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基于EFDC模型的龙景湖死水区水动力数值模拟研究

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.3 课题研究目的与意义、内容及技术路线

2 基于EFDC的龙景湖死水区模型构建

2.1 EFDC模型介绍

2.2 EFDC模型控制条件及水动力模块使用流程

2.3 龙景湖死水区域选定及网格划分

2.4 本章小结

3 基于EFDC的龙景湖死水区水动力模拟及优化布点

3.1 水动力模拟初始条件及参数设定

3.2 水动力模型验证

3.3 潜水推流器布点

3.4 本章小结

4 龙景湖死水区水动力及水质影响分析

4.1 龙景湖死水区流场模拟结果分析

4.2 龙景湖死水区实测流场结果分析

4.3 水动力条件对龙景湖死水区水质影响分析

4.4 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间获得的科研成果

B. 符号说明

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摘要

湖库水体恶化是现今社会面临的严峻问题，湖库中湖湾水体流动速度慢，流动性差，水质恶化更加严重。水动力数学模型是环境工程领域对水体进行水动力研究的重要方法，并且在湖库研究中得到了较为广泛的应用。龙景湖形状非常不规则，整体形状呈细长形，分布着大量大小不一的湖湾分岔，湖湾内水体流动性差、水流速度基本为零，水质较差。参考大量文献和资料确定了流速小于0.1 m/s的水域为死水区，通过对湖区进行流速监测确定了凌云桥附近的一处湖湾作为研究对象，采用潜水推流器以改善水体流动性，进而改善水体水质。
　　湖湾底部地形复杂、岸边界不规则，潜水推流器安装位置不同，其产生的流场受到的影响也不同，为了探究潜水推流器在不同位置时对试验水域的水动力影响程度，本文利用EFDC（环境流体动力学模型）模型构建了龙景湖死水区水动力数值模型进行该研究，主要结论如下：
　　①为了获得更加准确的模拟结果，需对模型进行验证，选定的7个监测点的流速模拟相对误差分别为5.27％、12.24%、8.76%、11.62%、10.30%、20.91%、24.53%，7个监测点的水位模拟相对误差均小于1%。
　　②潜水推流器布点需考虑3点：1）潜水推流器产生的轴向推进、径向扩散的射流流场2）浮游植物在垂向上的分布特征；3）潜水推流器对水体底部的扰动作用。基于以上特点确定了三套布点方案，方案一布点位置为研究水域两侧凸岸的中间点，方案二的布点位置是在方案一的基础上向北边岸边移动5m后的位置，方案三的布点位置是方案一的布点位置与西侧凸岸布点位置的中间点。
　　③利用 EFDC对三套方案进行水动力模拟得到了潜水推流器在不同安装位置的模拟流速分布图，模拟时间区间内第二天、第五天和第八天的流速模拟图相似度达到了95%以上，说明潜水推流器稳定运行后，其产生的流场基本不变；模拟流速衰减速率逐渐降低，沿推进方向的径向流速也呈逐渐降低的趋势，且径向流速衰减速率远大于轴向流速衰减速率。经计算方案一的模拟流场分布图长约45.2 m，宽约10.7m，面积约362 m2；方案二的模拟流场分布图长约40.3 m，宽约9.7 m，面积约311m2；方案三的模拟流场分布图长约为39.3m，宽约为9.8m，面积约307m2，三套方案的最大模拟流速分别为0.724 m/s、0.6129 m/s、0.4962 m/。为最大程度地改善死水区水动力条件，分析三套方案模拟流场图后，将方案一作为模拟最优布点方案。
　　④利用实测流速数据绘制三套方案的实测流速分布图，流速监测时受到推流器和风场对船的推移作用以及风场对水面的干扰使实测流速小于模拟流速，并且对低流速水域测定时影响程度更大使其等高线呈现明显的“锯齿”形，三套方案的实测最大流速分别为0.61m/s、0.55 m/s、0.48 m/s，通过计算，方案一的实测流速分布图长约40.5m、宽约9.4 m、面积约321 m2；方案二的实测流速分布图长约37 m、宽约8.5m、面积约287 m2；方案三的实测流速分布图长度约35.5 m，宽约9.1 m，面积约276m2；实测得到的最优布点为方案一。
　　⑤为考量不同水动力条件对水体水质影响程度，对三套方案进行了水质检测，推流器采用方案一的布点方式产生的流速最大，流场范围也最大，对死水区扰动程度也最大，对湖湾富氧率平均达到了15%，而方案二和方案三仅为3%和5%左右；推流器扰动水体产生的剪切作用抑制浮游植物的生长繁殖，湖湾内叶绿素 a含量低于对照点叶绿素a含量，且方案一中叶绿素a去除率平均为32%左右，而方案二和方案三分别为14%和6%；推流器的复氧效果使水体含氧量增加，微生物活性和活动力增强，湖湾中氮磷营养盐含量和高锰酸盐指数均低于对照点的含量，方案一流速最大，复氧效果最好，其氨氮去除率较高，为33%，总氮、总磷和高锰酸盐去除率相对较低，分别为18.9%、15.3%、22%，方案二和方案三水流速度相对方案一较低，其氮磷营养盐和高锰酸盐指数去除率相对较低。通过上述结论得，模拟得到的最优点与实测得到的最优点吻合，方案一为最优布点方式。

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