基于有限元分析的生態(tài)清淤對水庫水質(zhì)影響數(shù)值模擬

向亞卿，李建程

（1.湖北水利水電職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430070；2.武漢船舶設計研究院，湖北 武漢 430070）

1 工程概況

以某市的調(diào)蓄水庫為研究對象，該水庫的水質(zhì)不斷下降，從Ⅲ類下降至Ⅳ類，在氣溫較高情況下，還會下降至Ⅴ類，出現(xiàn)藍藻泛濫情況，導致其無法為城市正常供水。在該水庫內(nèi)，應用生態(tài)清淤，對其水質(zhì)進行改善，擬定生態(tài)清淤面積13.24 km2左右。以該水庫生態(tài)清淤作業(yè)為例，利用有限元分析法，建立水庫水動力－水質(zhì)模型，對該水庫應用生態(tài)清淤后水質(zhì)的變化情況，進行數(shù)值模擬。

1.1 生態(tài)清淤對水庫水質(zhì)影響的有限元并行數(shù)值模擬

步驟1：數(shù)據(jù)準備階段。在有限元軟件內(nèi)離散化水庫概念模型，將其分割成很多非常小的單元格，單元格數(shù)量為有限的。分割完單元格后，記錄每個單元格的信息。步驟2：單元格分析階段。根據(jù)記錄的單元格信息，建立二維水動力和污染物轉(zhuǎn)移模型。步驟3：數(shù)值模擬階段。利用區(qū)域分解法，求解二維水動力和污染物轉(zhuǎn)移模型，得到氮、磷與化學需氧量的濃度。步驟4：后處理階段。對數(shù)值模擬獲取的氮、磷與化學需氧量濃度，進行整理分析。

1.2 二維水動力和污染物轉(zhuǎn)移模型

通過二維對流－擴散－反應方程，數(shù)值模擬氮、磷、化學需氧量營養(yǎng)在水庫內(nèi)部的轉(zhuǎn)移降解過程，表達公式：

氮、磷、化學需氧量的交換通量F的表達公式：

考慮F后，式（1）變更成：

式（3）就是二維水動力和污染物轉(zhuǎn)移模型。

1.3 二維水動力和污染物轉(zhuǎn)移模型求解

利用區(qū)域分解法，求解2.2小節(jié)建立的二維水動力和污染物轉(zhuǎn)移模型，得到水庫內(nèi)氮、磷、化學需氧量的濃度數(shù)值模擬結(jié)果。先分解生態(tài)清淤區(qū)域Ω，再為分解后的每個子域制定虛擬邊界條件，然后以交換子域的方式，迭代求解二維水動力和污染物轉(zhuǎn)移模型，得到氮、磷、化學需氧量的濃度。

1.4 邊界條件

針對生態(tài)清淤過程中，氮、磷、化學需氧量污染物的擴散轉(zhuǎn)移，共包含三種類型的邊界，第一種類型是水流入口位置，設置邊界濃度過程或污染負荷過程；第二種類型是水流出口位置，設置自由輸出的Neumann邊界條件；第三種類型是面域上，設置污染負荷，添加源項計算。

2 生態(tài)清淤的數(shù)值模擬分析

水庫外源固定時，在庫內(nèi)應用生態(tài)清淤后，庫水氮（TN）、磷（TP）、化學需氧量（COD）的年均變化情況見表1。

表1 生態(tài)清淤前后庫水TN、TP、COD的年均濃度變化表

經(jīng)過數(shù)值模擬分析可知，現(xiàn)狀不同工況下TN、TP、COD的濃度，均高于未來不同工況TN、TP、COD 的濃度；且現(xiàn)狀或未來，全庫清淤方式下TN、TP、COD濃度的下降幅度均較大，庫周清淤方式下TN、TP、COD濃度的下降幅度均較小，說明以全庫清淤方式對水庫進行生態(tài)清淤，可顯著降低水庫內(nèi)TN、TP、COD的濃度，改善水庫水質(zhì)，提升水庫的供水安全。

生態(tài)清淤點周圍TN、TP、COD濃度變化情況見圖1。

據(jù)圖1（a）可知，隨著距清淤點距離的增長，TP的濃度不斷下降，隨著清淤時間的延長，在不同距清淤點處，TP 的濃度均先上升后下降，在生態(tài)清淤4 個月時，不同距清淤點距離處的TP濃度均達到最大值，當距清淤點10 m處，最高TP濃度0.149 mg·L-1左右，當距清淤點30 m 處，最高TP 濃度0.106 mg·L-1左右，當距清淤點60 m處，最高TP濃度0.08 mg·L-1左右，說明距清淤點距離越近，生態(tài)清淤過程中環(huán)保絞刀頭對底泥的擾動越嚴重，會釋放出大量細小顆粒物，導致TP 濃度升高，隨著生態(tài)清淤時間的不斷延長，TP濃度開始下降，此時生態(tài)清淤起到改善水質(zhì)的作用，且生態(tài)清淤時間達到6 個月時，不同距清淤點處的TP濃度均已低于生態(tài)清淤前。

根據(jù)圖1（b）可知，隨著距清淤點距離的增長，TN的濃度也不斷下降，隨著清淤時間的延長，在不同距清淤點處，TN 濃度的變化趨勢與TP濃度的變化趨勢基本相同，當距清淤點10 m處，最高TN 濃度0.226 mg·L-1左右，當距清淤點30 m 處，最高TN濃度0.192 mg·L-1左右，當距清淤點60 m處，最高TN濃度在0.158 mg·L-1左右，該水庫水體內(nèi)在不同距清淤點處，不同生態(tài)清淤時間時，TN的濃度均高于TP的濃度。

根據(jù)圖1（c）可知，隨著距清淤點距離的增長，COD的濃度也不斷下降，隨著清淤時間的延長，在不同距清淤點處，COD濃度的變化趨勢與TP、TN 濃度的變化趨勢也基本相同，當距清淤點10 m 處，最高COD 濃度0.226 mg·L-1左右，當距清淤點30 m處，最高COD濃度0.192 mg·L-1左右，當距清淤點60 m處，最高COD濃度0.158 mg·L-1左右，該水庫水體內(nèi)在不同距清淤點處，不同生態(tài)清淤時間時，COD的濃度均顯著高于TP、TN的濃度。

綜合分析可知，與清淤點距離越近，受生態(tài)清淤環(huán)保絞刀頭擾動的影響越大，水庫水體內(nèi)TP、TN、COD的濃度均越高，在生態(tài)清淤前期，受生態(tài)清淤環(huán)保絞刀頭擾動的影響，導致水庫水體內(nèi)TP、TN、COD的濃度不斷提升；在生態(tài)清淤后期，水庫水體不再受生態(tài)清淤環(huán)保絞刀頭擾動的影響，令水庫水體內(nèi)TP、TN、COD的濃度開始下降，達到水庫水質(zhì)改善的作用。

3 結(jié)語

應用庫周清淤和全庫清淤的生態(tài)清淤方式，均可降低水庫水體內(nèi)氮、磷、化學需氧量污染物的濃度，其中全庫清淤，對水庫水質(zhì)的改善效果較為顯著；與清淤點距離越近，受環(huán)保絞刀頭擾動越大，生態(tài)清淤時間越長，對水庫水質(zhì)的改善效果越明顯。