基于有限元分析的生态清淤对水库水质影响数值模拟

2023-09-28 03:45向亚卿李建程
河南水利与南水北调 2023年8期
关键词:绞刀需氧量清淤

向亚卿,李建程

(1.湖北水利水电职业技术学院,湖北 武汉 430070;2.武汉船舶设计研究院,湖北 武汉 430070)

1 工程概况

以某市的调蓄水库为研究对象,该水库的水质不断下降,从Ⅲ类下降至Ⅳ类,在气温较高情况下,还会下降至Ⅴ类,出现蓝藻泛滥情况,导致其无法为城市正常供水。在该水库内,应用生态清淤,对其水质进行改善,拟定生态清淤面积13.24 km2左右。以该水库生态清淤作业为例,利用有限元分析法,建立水库水动力-水质模型,对该水库应用生态清淤后水质的变化情况,进行数值模拟。

1.1 生态清淤对水库水质影响的有限元并行数值模拟

步骤1:数据准备阶段。在有限元软件内离散化水库概念模型,将其分割成很多非常小的单元格,单元格数量为有限的。分割完单元格后,记录每个单元格的信息。步骤2:单元格分析阶段。根据记录的单元格信息,建立二维水动力和污染物转移模型。步骤3:数值模拟阶段。利用区域分解法,求解二维水动力和污染物转移模型,得到氮、磷与化学需氧量的浓度。步骤4:后处理阶段。对数值模拟获取的氮、磷与化学需氧量浓度,进行整理分析。

1.2 二维水动力和污染物转移模型

通过二维对流-扩散-反应方程,数值模拟氮、磷、化学需氧量营养在水库内部的转移降解过程,表达公式:

氮、磷、化学需氧量的交换通量F的表达公式:

考虑F后,式(1)变更成:

式(3)就是二维水动力和污染物转移模型。

1.3 二维水动力和污染物转移模型求解

利用区域分解法,求解2.2小节建立的二维水动力和污染物转移模型,得到水库内氮、磷、化学需氧量的浓度数值模拟结果。先分解生态清淤区域Ω,再为分解后的每个子域制定虚拟边界条件,然后以交换子域的方式,迭代求解二维水动力和污染物转移模型,得到氮、磷、化学需氧量的浓度。

1.4 边界条件

针对生态清淤过程中,氮、磷、化学需氧量污染物的扩散转移,共包含三种类型的边界,第一种类型是水流入口位置,设置边界浓度过程或污染负荷过程;第二种类型是水流出口位置,设置自由输出的Neumann边界条件;第三种类型是面域上,设置污染负荷,添加源项计算。

2 生态清淤的数值模拟分析

水库外源固定时,在库内应用生态清淤后,库水氮(TN)、磷(TP)、化学需氧量(COD)的年均变化情况见表1。

表1 生态清淤前后库水TN、TP、COD的年均浓度变化表

经过数值模拟分析可知,现状不同工况下TN、TP、COD的浓度,均高于未来不同工况TN、TP、COD 的浓度;且现状或未来,全库清淤方式下TN、TP、COD浓度的下降幅度均较大,库周清淤方式下TN、TP、COD浓度的下降幅度均较小,说明以全库清淤方式对水库进行生态清淤,可显著降低水库内TN、TP、COD的浓度,改善水库水质,提升水库的供水安全。

生态清淤点周围TN、TP、COD浓度变化情况见图1。

据图1(a)可知,随着距清淤点距离的增长,TP的浓度不断下降,随着清淤时间的延长,在不同距清淤点处,TP 的浓度均先上升后下降,在生态清淤4 个月时,不同距清淤点距离处的TP浓度均达到最大值,当距清淤点10 m处,最高TP浓度0.149 mg·L-1左右,当距清淤点30 m 处,最高TP 浓度0.106 mg·L-1左右,当距清淤点60 m处,最高TP浓度0.08 mg·L-1左右,说明距清淤点距离越近,生态清淤过程中环保绞刀头对底泥的扰动越严重,会释放出大量细小颗粒物,导致TP 浓度升高,随着生态清淤时间的不断延长,TP浓度开始下降,此时生态清淤起到改善水质的作用,且生态清淤时间达到6 个月时,不同距清淤点处的TP浓度均已低于生态清淤前。

根据图1(b)可知,随着距清淤点距离的增长,TN的浓度也不断下降,随着清淤时间的延长,在不同距清淤点处,TN 浓度的变化趋势与TP浓度的变化趋势基本相同,当距清淤点10 m处,最高TN 浓度0.226 mg·L-1左右,当距清淤点30 m 处,最高TN浓度0.192 mg·L-1左右,当距清淤点60 m处,最高TN浓度在0.158 mg·L-1左右,该水库水体内在不同距清淤点处,不同生态清淤时间时,TN的浓度均高于TP的浓度。

根据图1(c)可知,随着距清淤点距离的增长,COD的浓度也不断下降,随着清淤时间的延长,在不同距清淤点处,COD浓度的变化趋势与TP、TN 浓度的变化趋势也基本相同,当距清淤点10 m 处,最高COD 浓度0.226 mg·L-1左右,当距清淤点30 m处,最高COD浓度0.192 mg·L-1左右,当距清淤点60 m处,最高COD浓度0.158 mg·L-1左右,该水库水体内在不同距清淤点处,不同生态清淤时间时,COD的浓度均显著高于TP、TN的浓度。

综合分析可知,与清淤点距离越近,受生态清淤环保绞刀头扰动的影响越大,水库水体内TP、TN、COD的浓度均越高,在生态清淤前期,受生态清淤环保绞刀头扰动的影响,导致水库水体内TP、TN、COD的浓度不断提升;在生态清淤后期,水库水体不再受生态清淤环保绞刀头扰动的影响,令水库水体内TP、TN、COD的浓度开始下降,达到水库水质改善的作用。

3 结语

应用库周清淤和全库清淤的生态清淤方式,均可降低水库水体内氮、磷、化学需氧量污染物的浓度,其中全库清淤,对水库水质的改善效果较为显著;与清淤点距离越近,受环保绞刀头扰动越大,生态清淤时间越长,对水库水质的改善效果越明显。

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