:气动式清淤方案作为一种环保的清淤方式,工程应用范围广。目前对其工程适应性和优越性的认识大多处于宏观层面,系统的研
2、究较为缺乏。通过在古城水库开展气动式清淤试验,并基于MIKE3软件建立清淤作业施工扰动的污染物源强度与输移扩散数值模型,对清淤方案进行定量评价,为气动式清淤方案设计提供参考。模拟结果表明:污染物源强度与单次清淤厚度、刀片速度、底泥中污染物质量比重等参数具有定量关系;在气动式清淤作业结束之后的8 h内水体经自我恢复后能达到类水质标准,16 h内能基本恢复至类水质标准。由此可看出气动式清淤方案对水库水质影响较小,满足环保要求。关键词:气动式清淤;施工扰动模型;污染物源强度;MIKE3中图分类号:TV732.2文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.0
3、34气动式清淤方案作业效率高,污染小,工程应用较广,且环保清淤效果较好1。目前针对气动式清淤方案已开展了部分研究,崔鹏飞2在枕头坝开展了气动式清淤试验研究,分析了供气量、供水压力、水深对清淤流量的影响;吴修广等3采取平面二维潮流与悬浮污染物输移模型模拟了苍南航道及电厂港池疏浚工程施工时的悬沙扩散。气动式深水清淤系统虽然污染较小,但仍不可避免地在清淤设备与底泥接触面附近对底泥产生扰动,进而导致底泥中的污染物进入水体,目前对其的研究大多处于宏观层面。因此,本文结合气动式清淤系统作业现场试验数据,建立古城水库清淤作业施工扰动污染物源强度与输移扩散的数值模型,对方案“作业环保”指标进行定量评价。1工程
4、概况古城水库具有旅游、灌溉、输水等综合效益,坝型为混凝土双曲拱坝,最大坝高70 m,排砂泄水孔坝前泥沙淤积高程已达575.00 m,低于正常蓄水位46.7 m,高于排砂泄水孔顶1 m,至库底淤积厚度10 m,主要淤积物为泥沙,推测含有一定量的块石、树枝等杂物。排砂泄水孔功能丧失,无法启闭。水库大坝安全综合评价为三类坝,计划对其进行除险加固。根据项目要求,在不放空水库的情况下对坝前淤积进行清理,同时为后续修补加固施工提供基础条件。考虑到古城水库作为附近城镇居民生活用水的主要水源,需要保证清淤方案满足作业污染较小、不影响水库水质。综合考虑上述两个限制性条件,拟定采用气动式清淤方案。2气动式清淤作业
5、近场污染物源强度模型2.1污染物指标通常水库底泥中的污染物质主要以亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物、有机物等还原性物质为主。因此,可以利用底泥中污染物质以还原性为主的这一特性,将化学需氧量(COD)作为污染物指标,对水库水质进行评价4。化学需氧量COD数值越大,表明水体受污染的程度越严重。2.2源强度及相关作业参数源强度是指因深水气动式清淤作业造成原来沉积在水库底泥中的污染物再悬浮并扩散进入远场的速率,即单位时间内向远场输移的污染物质量。源强度Sr(mg/s)预测的有关参数拟定为近场污染物背景浓度Cs(mg/L)、单次清淤厚度tc(m)、刀盘的摆动速度Vs(m/min)、刀片切向速度Vc(r/min)
6、、通过吸力泵管道的流速Vi(m/s)、输出泥浆浓度Cr(g/L)、清淤作业深度H(m)、底泥中污染物的质量比重K5-6。2.3近场污染源强度模型构建2.3.1清淤试验古城水库坝前清淤开始前需要进行清淤试验,以获得各作业参数及对应的污染物源强度数据。试验设置5组绞刀转速(500、550、600、650、700 r/min)、5组刀盘摆动速度(1、1.5、2、3、3.5 m/min)、5组清淤厚度(0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 m)、5组吸力泵管道流速(2.0、2.2、2.4、2.6、2.8 m/s)、5组清淤作业深度(40.3、41.7、42.2、44.8、47.6、49.5
7、 m)组合进行现场试验,并对5个子区域的近场污染物背景浓度、底泥中COD的质量比重K进行测量,得到33组清淤作业的现场试验数据。对试验监测数据进行初步筛选,剔除偏差较大的8组数据,选用剩下的25组数据进行计算。2.3.2遗传算法优化BP神经网络预测源强度按照BP神经网络结构层7的布置要求,以清淤作业引起的污染物COD源强度Sr作为目标向量;以单次清淤厚度tc、刀盘的摆动速度Vs、刀片切向速度Vc、通过吸力泵管道的流速Vi、近场污染物背景浓度Cs、底泥中COD浓度的质量比重K作为输入向量。选取剩余数据的前20组作为遗传神经网络的训练样本,后5组用于验证遗传神经网络预测的有效性。通过Matlab程
8、序计算得出公式(1),由此看出古城水库气动式清淤系统作业参数与污染物源强度具有定量关系,实测值与BP神经网络预测值的对比结果见表1。Sr=CstcKVs1.085Vc1.0735.46Vi2.158(1)通过对比发现,经过遗传算法优化处理过的BP神经网络,所得平均相对误差结果为7.23%,与实测结果吻合度较高。3古城水库清淤作业施工扰动污染物扩散数值模拟3.1污染物对流扩散原理污染物因清淤作业对底泥的扰动而进入到水库水体以后,随着水体流动而扩散输移,同时在扩散的过程中受水力、气候、水文、人为、生物、物理、化学等影响因素的相互作用,产生生物、化学以及稀释、扩散等一系列变化,因而污染物的扩散范围也
9、随时间而发生变化。水质模型的应用在于通过定量分析上述影响因素之间的关系,确定污染物在时间和空间上的分布,使其能够为水环境预测与评价提供参考依据。表1GA-BP源强度预测输出值和实际值对比实测值/(mg s-1)129.51139.5352.0974.99114.08预测输出值/(mg s-1)119.71147.6056.7067.80119.10预测误差/(mg s-1)9.80-8.07-4.617.19-5.02相对误差/%7.575.788.849.594.40平均相对误差/%7.23 66人 民 黄 河2023年S13.2古城水库清淤作业施工扰动模型参数3.2.1边界条件为研究古城水
10、库清淤作业施工扰动污染物输移扩散的影响,考虑到清淤作业区域位于坝前30 m范围内,因此选取大坝上游1 km处作为模型上游进口边界,下游拱坝处作为出口边界(见图1),利用数值模拟软件MIKE3建立污染物扩散数值模型。3.2.2水质模型评价指标及参数设定水库底泥中的污染物质通常以各种还原性物质为主,因此将化学需氧量(COD)作为污染物指标,对水库水质进行评价。水质模型基本参数:水平扩散系数、背景垂向扩散系数、降解系数、污染物源强度、污染物排放持续时间分别为0.13 m2/s、110-6m2/s、0.0127 d-1、146.4 mg/s、8 h。3.3水质模型验证古城水库实测水文资料较少,采用20
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