基于EFDC模型的人工湖水質保障最佳運行方式研究

郭鵬程,軒曉博,2,閆大鵬

基于EFDC模型的人工湖水質保障最佳運行方式研究

郭鵬程1,軒曉博1,2,閆大鵬1

(1.黃河勘測規劃設計有限公司,河南鄭州 450003;2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098)

以石家莊市正定湖為例,基于EFDC水環境數學模型確定引水規模,分析風場因素對人工湖調水置換效果的影響,并根據不同風向、風速的風場疊加后湖區水齡模擬結果,探明最有利于調水的外部環境條件：正定湖最佳引水風向為偏北風,風速為5 m/s時,實現80%水體交換需要2～3 d。

水質保障;人工湖;引水;水齡;EFDC模型

正定湖位于河北省石家莊市,為滹沱河上規劃建設的大型人工湖泊,占地面積4.7 km2,設計正常蓄水量1352萬m3。湖中分布有太陽島、月亮島、金星島、木星島、水星島、火星島和土星島7座島嶼,如圖1所示。正定湖主要由黃壁莊水庫退水形成,經長期運行,水質惡化至設定標準后,需從黃壁莊水庫引水進行換水,以改善湖區水環境質量。為節約引水資源量,開展正定湖水質保障最佳運行方式的研究十分必要。

目前,應用于湖泊、河流水質水動力研究中較為成熟的數值模型主要有EFDC、MIKE和WASP等。采用相關模型來輔助具體河湖工程生產設計的研究較多,如李一平等[1-7]分別應用EFDC和WASP模型對湖泊和河流進行數值模擬,為完善相關河湖的綜合治理提供科學參考,取得了較好的實際應用效果。

圖1 正定湖大、小湖區及島嶼分布示意圖

本研究主要采用EFDC水動力數學模型的水齡模擬功能,確定正定湖引水時較優的外部環境條件,為制定最佳的水質保障方案提供技術參考。水齡可定義為顆粒物從入口處傳輸到指定點的時間(入口的水齡通常設為零)[8],其計算公式見參考文獻[9]。水齡越大,說明水體運動越慢,水體被交換程度也越弱。

1 數學模型的構建和模擬方案的制定

1.1 EFDC模型基本原理

EFDC模型垂向上采用σ坐標變換,能較好地擬和近岸復雜岸線和地形。采用修正的Mellor-Yamada 2.5階湍封閉模式較客觀地提供垂向混合系數,避免人為選取造成的誤差。以下為動量方程、連續方程及狀態方程。

動量方程：

狀態方程：

式中：mx和my分別為度量張量對角元素的平方根; H為總水深;u、v、w分別為邊界擬合正交曲線坐標x、y、z方向上的速度分量;m=mxmy,為度量張量行列式的平方根;f為科里奧利系數;g為重力加速度; ξ為自由水深;p為壓力;h為相對于湖底的垂向坐標;Av為垂向紊動黏滯系數;Qu、Qv分別為x、y方向上的動量源匯項;ρ為混合密度;ρ0為參考密度;b為浮力;S為鹽度;T為溫度。

本研究中鹽度S=0,并假設水為不可壓縮流體,密度ρ和水溫T為常量。

1.2 模型構建

根據正定湖湖區實測地形數據,提取正定湖岸線和地形坐標,劃分計算網格。將正定湖橡膠壩西

連續方程：側的大湖區和東側的小湖區分開計算(大湖區與小湖區相對位置見圖1。換水時,黃壁莊水庫下泄水首先進入大湖區,后經由橡膠壩再進入小湖區。由于小湖區面積較小,形態較為簡單,因此,本文分析的重點為正定湖大湖區,結論僅針對大湖區的模擬成果)。大湖區和小湖區網格數分別為40 105和11353個,水平方向和垂直方向網格間距均為10 m。垂向利用σ坐標,均勻分表、中、底3層,每層平均水深約1 m。

1.3 模擬方案的制定

根據石家莊市水文氣象資料、正定湖工程設計方案,以及正定湖上游各水利工程的調度運行情況,確定正定湖較優的調水流量為50 m3/s。為研究該調水流量條件下外界環境中的風場因素對湖區水體置換效果的影響,特制定5套運行方案,見表1。

表1 研究風場因素對正定湖水體置換影響的5套方案

2 風場對大湖區水齡空間分布的影響

根據模型的運算結果,正定湖的水齡一般在6 d后達到穩定。為確保計算結果的穩定性和代表性,選取模型模擬最后1 d的結果進行分析(圖2)。

根據圖2的模擬結果,在不同風場條件下,小于某一水齡值的分布面積占總面積的百分比(該值主要反映水體交換的程度)見表2。

由表2方案1～5的水齡分布面積比值可知,調水流量為50m3/s,東南風,風速分別為0.0,1.8,5.0和10.0 m/s時,如果使正定湖80%的湖區水體被交換,調水時間分別需要3～4d,3～4d,2～3d和2～3 d。說明隨著外界風速的增大,水體的交換效果變好。當風向為偏北風,風速為5 m/s時,實現80%的水體被交換需要2～3 d,與東南風、風速5 m/s時相比,水齡較小的區域所占面積明顯較大,這表明偏北風時更有利于水體的交換。這主要與偏北風所形成的風生流場可以增強正常引水時的流場對流擴散效果,促進水體的交換,進而縮短水齡;而東南風向所形成的風生流場會減弱正常引水時的水體交換效果,增加水齡。

圖2 設計方案下湖體水齡的空間分布

表2 各方案水齡分布的面積比值%

3 結 語

利用EFDC水環境數學模型,確定風場因素是影響湖區水體交換能力的一個重要因素,正定湖最佳引水風向為偏北風。

利用EFDC數學模型的水齡模擬技術,為湖泊引水規模和外部引水環境條件的確定提供技術支撐,也可為人工湖泊水質保障最佳運行方案的制定提供依據。

[1]李一平,唐春燕,余鐘波.大型淺水湖泊水動力模型不確定性和敏感性分析[J].水科學進展,2012,23(2)：271-276.(LI Yiping,TANG Chunyan,YU Zhongbo. Uncertainty and sensitivity analysis of large shallow lake hydrodynamic models[J].Advances in Water Science, 2012,23(2)：271-276.(in Chinese))

[2]SEO D,SIGDEL R,KWON K H,et al.3-D hydrodynamic modeling of Yongdam Lake,Korea using EFDC[J]. Desalination and Water Treatment,2010,19(1/3)：42-48.

[3]GUO Z W,ZONG X X.Prediction of algal blooming using EFDC model：case sturdy in the Daoxiang Lake[J]. Ecological Modelling,2011,222：1245-1252.

[4]FENG L,RUI J L.3D water environment simulation forNorth Jiangsu offshore sea based on EFDC[J].Earth& Environmental Sciences,2009,1(1)：42-47.

[5]劉夏明,李俊清,豆小敏,等.EFDC模型在河口水環境模擬中的應用及進展[J].環境科學與技術,2011,34 (6G)：136-140.(LIUXiaming,LIJunqing,DOU Xiaomin,etal.Theapplicationandadvanceof environmental fluid dynamics code(EFDC)in estuarine waterenvironment[J].EnvironmentalScience& Technology,2012,10(4)：57-60.(in Chinese))

[6]李林子,錢瑜,張玉超.基于EFDC和WASP模型的突發水污染事故影響的預測預警[J].長江流域資源與環境,2011,20(8)：1010-1016.(LI Lingzi,QIAN Yu, ZHANG Yuchao.Forecasting and warning the accidental water pollution effect based on the EFDC and WASP[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin,2011, 20(8)：1010-1016.(in Chinese))

[7]謝銳,吳德安,嚴以新,等.EFDC模型在長江口及相鄰海域三維水流模擬中的開發應用[J].水動力學研究與進展A輯,2010,25(2)：165-174.(XIE Rui,WU Dean, YAN Yixin.Application and improvement of the EFDC in numerical simulatingofYangtzeRiverEstuaryand adjacent sea[J].Chinese Journal of Hydrodynamics, 2012,10(4)：57-60.(in Chinese))

[8]郝文彬,唐春燕,滑磊.引江濟太調水工程對太湖水動力的調控效果[J].河海大學學報：自然科學版,2012, 40(2)：129-133.(HAO Wenbin,TANG Chunyan,HUA Lei.Effects of water diversion from Yangtze River to Taihu Lake on hydrodynamic regulation of Taihu Lake[J]. Journal of Hohai University：Natural Sciences,2012,40 (2)：129-133.(in Chinese))

[9]LI Yiping,ACHARYA K,YU Zhongbo.Modeling impacts of Yangze River water transfer on water ages in Lake Taihu,China[J].Ecological Engineering,2010,37(2)：325-334.

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中央加大水利投資力度 支撐水資源可持續發展

2013年中央水利投資1408億元,帶動全社會水利建設投資4397億元,投入給力,建設提速,為“穩中有進”提供了有力的“水支撐”。

2013年中央水利資金72%投向民生,重點小(2)型水庫全部除險加固,2058個縣實施山洪災害防治,消除威脅群眾安全的防洪隱患;解決灌溉“最后一千米”問題,小農水重點縣覆蓋產糧大縣和主要農業大縣;加快解決農村人口飲水安全問題,讓6343萬農村居民喝上放心水;江河湖庫水網體系加快建設,提高供水保障能力。大型灌區改善灌溉面積1648000 hm2,小農水項目新增糧食生產能力94億kg,全國新增高效節水灌溉面積3333.33多hm2,為實現糧食產量“十連增”提供了堅實的水利保障。全年減淹耕地8 666.66多hm2,避免156座縣級以上城市受淹,因災死亡人數大大降低,防洪減災效益達2361億元。加快推進城鄉重點水源工程建設,實施引江濟太、珠江調水、塔河調水等調度任務,全國供水能力超過7000億m3。

站在新起點,水利改革向縱深推進：從2011年起,中央提出土地出讓收益的10%用于農田水利,給農田水利建設注入活力。中央財政資金“四兩撥千斤”,2013年全國農村水利投入超過2000億元,形成公共財政投入為主、社會投資為補充的多元化投入增長機制。在全國,基層水利站恢復建立2.9萬個,成立農民用水戶協會7.8萬個,各級抗旱服務隊14064支,基層水利服務基本實現了全覆蓋。在水鄉江蘇,1190位“河長”管河護河,率先出臺河湖健康評估報告,實施一河一策,昔日一條條黑臭河道清水復流。截至2012年底,全國萬元GDP用水量下降到225 m3,農業灌溉水有效利用率提高到0.516。

今后將繼續加大農田水利建設力度,全面推進東北節水增糧、西北節水增效等高效節水灌溉工程建設。嚴守水資源管理“三條紅線”,控制指標已覆蓋95%的地級行政區和700個縣市。以水定需、量水而行,各地用水閥門越擰越緊：北京嚴控地下水,各區縣一律不再批準新增機井,山東對超計劃取水的累進加價,四川實行水資源論證一票否決。

全國開展了100個國家級和200個省級節水型社會建設試點,帶動了節水型社會建設向深層次發展。水生態文明建設46個試點城市探索以江河湖庫水系連通為途徑,促進生態自然修復,推動節約集約利用水資源。科學謀劃一批重大工程,加快實施重大引調水及河湖水系連通工程,提高水利支撐和保障能力。

(本刊編輯部轉摘自 http：//www.mwr.gov.cn/slzx/mtzs/rmrb/201401/t20140102_546576.html)

Optimal scheme of water quality assurance in artificial lakes based on EFDC model

GUO Pengcheng1,XUAN Xiaobo1,2,YAN Dapeng1
(1.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China; 2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Taking Zhengding Lake in Shijiangzhuang City as a case study,the EFDC model was used to determine the scale of water diversion,and the influence of the wind field on the water exchange of the artificial lakes was analyzed.According to the simulation results of the water age of the lake with different wind directions and at different wind velocities,the most favorable environmental conditions for water diversion were found as follows：when the wind direction that was most favorable for water diversion was slightly northerly and the wind velocity was 5 m/s,the exchange of 80%water took two to three days.

water quality assurance;artificial lake;water diversion;water age;EFDC model

TV2147

A

1004-6933(2014)01-0053-04

201305-16 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.011

郭鵬程(1981—),男,工程師,主要從事河湖水環境保護及規劃設計工作。E-ail：guopch@yrec.cn