丁坝浑水水流环境下污染物三维数学模型.pdf

第20卷第3期 水科学进展 V01．20．No．3 2009年5月 ADvANCESⅡ、『WAlERSCIENCE May，2009 丁坝浑水水流环境下污染物三维数学模型 陈丽萍，蒋军成，韩冬梅 (南京工业大学城市建设与安全工程学院，江苏南京210009) 摘要：为分析丁坝附近的冲淤和水流对污染物扩散的影响，用体积比函数方法建立水沙动力学模型，考虑泥沙对污 染物动态吸附解吸作用，建立了污染物三维吸附态和溶解态水质模型。数值计算非淹没丁坝附近三维水沙流动，计 算结果与试验结果比较表明，所建立的数学模型能准确地模拟丁坝附近的自由水面和流场。污染物在丁坝附近的 扩散模拟显示了丁坝后的回流区减慢了污染物浓度的衰减，丁坝附近水流的湍动使得冲淤条件下污染物悬沙吸附 量和溶解态浓度明显增大。 关键词：体积比函数；丁坝；浑水；污染物；水质；数学模型 文献标识码：A 文章编号：1001-6791(2009)03m366-cr7 中图分类号：TVl43；X82 受纳污染物的天然水体中泥沙与水流共同成为污染物的主要载体，泥沙运动状态和吸附特征的变化直接关 系到水体中污染物的含量，因此，用浑水水质模型研究水污染能体现污染物溶解态和吸附态之间的紧密联系， 水污染实际状况能得到体现。在考虑泥沙影响的研究中，Thomas等引入一系数表示沉降及冲刷再悬浮过程的 影响…1，这样的模型将泥沙运动的各种过程用一个状态参数表述，不能反映泥沙运动变化对污染物扩散的影 响。褚君达【2J引入颗粒相污染物，考虑了底泥冲刷、沉降及再悬等因素的影响，导出一维水质模型。何用b．4J 将溶解态和吸附态污染物作为一整体，推出二维泥沙污染水质模型及一维重金属迁移转化模型。禹雪中【5J在分 动力学中床沙悬沙交换理论。结合泥沙吸附污染物的状态建立二维模型。设置丁坝是传统和有效的治河方法， 丁坝附近水流三维特性明显，存在局部冲刷和淤积一J。这种情况下，上述一维或二维模型研究水污染将带来一 定误差，故有必要开发三维模型。此外，天然水体的流动都属自由水面流动，过去多以刚盖假定…8处理自由水 面，所得的流场与实际流场有较大差别，在此基础上污染物扩散过程的模拟误差必然也较大。本文采用两相流 offluid)方法建立水沙模型。考虑泥沙对污染物的动态吸附解 中求解自由水面流动的体积比函数vOF(volume 吸、床沙冲刷再悬等过程的作用，建立污染物三维瞬态浑水水质模型，数值模拟非淹没丁坝附近三维水沙流 动，研究河床冲淤、丁坝三维流场及污染物吸附、解吸速率系数对吸附态和溶解态污染物迁移扩散的影响。 1 模型推导 1．1 VOF水沙模型 收稿日期：2008删 05-0505) 作者简介：陈丽萍(1971一)，女，江苏淮阴人，副教授，博士研究生，主要从事水污染扩散模拟研究。 E-mail：dpjoy#sm．gore 万方数据 第3期 陈丽萍，等：丁坝浑水水流环境下污染物三维数学模型 367 气相体积比，则p=1一口，由质量守恒定律得出口和卢的微分方程[9]，用张量形式表示如下： 努+掣：o雾+掣：o (1) 式中下标Y、q分别表示液相、气相流体；％、％分别为液相、气相流体流速。 网格单元流速定义为液相水和气相空气体积的加权平均，即 蚴=口％+阢 (2) 将式(2)代入式(1)得口压缩性微分方程为 孕+掣+塑址毯单-二型：01．十 1 ．r 1 i 、．，，(3) 将a、p分别代入式(1)，相加得网格单元的连续性方程为 ．a-u