一维二维水动力模拟、水质建模、复杂河网构建技术在环境影响评价、防洪评价与排污口论证等实际项目中的应用

目录

​专题一、一维水动力模型在河流水动力模拟中的应用

专题二、一维复杂河网模型构建及建筑物设置

专题三、一维水质模型在入河排污口和环境影响评价中的应用

专题四、平面二维水动力模型的构建河验证

专题五、平面二维水动力模型在防洪影响评价中的应用

专题六、平面二维水动力水质模型在入河排污口论证中的应用

专题七、平面二维水动力水质模型在建设项目环境影响评价中的应用

专题八、水域纳污能力核定与限制排污总量方案制定

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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、DELFT3D、FVCOM、SWAT+、SWMM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。目的在与不仅仅学习数学模型的建立方法，更重要的是如何将模型在规范及项目实际性质条件下模型的运用。（备注课程所需软件环境，请大家自行准备）

​专题一、一维水动力模型在河流水动力模拟中的应用

通过实例操作、掌握简单河道MIKE一维恒定、非恒定水动力模拟，评估不同工况条件下水位的变化过程，掌握河网文件、断面文件、边界文件、参数文件、模拟文件的制作过程。

1.1 MIKE11模型的整体架构

图1 MIKE11模型家族文件

1.2 河网文件的制作

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

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

图4 嘉陵江下游边界条件制作

1.5 模拟文件制作

图5 嘉陵江下游模型集成与运算

1.6 计算结果分析

图6 嘉陵江下游模型计算结果分析

专题二、一维复杂河网模型构建及建筑物设置

结合珠江流域西江河网模型为例，讲述复杂环状河网的制作、连接过程，并介绍边界条件的设置，结合一维单一河道模型，介绍堰、涵、桥、闸的设置：

2.1 复杂河网文件的制作

图7  西江下游河网结构图

2.2 复杂河网边界条件的设置

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

图9 一维模型建筑设置

图10 水工建筑物堰的设置

图11 水工建筑物涵的设置

专题三、一维水质模型在入河排污口和环境影响评价中的应用

仍然以嘉陵江下游一维模型为例，结合河口建闸工程，讲解MIKE11一维水质模型（AD）和生化模型（Ecolab）在建设项目环境影响评价中的应用。

3.1 入河排污口设置论证

3.1.1 模拟预测指标 COD、氨氮、BOD5、TP等指标
3.1.2  模拟预测工况

3.1.3 预测结果评价

图12 不同工况条件下污染物浓度沿程分布

3.2 环境影响评价

3.2.1 模拟预测指标 COD、氨氮、BOD5-DO等指标的模拟预测分析
3.2.2 模拟预测工况 建闸工程前工况，建闸工程后工况
3.2.3 预测结果分析

图13 Ecolab生态动力学过程设置

图14 BOD5-DO耦合模型结果

专题四、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文件的制作，边界条件设置，模型率定和验证等内容。

4.1 确定模型预测范围

图15 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

图16 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。

图17 对模拟文件进行设置

4.4 模型验证

图18 对模拟进行验证

专题五、平面二维水动力模型在防洪影响评价中的应用

学习如何利用直接模拟法、附加阻力法、修改地形法等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

图19 通过局部加糙的方式概化码头

图20 通过网格排除法方式概化码头

图21 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

图22 工程前后洪水位变化

图23 工程前后洪流速变化

专题六、平面二维水动力水质模型在入河排污口论证中的应用

以长江武汉河段为教材，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

图24  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。

图25 某站最小月均流量频率曲线           图26 某站水位流量关系曲线

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

图27  水质模型计算结果展示

专题七、平面二维水动力水质模型在建设项目环境影响评价中的应用

以台州市椒（江）江河口水利工程建设环评为例，讲解基于二维水质模型的地表水环境影响预测评价的建模流程河工作流程。

7.1 预测评价范围

图28  水质模型预测评价范围

7.2 模型地形插值

图29  水质模型地形文件处理

7.3 污染源调查与输入

图30  模型中污染源的输入

7.4 计算工况设计

7.5 计算结果与分析

图31  水质模型验证结果

图32  水质模型预测结果

专题八、水域纳污能力核定与限制排污总量方案制定

针对不同的水体，结合具体实例，讲解水域纳污能力核算过程中涉及到的相关模拟应用：

8.1 保护区、保留区、缓冲区水域纳污能力计算方法

保护区一般禁止新设入河排污口，水域纳污能力取为零；保留区和缓冲区一般禁止新设入河排污口，水域纳污能力采用调查法，现状入河污染负荷量即为其水域纳污能力。

8.2 中小型河流开发利用区水域纳污能力计算模型

8.3 大型河流开发利用区水域纳污能力计算

图33 大型河流水域纳污能力核算示意图

对于顺直河段，忽略横向流速及纵向离散作用，且污染物排放不随时间变化时，二维对流扩散方程为：

8.4 湖泊、水库水域纳污能力计算

图34 大型湖泊、水库水域纳污能力核算示意图

对于非均匀混合的大中型水库，当污染物进入水库后，污染仅出现在排污口附近的水域，非持久性污染物浓度为：

注：请提前自备电脑及安装所需软件

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