基于水動力模型分析水閘調度對水質的影響

季洪濤

（新賓滿族自治縣水利事務服務中心，遼寧 撫順 113200）

0 引言

在一些天然河道中，能夠影響水質的污染物質進入河水后會直接被水流稀釋擴散，而此時那些密度大于水的粒子就會迅速沉降到水下，其中一些還原性較強的物質會被水中的氧氣迅速氧化，水中的微生物細菌等物質也會通過有機物的分解作用對水體造成影響，改變水中的水質。因此水閘調度能夠改變水體污染的程度，使受到污染的水體在移動一段距離以后增強污染的力度或者減少污染到受污染前的狀態[1]。這一切都與河道中水流的水量和流速等因素有關。要改變諸多天然水體受污染的現狀，可以通過水閘調度來改變河道內部的水溫要素，進而調解水體污染，改善河道的水質。本文基于水動力模型就水閘調度對水質的影響進行分析。

1 基于水動力模型的水閘調度對水質影響因素分析

1.1 構建水動力模型

天然河道中的河流運動可以看作是三維形態的水流運動，在對河流中水流條件影響因素的研究中，水平方向的河水深度、河流流速等參數變化遠大于垂直方向，所以在計算天然河道中水流的參數時，可以只考慮水平方向的尺度而忽略垂直方向。但是在忽略垂直水深參數之前，需要計算垂直方向的平均水深，構建三維水流運動垂直方向的基本模型方程，并將這些可以忽略不計的差異綜合到以水平河流流向為主的二維水動力運動模型中。將三維模型改造成二維模型，計算過程就簡單了許多，在計算機上的模擬計算程序也更具備簡潔性，其反應速度會有很大程度的提升[2]。因此，這個經過簡化處理的平面模型可以作為傳統三維物理模型的補充對照組。將實驗結果多方驗證，盡量減少計算性誤差。想要模擬天然河道中的地形與水流，可以通過以上方法建立平面二維水動力數學模型，相應的控制方程可以表示為：

這個水動力的控制方程可以分為X方向和Y方向兩個分動量，其中X動量方程可以表示為：

Y動量方程可以表示為：

式中，H表示天然河道的深度，單位為m；Z表示水位距離，單位為m；u表示河水在水平方向的流速，單位為m/s；v表示河水在垂直方向的流速，單位為m/s；vt表示河水中的水流粘性系數，單位為m2/s；c表示一個常數，一般可以看作R16；R表示水力影響半徑，單位為m；f表示河水流速科學系數；δ表示地球自轉的線速度，單位為m/s。

想要更準確地計算水動力模型中的水質變化影響因素，可以在以上計算公式之外采用三角形的結構網格模型，構建一個四邊形的結構網格，將局部最小步長設置為15 m，節點數設置為21 336。

1.2 水閘調度計算模式分析

水閘對河道中水流的調度可以簡單地概括為閘門開度、閘門開啟個數、水閘上下游的流量、水閘附近的水位變化、閘門開啟增加數目等。如果通過水閘的調度使河水下泄的流量變大，那么水閘上方的水位就會相應降低；與之相反的，若是水閘的下泄流量變小，就會導致閘上水位升高，這就是水閘調度與水動力模型的基本關系，通過這個關系的數值模擬確定在水動力模型分析中水閘調度能夠對河道中的河水產生的變化[3]。在這個過程中，水閘對于水流的調度主要體現在兩個方面：①通過對水閘過流能力的模擬，可以計算出上下游河道水質的一致性，推導出計算模型的穩定性；②如果不同區域水閘過流能力的計算方式不同，那么上下游河道中水流系數就會有很大差異，此時可以通過水動力模型推導算出。因此，對于水動力模型在水閘調度中的精確計算是整個水質分析的關鍵。假設不同區域的水閘過水能力不同，可以通過水閘調度方式和水動力控制模型來確定水質的組成成分[4]。在水閘上方和水閘下方分別選擇兩個臨近的河段，并將其作為水流斷面模型，兩個斷面模型之間的河段即為本研究中水閘調度對水質影響分析的計算河段，具體模型概況見圖1。

如圖1所示，在構建調度模型時，可以通過計算河段來確定水流的連續性條件，進而計算其過閘流量的模型影響系數。

圖1 水閘閘門局部模型示意圖

1.3 水閘調度對水質影響分析

在建立了水動力模型對水閘調度的計算結構以后，可以通過建立水閘調度情景模式的方式設置不同的前提條件，通過圖像對比的方式得到水閘調度對水質的影響結果[5]。調度情景如表1所示。

表1 水閘調度情景模式

通過上文所述的計算模型，當閘門開啟數量相同，但是閘門開度不同時，可以得到河水水質隨閘門開度的變化而變化的圖像如圖2所示。

圖2 河流水質隨閘門開度的變化曲線

如圖2所示，當閘門開啟數量相同，隨著閘門開度的增加，河水中污染物的濃度呈現出不規律的增加趨勢。這是因為隨著閘門開度變大，河道的流量逐漸變大，河水的流速加快，水中污染物被微生物降解的速率下降，進而導致污染物濃度的增加。

當閘門開度保持在80 cm，但是閘門開啟的孔洞不同時，根據以上計算模型可以得到河水水質的變化曲線如圖3所示。

圖3 河流水質隨閘門開啟情況變化曲線

從圖3中可以看出，當閘門開度相同時，隨著閘門開啟孔洞的增加，河流中污染物的濃度也會隨之波動性增加。在6～10孔之間有一個短暫的下降趨勢，但是當閘門開啟超過10孔后，污染物的濃度就一直增加，不再反復變化[6]。這是因為當閘門全開時，由于河流泄洪量的增大，河道底部的淤泥被卷起，將河水中的一部分污染物吸附住，導致了污染物濃度的下降。但是當閘門開啟程度繼續加大，河水流速過快，將淤泥中的一部分污染物抽離出來，如此快速的水流也導致微生物無法將降解作用在污染物中充分發揮，導致了污染物濃度的持續增大。因此可知，當閘門開啟數量保持在6～10孔之間時，反而會降低河道中污染物的濃度。

當閘門不開啟時，河水中污染物的濃度普遍小于2 mg/L。而當閘門開啟時，無論閘門開度與閘門開孔的數量是多少，其河水中污染物的濃度都高于3 mg/L。因此通過數據可知，若關閉閘門，可以明顯降低河水中污染物的濃度[7]。這是因為當閘門關閉，閘門后方的水流流速就會迅速下降，水流流速減緩，對河底泥沙的沖刷作用減弱，不會從淤泥中沖出更多的污染物。同時在這樣緩慢的流速下，水中的微生物能夠實現對于污染物的降解作用，在另一方面降低水中污染物的濃度。

通過上述分析可知，水閘的存在確實能夠影響到河流中污染物的濃度，進而影響到該河段的水質。而上文中構建的水動力模型更是為水閘對水質的影響分析提供了一個有效的計算公式，使得人們能夠準確地得知引起水質良性變化的水閘調度情景模式。

2 實驗設計

2.1 實驗準備

該實驗通過上文中研究的水動力模型對一個河段內的河流進行分析，通過計算機對其進行模擬。在實驗過程中需要首先設置實驗環境，其計算機配置參數如表1所示。

表1 實驗環境設置

取某河流水閘周邊區域一個時間段內的實測流量以及水位值作為實驗數據，將該時間段前后12 h內的水質指標變化作為實測值。使用文中所述的水動力模型對該段河流的水閘調度對其影響因素進行分析，然后使用傳統的模型對該段河流的水閘調度對其影響因素進行分析。設定采用上文中的情景模式H4，通過兩種模型數值與實測值的對比，判斷其模型計算公式的準確性。

2.2 實驗結果分析

將以上實驗數據通過Matlab軟件進行總結與分析，得到如表2所示的實驗結果。

表2 實驗結果

如表2所示，在不同的時間段內，實測值會逐漸升高，兩種計算模型的變化曲線與實測值大致保持一致，但是在數值上存在一定的差異。總體而言，兩種模型得到的數值都高于實測值，但是本文模型得到的測試結果誤差較小，比傳統模型的誤差平均低約0.113 mg/L。

3 結束語

上文中詳細解釋了水閘調度對水質影響因素的相關問題，通過構建水動力模型，分析水閘調度過程中該模型的計算方式，并通過設計不同的情景模式繪制了水閘調度對水質影響因素的對比變化圖像，有效地反映出水閘調度對水質變化的影響。通過實驗驗證了該影響因素判斷模型的效果，比傳統的影響因素判斷模型準確率更高，效果更好。