【摘要】： 南水北調(diào)中線明渠段一旦發(fā)生水污染突發(fā)事故,必須快速揭示不同運(yùn)行條件下污染物的輸移擴(kuò)散規(guī)律,提出事故處置對策。論文通過建立縱向一維和水深平均二維水流-水質(zhì)數(shù)值模型,對事故污染特性的模擬方法進(jìn)行了深入研究,并開展了針對南水北調(diào)中線典型明渠段突發(fā)事故污染的模擬分析。 論文建立了高精度的一維水流-水質(zhì)數(shù)值模型,模型中分別采用Preissman和Preissman-Holly格式離散水流及水質(zhì)方程,保證了數(shù)值離散具有良好的精度和穩(wěn)定性。首次將最大信息熵原理應(yīng)用于梯形明渠,確定了縱向流速的斷面分布公式,基于Fischer的三重積分方法,提出了精確的縱向離散系數(shù)計(jì)算公式。 論文還建立了水深平均二維水流-水質(zhì)模型,選用通量差分裂格式求解方程組的對流項(xiàng),能有效處理各種復(fù)雜流態(tài),并高分辨率模擬污染物的輸移擴(kuò)散。通過構(gòu)造離散單元內(nèi)部流動變量分布,間接求解底坡項(xiàng),考慮了底坡項(xiàng)作用的迎風(fēng)特性并簡化了邊界條件。提出了淹沒節(jié)點(diǎn)法和守恒型人工滲透法,用以處理動邊界問題;采用網(wǎng)格局部加密技術(shù)和當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長法,提高模型的精度和效率。論文通過多個(gè)典型算例對建立的二維模型進(jìn)行了驗(yàn)證,表明模型可以處理潰壩波、急流和緩流過渡、間斷濃度場等流場和濃度場突變的問題。 論文利用一維和二維模型研究了正常運(yùn)行情況下南水北調(diào)中線典型明渠段水體流動和污染物輸移的規(guī)律。兩種模型都能準(zhǔn)確地模擬污染云團(tuán)的平均移動速度,一維模擬具有快速、及時(shí)的優(yōu)點(diǎn),但是,由于忽略了射流核心區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的影響,模擬結(jié)果中將污染云團(tuán)的偏態(tài)分布形式近似為正態(tài)分布,錯估了最大濃度點(diǎn)的移動速度,并夸大了污染云團(tuán)的縱向長度;二維模型不僅能更準(zhǔn)確地模擬污染云團(tuán)的縱向分布特征,還能反映污染物進(jìn)入水體的橫向位置對濃度場的影響,污染物進(jìn)入水體越快、橫向混合系數(shù)越小,越有必要采用二維模型準(zhǔn)確模擬污染物的輸移規(guī)律。在恒定流模擬的基礎(chǔ)上,論文利用二維模型對事故處置過程中,采用閘前定水位控制運(yùn)行方式下的非恒定流場和濃度場進(jìn)行了模擬研究,研究表明上游節(jié)制閘門的關(guān)閉歷時(shí)應(yīng)大于兩倍渠道長度與渠道中淺水長波波速的比值,關(guān)閉閘門不僅會減緩污染云團(tuán)的平均運(yùn)動速度,還將改變云團(tuán)的濃度分布情況,關(guān)閉速度越快影響越大。論文成果為深入分析南水北調(diào)中線明渠段水污染事故的特性和進(jìn)一步研究事故處理措施,提供了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：X52
【圖文】：

本章選取多個(gè)典型算例對已開發(fā)的二維模型進(jìn)行驗(yàn)證，分別檢驗(yàn)?zāi)ｉg斷流場、濃度場，以及處理底坡項(xiàng)和復(fù)雜流態(tài)過渡等問題的能力。5.1 二維部分潰壩波計(jì)算Fennema 等人的平底無摩擦二維部分潰壩問題，幾乎是檢驗(yàn)各種激波式處理間斷流場能力最典型的算例[121]-[123]。200m×200m 的矩形計(jì)算域，游端 100m，壩上游水深為 10m，壩下游水深為 5m。t＝0 時(shí)，發(fā)生瞬時(shí)故，決口寬 75m，與兩側(cè)邊壁的距離分別是 30m 和 95m。模擬過程中，計(jì)算域被均勻劃分為 40×40 個(gè)矩形單元，固壁處采用件，不考慮水平渦粘性作用。計(jì)算所得t＝7.2s 時(shí)的自由面水位如圖 5.1計(jì)算結(jié)果與各文獻(xiàn)的結(jié)果一致，且數(shù)值分辯率較高。限于篇幅，此處只汪繼文等人[123]的模擬結(jié)果如圖 5.2 所示。結(jié)果表明，本文模型能以較高有效處理間斷問題。

圖 5.2 汪繼文等人計(jì)算t＝7.2s 水面形狀5.2 水面自由振蕩算例Thacker 曾研究過拋物型淺水湖因水面隆起產(chǎn)生的自由震蕩問題，獲得其解[25]。該算例中包含了底坡項(xiàng)對流場的影響，同時(shí)，伴隨著水面振蕩，存動的干濕邊界，即本文所謂動邊界問題。假想的拋物型湖底地形為：2 2 20h ( x , y ) = h [1 ( x +y ) / a]其中， h ( x , y )為坐標(biāo)( x , y )處的靜水深，即湖面水平時(shí)的水深；0h 為湖中水深; a為圓形靜湖面的半徑。假設(shè)初始水面隆起，初始水面的形狀由 t = 0時(shí)，(5-1)式中湖水面高程η

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