用快速预测方法模拟的水污染浓度结果更接近MIKE11计算结果

本部分通过案例分析突发水污染水质模拟模型及快速预测模型在突发水污染事件中污染物浓度分布预测中的应用情况,从应用中对突发水污染模拟预测技术做进一步的介绍。

有一棱柱形梯形断面河道,长10km,底宽67.5m,边坡2.5,底坡约0.00015,河道糙率系数取为0.027,河道上游较远处有一水库恒定泄流2000m3/s。假定某一时刻在河道上游断面右岸突然泄露了1t的可溶性难降解污染物质,试估算污染发生后下游出流断面处的污染物浓度变化过程以及0.5h、1h、1.5h、2h后河道的污染物浓度分布。

忽略污染物沿深度方向混合过程,由水流流场恒定,可分别采用一维、二维水质模型解析解进行快速预测。

首先计算河道水力要素如下:

(1)按明渠均匀流公式Q=估算水深h=11.20m。

(2)过流断面面积A=1069.60m2。

(3)断面平均流速u=1.87m/s。

(4)断面水力半径R=8.34m。

(5)断面摩阻流速u*==0.11m/s。

(6)河道扩散系数估算Dx=Dy=0.15hu*=0.18m2/s。

(7)包括弥散在内的纵向扩散系数估算D=6.01hu*=7.4m2/s。

得到以上水力要素后分别采用4.1节数值模拟方法和4.2节给出的两种不同快速预测方法估算下游5km和10km处(出流断面)污染物浓度变化过程见图4.8,其中数值方法采用的离散时间步长为30s,空间步长为10m。另外,为验证个模型的计算精度,还将各模型计算结果与MIKE11 AD模块计算结果进行对比。(www.xing528.com)

从图4.8可看出,无论是采用一般条件下的数值模型进行模拟还是快速预测公式进行模拟,其模拟结果在浓度峰值和浓度峰现时间都很接近,模拟结果能较好地反映出污染物随河渠水流发生的运移规律。

图4.8　不同水质计算方法计算河道污染物浓度过程

(a)下游5km处浓度过程;(b)下游10km处浓度过程

根据图4.8(a)和图4.8(b)中与MIKE11比较结果可看出,对于本章节设定的输水工况,明显采用快速预测方法模拟的结果要比一般条件下的数值解更接近于MIKE11计算结果,而且经验公式预测的结果最佳。出现这种情况的原因,一方面,本章节采用的数值方法采用了均衡域的假定,在这种假定下,突发污染团若未充分扩散开而在空间范围内团聚时,数值方法会使模拟的污染物浓度偏大,这也是传质公式也出现了较其他模型污染历时延长的原因;另一方面,对于突发点源污染,本章节的处理技术是根据浓度瞬时、均匀融于首段河段且忽略了污染物在首段河段的消退过程,因此,数值方法模拟的峰值浓度出现了偏小的情况。

整体来说,对于水流恒定的输水工程来说,在突发水污染事故时,采用快速预测模型进行突发污染预测不仅能加快水污染的预测效率,而且采用经验公式进行预测还不受空间离散步长的影响,在应急工况下甚至能取得更好的模拟效果。

根据前面分析,选用经验公式的快速预测方法对0.5h、1h、1.5h、2h后河渠的污染物浓度分布进行模拟,结果见图4.9。

从图4.9可看出,在水流2000m3/s的流量下,污染事件发生大概1.5h后污染团到达河道出流断面,而2h时河道所剩污染物浓度已经很低了,可见如果输水工程发生水污染事故时,可采用加大流量的方法进行冲污可使污染物很容易被冲离污染区,并且在固定时间内污染物影响的范围并不是很广,动水中污染物扩散作用被弱化,更不容易污染水体。通过模拟分析结果也可看出,水污染预测模型能很好地指导突发水污染应急处置方案的制定与实施。

图4.9　快速预测模型计算河渠污染物沿程分布