基于水动力模型分析水闸调度对水质的影响

2022-02-10季洪涛

水电站机电技术 2022年1期

季洪涛

（新宾满族自治县水利事务服务中心，辽宁抚顺 113200）

0 引言

在一些天然河道中，能够影响水质的污染物质进入河水后会直接被水流稀释扩散，而此时那些密度大于水的粒子就会迅速沉降到水下，其中一些还原性较强的物质会被水中的氧气迅速氧化，水中的微生物细菌等物质也会通过有机物的分解作用对水体造成影响，改变水中的水质。因此水闸调度能够改变水体污染的程度，使受到污染的水体在移动一段距离以后增强污染的力度或者减少污染到受污染前的状态[1]。这一切都与河道中水流的水量和流速等因素有关。要改变诸多天然水体受污染的现状，可以通过水闸调度来改变河道内部的水温要素，进而调解水体污染，改善河道的水质。本文基于水动力模型就水闸调度对水质的影响进行分析。

1 基于水动力模型的水闸调度对水质影响因素分析

1.1 构建水动力模型

天然河道中的河流运动可以看作是三维形态的水流运动，在对河流中水流条件影响因素的研究中，水平方向的河水深度、河流流速等参数变化远大于垂直方向，所以在计算天然河道中水流的参数时，可以只考虑水平方向的尺度而忽略垂直方向。但是在忽略垂直水深参数之前，需要计算垂直方向的平均水深，构建三维水流运动垂直方向的基本模型方程，并将这些可以忽略不计的差异综合到以水平河流流向为主的二维水动力运动模型中。将三维模型改造成二维模型，计算过程就简单了许多，在计算机上的模拟计算程序也更具备简洁性，其反应速度会有很大程度的提升[2]。因此，这个经过简化处理的平面模型可以作为传统三维物理模型的补充对照组。将实验结果多方验证，尽量减少计算性误差。想要模拟天然河道中的地形与水流，可以通过以上方法建立平面二维水动力数学模型，相应的控制方程可以表示为：

这个水动力的控制方程可以分为X方向和Y方向两个分动量，其中X动量方程可以表示为：

Y动量方程可以表示为：

式中，H表示天然河道的深度，单位为m；Z表示水位距离，单位为m；u表示河水在水平方向的流速，单位为m/s；v表示河水在垂直方向的流速，单位为m/s；vt表示河水中的水流粘性系数，单位为m2/s；c表示一个常数，一般可以看作R16；R表示水力影响半径，单位为m；f表示河水流速科学系数；δ表示地球自转的线速度，单位为m/s。

想要更准确地计算水动力模型中的水质变化影响因素，可以在以上计算公式之外采用三角形的结构网格模型，构建一个四边形的结构网格，将局部最小步长设置为15 m，节点数设置为21 336。

1.2 水闸调度计算模式分析

水闸对河道中水流的调度可以简单地概括为闸门开度、闸门开启个数、水闸上下游的流量、水闸附近的水位变化、闸门开启增加数目等。如果通过水闸的调度使河水下泄的流量变大，那么水闸上方的水位就会相应降低；与之相反的，若是水闸的下泄流量变小，就会导致闸上水位升高，这就是水闸调度与水动力模型的基本关系，通过这个关系的数值模拟确定在水动力模型分析中水闸调度能够对河道中的河水产生的变化[3]。在这个过程中，水闸对于水流的调度主要体现在两个方面：①通过对水闸过流能力的模拟，可以计算出上下游河道水质的一致性，推导出计算模型的稳定性；②如果不同区域水闸过流能力的计算方式不同，那么上下游河道中水流系数就会有很大差异，此时可以通过水动力模型推导算出。因此，对于水动力模型在水闸调度中的精确计算是整个水质分析的关键。假设不同区域的水闸过水能力不同，可以通过水闸调度方式和水动力控制模型来确定水质的组成成分[4]。在水闸上方和水闸下方分别选择两个临近的河段，并将其作为水流断面模型，两个断面模型之间的河段即为本研究中水闸调度对水质影响分析的计算河段，具体模型概况见图1。

如图1所示，在构建调度模型时，可以通过计算河段来确定水流的连续性条件，进而计算其过闸流量的模型影响系数。

图1 水闸闸门局部模型示意图

1.3 水闸调度对水质影响分析

在建立了水动力模型对水闸调度的计算结构以后，可以通过建立水闸调度情景模式的方式设置不同的前提条件，通过图像对比的方式得到水闸调度对水质的影响结果[5]。调度情景如表1所示。

表1 水闸调度情景模式

通过上文所述的计算模型，当闸门开启数量相同，但是闸门开度不同时，可以得到河水水质随闸门开度的变化而变化的图像如图2所示。

图2 河流水质随闸门开度的变化曲线

如图2所示，当闸门开启数量相同，随着闸门开度的增加，河水中污染物的浓度呈现出不规律的增加趋势。这是因为随着闸门开度变大，河道的流量逐渐变大，河水的流速加快，水中污染物被微生物降解的速率下降，进而导致污染物浓度的增加。

当闸门开度保持在80 cm，但是闸门开启的孔洞不同时，根据以上计算模型可以得到河水水质的变化曲线如图3所示。

图3 河流水质随闸门开启情况变化曲线

从图3中可以看出，当闸门开度相同时，随着闸门开启孔洞的增加，河流中污染物的浓度也会随之波动性增加。在6～10孔之间有一个短暂的下降趋势，但是当闸门开启超过10孔后，污染物的浓度就一直增加，不再反复变化[6]。这是因为当闸门全开时，由于河流泄洪量的增大，河道底部的淤泥被卷起，将河水中的一部分污染物吸附住，导致了污染物浓度的下降。但是当闸门开启程度继续加大，河水流速过快，将淤泥中的一部分污染物抽离出来，如此快速的水流也导致微生物无法将降解作用在污染物中充分发挥，导致了污染物浓度的持续增大。因此可知，当闸门开启数量保持在6～10孔之间时，反而会降低河道中污染物的浓度。

当闸门不开启时，河水中污染物的浓度普遍小于2 mg/L。而当闸门开启时，无论闸门开度与闸门开孔的数量是多少，其河水中污染物的浓度都高于3 mg/L。因此通过数据可知，若关闭闸门，可以明显降低河水中污染物的浓度[7]。这是因为当闸门关闭，闸门后方的水流流速就会迅速下降，水流流速减缓，对河底泥沙的冲刷作用减弱，不会从淤泥中冲出更多的污染物。同时在这样缓慢的流速下，水中的微生物能够实现对于污染物的降解作用，在另一方面降低水中污染物的浓度。

通过上述分析可知，水闸的存在确实能够影响到河流中污染物的浓度，进而影响到该河段的水质。而上文中构建的水动力模型更是为水闸对水质的影响分析提供了一个有效的计算公式，使得人们能够准确地得知引起水质良性变化的水闸调度情景模式。

2 实验设计

2.1 实验准备

该实验通过上文中研究的水动力模型对一个河段内的河流进行分析，通过计算机对其进行模拟。在实验过程中需要首先设置实验环境，其计算机配置参数如表1所示。

表1 实验环境设置

取某河流水闸周边区域一个时间段内的实测流量以及水位值作为实验数据，将该时间段前后12 h内的水质指标变化作为实测值。使用文中所述的水动力模型对该段河流的水闸调度对其影响因素进行分析，然后使用传统的模型对该段河流的水闸调度对其影响因素进行分析。设定采用上文中的情景模式H4，通过两种模型数值与实测值的对比，判断其模型计算公式的准确性。