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向亚卿李建程

河南水利与南水北调 2023年8期

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。