河流水质的二维数值模拟

作     者：赵万星 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈景秋

授予年度：2002年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：河流污染 二维水质模拟 有限体积法 流管 算子分裂法 

摘      要：人类生存和生活的质量与自然环境息息相关，而水环境质量的研究是环境水力 学的一个主要课题。本文在现代环境水力学基础上，利用计算流体力学的知识，建 立了一种模拟在天然河流中污染物的稀释扩散过程的数值方法，并将这一种方法应 用到了长江、嘉陵江重庆城区段的水质变化确定性研究中。 天然河流的污染物模拟和预测是环境水力学的一个重要领域，其二维和三维水 质模型，随着计算机技术的发展而发展。现有的水质模型，包括QUAL-Ⅱ，对于耦 合的水流水质因素都是依次分别进行模拟。本文根据这样的思路对流场和浓度场分 开进行模拟。对于河流流场，采用划分流管的方法计算流场，并将有限体积法的思 想应用到流管，根据质量守恒原理，在流管内建立浓度场的有限体积。 工程上的水力计算一般都建立在Bernoulli方程的基础上，采用河流分段处理， 作累积流量图法，按照一定方式划分流管。本文采用等流量划分。再在划分的流管 内计算河流水力参数，其基本步骤在第三章中详细给出。 我们将一个流管作为一个控制体积，在河流流场的基础上，就可以建立浓度场 的控制体积网格。利用有限体积法，建立流管的二维水质模型，其形式属于对流扩 散方程，利用算子分裂法进行离散求解;为克服网格Reynolds数的限制，采用上风 差分格式;选取合适的时间和空间步长，给出适定的初始条件和边界条件下，可得 出河流二维的水质变化情况。与1989年重庆市环境科学研究所和重庆建院的试验结 果对比，我们可以判断该方法在计算上是可靠的，模拟结果与理想结果相吻合。 本文是将流管划分与有限体积法相结合的一次尝试，并将算子分裂与有限体积 相结合，应用在长江、嘉陵江重庆城区段的二维水质模拟达到了预期效果。在河流 的流场变化不大的情况下，该方法简单可靠，对于像长江、嘉陵江这样的宽浅型河 流具有一定的应用价值。同时，本课题的开展可以应用于三峡工程建成后的三峡库 区水环境质量监测和控制。