数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用

数学模型在水环境评价、防洪评价和排污口论证等领域中的重要作用,随着人类活动的不断增加和环境问题的日益突出,对水资源和水环境的保护与管理变得至关重要。为了更好地理解和应对这些挑战,数学模型成为一种强大的工具,能够提供量化的分析、预测和决策支持。

数学模型在水质、水量和水生态等方面发挥着重要作用。通过建立水质模型,我们可以模拟污染物的扩散和转移,评估水体的污染状况,并制定相应的水质改善方案。水量模型能够模拟流域的水循环过程,预测降雨-径流过程和地下水补给等,为水资源管理提供科学依据。此外,水生态模型可以帮助我们理解水生态系统的复杂性,预测物种分布和生态过程,为生态修复和保护提供决策支持。

在防洪评价领域,数学模型在洪水的模拟和风险评估中发挥着关键作用。洪水模型能够模拟洪水的形成、传播和演变过程,预测洪水的水位、流量和到达时间,从而为防洪设施的规划和管理提供科学依据。同时,洪水风险评估模型可以结合洪水模拟和脆弱性评估,量化洪水对区域的影响,帮助制定洪水风险管理策略。

排污口论证过程中,数学模型可以模拟污染物在水体中的传输和扩散过程,评估排放污染物对水环境的影响。这些模型能够帮助确定排污口的位置、数量和排放标准,优化排污策略,并提供水环境管理措施。水质评估模型则能够结合监测数据和水质指标,评估排污口对水体水质的影响程度,判断水体是否符合相关水质标准,并提供改善建议。

常用的数学模型软件,如HEC-RAS、MIKE系列软件、EFDC、DEFLT3D、FVCOM、SWAT+、SWMM、EFDC等等。这些数学模型软件涵盖了不同的领域和应用范围,提供了丰富的功能和算法,以支持水环境评价、防洪评价和排污口论证等工作。然而,需要注意的是,数学模型只是辅助决策的工具之一,其应用仍需结合实际情况、合理设置参数和输入数据,并与现场监测相结合。此外,模型的准确性和可靠性也需要不断验证和改进,以保证其应用的科学性和有效性。

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一维水动力模型模拟一河道水流的应用

通过实例操作、掌握简单河道或复杂河网MIKE一维水动力模型(HD)、水质模型(AD)和建筑物模型(SO)模块的建模方法,并掌握其在防洪影响评价、环境影响评价和入河排污口设置论证中的应用。

1.1 MIKE11模型的整体架构

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第1张图片

                                                            图1 MIKE11模型家族文件

1.2 河网文件的制作

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第2张图片

 

                                        图2 嘉陵江下游一维河网文件制作

1.3河道断面文件制作

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                                                    图3 嘉陵江下游一维河网文件制作

1.4 边界条件文件制作

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                                        图4 嘉陵江下游边界条件制作

1.5 模拟文件制作

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                                            图5 嘉陵江下游模型集成与运算

1.6 计算结果分析

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                                                图6 嘉陵江下游模型计算结果分析

一维复杂河网模型构建及建筑物设置

结合三峡库区河网模型为例:

2.1复杂河网文件的制作

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                                                    图7  三峡水库河网结构图

2.2 复杂河网边界条件的设置

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                                                  图8  三峡河网模型边界条件设置

2.3 建筑物设置及其在防洪影响评价中的应用

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                                                        图9 一维模型建筑设置

一维水质模型在环境影响评价中的应用

以深圳某河流治理工程为例,结合施工期和运行期工程,讲解MIKE11一维水质模型在:

3.1 水质模型预测范围

3.2 模拟预测指标

COD、氨氮、SS等指标的模拟预测分析。

3.3 模拟预测工况

3.4 预测结果分析

 

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第10张图片

                                            图10 深圳河治理工程模拟范围图

平面二维水动力模型的构建河验证

以长江马鞍山采石河段为例,讲解平面二维水动力模型网格剖分,边界条件设置,模型验证等内容。

4.1 确定模型预测范围

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第11张图片

                                                 图11 根据工程现状确定模拟范围

4.2 利用MIKE21 Mesh Generator进行网格剖分

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第12张图片

                                             图12 对模拟范围内的网格进行剖分

4.3 利用MIKE 21 Simulator构建模拟文件

包括设置计算时间、糙率参数、边界条件和输出文件格式设定。

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第13张图片

                                                  图13 对模拟文件进行设置

4.4 模型验证

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                                                    14 对模拟进行验证

平面二维水动力模型在防洪影响评价中的应用

学习如何利用不同的方法在平面二维数学模型中概化码头、桥墩等建筑物,分析工程运行前后对上下游洪水位、流速、流向的影响。

5.1 如何在MIKE21模型中概化涉水工程

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第15张图片

                                                图15 通过局部加糙的方式概化码头

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                                                        图16 通过网格排除法方式概化码头

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第17张图片

                                          图17 直接在计算文件中添加一个引桥墩

5.2 分析工程运行前后洪水水位变化

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                                       图18 工程前后洪水位变化

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                                                 图19 工程前后洪流速变化

平面二维水动力水质模型在入河排污口论证中的应用

以典型案例为教材,讲解基于二维水质模型的大型河流入河排污口的水环境影响预测。

6.1 利用MIKE Mesh Generator剖分四边形网格

6.2 地形插值

    

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第20张图片

                                            图20  水质模型网格剖分与地形插值

 

6.3 计算工况设计

6.4 边界条件取值

皮尔逊III型曲线绘制,水位流量关系曲线选取设计水位。

  

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第21张图片

6.5 计算结果展示与数据处理

6.6 入河排污口设置影响分析与评价

数学模型在水环境影响评价、防洪评价与排污口论证项目中的应用_第22张图片

                                                 图23  水质模型计算结果展示

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