明渠突发水污染导流退水工况的模拟

骆菲菲++曹慧哲++郑彤++李彪+王鹏

摘要：我国是一个水污染事故多发的国家，在南水北调工程全面通水前，需要提前针对可能发生的突发水污染事故开展研究。通过利用SMS水动力学软件，以中线某段为例，模拟分析明渠中水的流动状态及突发水污染时污染物的扩散过程；并在此基础上分析采用设置导流坝配合退水渠进行污染团导流的应急处置效果。以期为渠道管理和污染事故处理提供理论和技术支持。

关键词：数值模拟；导流；退水渠；污染物扩散

中图分类号：X522 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2016）05010204

Simulation of diversion and recession flow for sudden water pollution accidents in open channel

LUO Feifei，CAO Huizhe，ZHENG Tong，LI Biao，WANG Peng

（Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China）

Abstract：China is a country with water pollution accidents occurring frequently.Before full completion of the SouthtoNorth Water Diversion project，we need to research the sudden water pollution accident that may occur in advance.Using the hydrodynamic software SMS，the flow state in open channel and the pollutants diffusion process were simulated when sudden water pollution occurred in a typical segment of the middle route main channel.Based on that，the emergency disposal effect with the use of setting the diversion dam and escape canal was analyzed.It provides technical support for channel management and pollution accident treatment.

Key words：numerical simulation；diversion；escape canal；pollutant diffusion

2 模拟结果与分析

收集京石段明渠相关资料建立两个模型。一为原始渠道模型，即模型A。另一为设置导流坝、开启退水闸后的渠道模型，即模型B。渠段模型全长244 km，坡度是1∶20 000，渠道断面底宽185 m，边坡比为25，渠道糙率为0015。退水渠长07 km，入口宽6 m。当突发水污染事故后，利用不过水材料在渠道中设置导流坝。由于渠道模型较短，流速较

小，设置导流坝后，壅水情况不明显，故而不考虑导流坝的设置高度。本文将设计流量和水深作为边界条件，利用SMS的RMA2模块，计算两模型渠道的流场分布，并在此基础上，利用RMA4模块，模拟模型中游某点处突发水污染时，污染物的迁移扩散过程[12]。在模拟的过程中，仅考虑设置导流坝前后对污染团扩散过程的影响。

2.1 原始渠道模型（模型A）模拟结果

2.1.1 模型A的流场模拟结果

RMA2是SMS软件最重要、最基本的模块，主要用于计算平面二维具有自由表面流场的水位、水深及平面流速等[13]，是以NS方程为基础、以伽辽金有限元为基本求解方法的二维沿水深平均的水动力数值计算模型[14]。给定上边界流量75 m3/s，下边界水位为63.8 m，渠底糙率0.015，紊动黏性系数为20。

经过计算，干渠流速分布范围为0.3～0.8 m/s，下游流速最高可达0.6 m/s。明渠是典型的重力流，渠道的坡降变化将影响流速大小的变化。模拟的结果也验证了这一点，上游断面上各处流速基本保持一致，当水流至下游断面时，由于途中高程变化不一致，使得下游断面上各处流速变化趋势明显不一致。各点流速变化趋势与高程差的变化趋势保持一致，即地势下降较快的位置，局部流速增幅较大，反之，则较小。

2.1.2 模型A的污染物浓度场模拟结果

RMA4模型是美国陆军工程兵团河道试验站在RMA2平面二维有限元水动力学模型的基础上开发的平面二维有限元法污染物输移数值模型，一般试用于污染物浓度在垂直方向充分混合的情况[15]。假设于渠道中游某点突然发生污染物的泄漏事故，总泄露量约为25 kg，泄漏曲线为y=150exp（-4.5t），浓度单位为mg/L。时间步长取006 h，计算总时长为3 h。经过RMA4模块的计算，得到不同时刻下污染物的扩散情况见图3。

2.2 设置导流坝、开启退水渠后的渠道（模型B）模拟结果

2.2.1 模型B的流场模拟结果

由计算结果可知，设置导流坝、开启退水渠后，坝前流速范围为0.4～0.6 m/s，坝后流速迅速减到0.2 m/s以下。其中，坝下过流断面上平均流速为0.246 m/s，而模型A中同一位置处渠道过流断面上平均流速为0.19 m/s。但由于设置导流坝后，干渠过流断面急剧减小，流量仅为6.15 m3/s，为设置前的21.2%。

2.2.2 模型B的污染物浓度场模拟结果

在相同的泄露位置和泄露曲线下，计算模型B的污染物扩散结果得到图4。

可以发现同一时刻下设置导流坝的渠道下游中污染物扩散的面积较小，污染物扩散速度较慢。由图6可知，当污染物与水体在渠道断面上完全混合后，污染物沿纵向扩散时在渠道断面上将均匀分布。则在污染物均匀分布的前提下，应急处置中可直接根据流量分配的比例，计算出模拟结果中约有788%的污染物经退水渠排出，排出总量为197 kg。

2.3 模型A与模型B的比较

2.3.1 两模型污染物浓度随时间变化的比较

取导流坝所在位置为一观测断面，由其污染物浓度变化图（图5）知此处两模型中浓度变化曲线一致，峰值相差不大。而在下游末端断面处，模型B中污染物浓度为0（图6），即经过退水后，干渠中的污染物浓度可以通过稀释，降解等过程自行降低。

3 结论

可以利用SMS软件，针对渠道突发污染事故，通过模拟污染物的变化来分析设置导流坝结合退水闸退水的应急处置措施的实施效果。经过模拟计算发现，设置导流坝后，坝后的干渠污染物浓度大幅减少，沿程扩散的速度也有明显减缓。本文的模拟结果对突发水污染事故时，应急处置方案的设定具有一定的参考价值，并对相关方案的可操作性评价具有指导意义。

作为世界上迄今为止最大规模的调水工程，南水北调工程将在缓解南北水资源供需矛盾中发挥重要作用[12]。在逐渐完工的中线明渠段中，控制建筑物和交叉建筑物众多，一旦出现突发性水污染事故，将严重影响输水渠道水质安全[34]。目前，对于突发水污染事故应急处置的研究主要集中在预警系统的开发、污染物的物理化学处理方法的改进等方面[57]，甚少从限制水体中水流特性的角度研究污染物的应急处置方法。本文采用水动力学软件SMS[8]（其全称为SurfaceWater Modeling System）利用其RMA2和RMA4模块，通过模拟设置导流坝前后渠道中污染物的扩散过程，分析导流退水对污染团扩散的限制效果，为突发水污染事故应急处置方案的研究提供更多的思路。

1 模型的建立

污染物进入水体后，首先与周围水体混掺而扩散。当污染源的动量或者浮力作用逐渐消失、完成垂向扩散过程后，污染物质将随水流运动，并由于紊动而继续横向扩散。当扩展至全河（渠）宽，并且断面完全混合后，将沿纵向继续随流离散[9]。

中线干渠宽深比较大，虽然垂向扩散会很快完成。但是，从污染物进入水体，到横向扩散作用与纵向离散作用达到平衡，是一个相当缓慢的过程。为了准确模拟水污染事故发生后，流场和浓度场的发展规律，故采用平面的二维数值模型[1011]。

连续性方程：

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