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44基于Delft3D污染物扩散模拟的城市湖泊景观水体三维形态循证设计Evidence-based Design for Three-Dimensional Form of Landscape Water Body of Urban Lake via Delft3D Pollutant Diffusion Simulation摘 要：针对长三角地区城市浅水湖泊面临景观水体污染物易于富集、难于扩散、水质较难保障的现实困境，阐述了以学科融合为基础的水体污染物扩散模拟与循证设计，提出地形作为水体形态的骨架对水动力条件的形成、湖泊水环境的改善起到关键性作用。
以常熟市琴湖为例，基于湖岸线、湖底地形、岛屿、堤坝等要素，提出2种平面形态和6种三维形态，通过Delft3D模型模拟的方法，分析比较不同三维形态下的流场特征，并输入实测数据得到20天后湖泊水深平均流速与污染物总氮(TN)扩散模拟结果。
研究发现：1)湖泊岸线与湖底地形变化通过流场影响污染物扩散；2)曲折度较大的岸线应尽量安排在水流的主方向上；3)岛屿设计应体量适宜、与岸线距离合适；4)长堤割裂湖体形态时，建议堤坝下部设置连通管道。
研究有助于筛选对水质保持有利的设计方案，也可为城市湖泊景观水体的循证设计提供一定的技术支撑与参考。
关 键 词：风景园林；城市湖泊；景观水体；三维形态；Delft3D；污染物扩散模拟；水生态Abstract: In response to the existing difficulty of the accumulation of pollutants and the maintenance of water quality in the shallow lakes in the Yangtze River Delta, this research clarified that the diffusion stimulation of water pollutants and evidence-based design based on inter-discipline, and proposed the critical role of terrain grading that shapes the configuration of water in influencing hydrodynamics and improving water environment of lakes. The research selected the Qin Lake in Changshu as case study. Based on the elements of the landform of lake bottom, shoreline, island and causeway, this research proposed 2 types of two-dimensional configurations and 6 types of three-dimensional configurations. By using the Delft3D software model, this research analyzed and compared different flow field characters, input the measurement data of TN, and stimulated the depth-averaged velocity and the pollutant diffusion after 20 days. This research found that: 1) the changes of a lake’s shoreline and bottom terrain can influence the pollutant diffusion via flow field; 2) more curvilinear shoreline should be arranged align with the main direction of water flow; 3) island design should pay attention to suitable size and distance to the shore; and 4) connection pipes should be set up in the bottom of causeway if the causeway divides the lake into parts. This research was beneficial to select better design alternative that helps water quality maintenance, and provided technical support and reference for the evidence-based design of landscape water of urban lakes.Keywords: landscape architecture; urban lake; landscape waterbody; three-dimensional configuration; Delft3D; pollutant diffusion simulation; water ecology弄概念”，甚至由于缺乏生态知识，导致所谓的“生态项目”陷入生态困境，徒有其名。
9.2.2大气污染物扩散的高斯模型模拟：可视化模拟点源大气污染的扩散9.2.2 Gaussian Atmospheric Dispersion Model突发性大气污染事故时有发生，对大气污染扩散进行模拟和分析，有利于减小事故的危害，减轻人员伤亡和财产损失。
高斯扩散模型是国际原子能机构(IAEA)推荐使用于重气云扩散模拟的数学模型,该模型在非重气云扩散的应用日益广泛。
高斯扩散模型是描述大气对有害气体的输移、扩散和稀释作用的物理或数学模型,是进行灾害预测和救援指挥的有力手段之一。
9.2.2.1高斯扩散模型高斯模型又分为高斯烟团模型和高斯烟羽模型。
大气污染物泄漏分为瞬时泄漏和连续泄漏，瞬时泄漏是指污染物泄放的时间相对于污染物扩散的时间较短如突发泄漏等的情形，连续泄漏则是指污染物泄放的时间较长的情形。
瞬时泄漏采用高斯烟团模型模拟，而连续泄漏采用高斯模型烟羽模型模拟。
高斯模型适用于非重气云气体，包括轻气云和中性气云气体。
要求气体在扩散过程中，风速均匀稳定。
在高斯烟团模型中，选择风向建立坐标系统，即取泄漏源为坐标原点，x轴指向风向，y轴表示在水平面内与风向垂直的方向，z轴则指向与水平面垂直的方向，具体公式见式(9.1):…………(9.1)其中：为泄漏介质在某位置某时刻的浓度值；为污染物单位时间排放量(mg/s);、、分别x、y、z轴上的扩散系数，需根据大气稳定度选择参数计算得到(m)；x、y、z 表示x、y、z上的坐标值(m)；u表示平均风速(m/s)；t表示扩散时间(s)；H表示泄漏源的高度(m)。
同理，高斯烟羽模型的表达式如：………………………(9.2)9.2.2.2 技术方法若用高斯模型算出空间每一个点在一个时刻的污染浓度，这个计算量是很大的。
因此所设计的系统一般都是采用先进行图层网格化，由高斯模型计算出有限个网格点的上的污染物浓度，在进行空间内插得到面上每一个点的污染物浓度，并由此得到污染物浓度的等值线。
污染物传输模型与模拟污染是人类社会所面临的重大环境问题之一，它严重地危害着自然环境和人类健康。
在制定有效的污染控制政策之前，需要了解污染物的来源、传输规律和去除过程。
传输模型与模拟是一种有效的手段，它通过数学方法描述和模拟污染物的传输过程，为环境保护和污染控制提供重要的技术支持。
一、传输模型传输模型指建立在物理、化学、生物等科学基础上的数学模型，描述污染物在环境介质中的传输与转化规律。
不同的污染物具有不同的传输规律，对应有不同的模型。
污染物的传输包括物理扩散、大气扩散、地下水流、溶质输移等过程。
传输模型可定量描述这些传输过程，并对环境污染进行定量分析和预测。
传输模型应用广泛，是环境科学、工程和管理的基础性方法。
二、污染物传输过程污染物传输过程是指污染物在环境中的空间和时间运移。
传输方式有多种，其中最常见的是对流传输和扩散传输两种。
1.对流传输对流是由流体流动引起的现象，它是污染物传输的主要形式之一。
对流传输是指污染物随环境流体一起运移，如河流、大气流动、地下水流等。
对流传输可以用一维和二维模型进行模拟和预测。
2.扩散传输扩散传输是指污染物在环境介质中，由于摩尔扩散、涡动扩散、分子扩散等机制将污染物分散传输的现象。
扩散传输对环境中的污染物的分布和浓度分布有重要影响。
扩散传输可以用一维、二维和三维模型进行模拟和预测。
三、传输模型分类传输模型可以分成物理模型、统计模型、分析模型等。
其中，物理模型是一类以物理定律为基础的模型，如流体力学、热力学、动力学模型等；统计模型则依据大量统计数据和趋势来建立，如回归分析、时间序列分析、统计回归等；分析模型则是建立在基本物理和化学规律的基础上，通过分析各种因素的作用，建立数学方程来描述污染物的传输与转化。
四、传输模拟传输模拟是指使用传输模型对污染物在环境中的传输过程进行模拟，预测其分布和影响范围。
传输模拟有助于了解污染物来源和传输途径，为环境保护和污染控制提供了技术支持。
大气污染物迁移与扩散模拟模型近年来，随着工业化的迅猛发展，大气污染问题成为世界各国共同面临的挑战。
大气污染物的迁移与扩散模拟模型的研究，对于理解和预测大气污染物的传播路径和浓度分布具有重要意义。
大气污染物的迁移与扩散过程受到多种因素的影响，包括气象条件、地形地貌和污染源的特征等。
为了将这些复杂情况模拟并预测大气污染物的迁移与扩散，研究者们开发了各种模拟模型。
在大气污染物迁移与扩散模拟模型中，气象条件起着重要的作用。
气象因素如风速、风向和大气稳定度可以直接影响污染物的传播路径和浓度分布。
通过使用气象数据，可以对大气污染物的迁移与扩散进行预测和模拟。
此外，地形和地貌也对大气污染物的传播具有重要影响。
地形中的山脉、山谷和河流等地貌特征会影响风的流动，从而改变污染物的传播路径和浓度分布。
通过对地形和地貌的建模，并与气象数据结合，可以更准确地模拟大气污染物的迁移与扩散过程。
污染源的特征也是影响大气污染物迁移与扩散的重要因素。
不同污染源的类型和排放强度将影响污染物在大气中的浓度分布。
对于不同类型的污染源，研究者们利用不同的排放模型进行模拟和预测。
通过与实际监测数据进行对比验证，可以提高模拟模型的准确性。
在大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究中，数学模型和计算机模拟技术起着核心作用。
利用数学和物理方程来描述气象条件、地形地貌和污染源的特征，再结合计算机模拟技术进行模拟计算和预测。
这些模型可以提供各种研究大气污染问题的工具和方法。
近年来，随着计算机性能的提升和数据获取的便捷，大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究也得到了迅猛发展。
研究者们不断改进和完善模型，提高其预测准确性和适用性。
同时，也将模型与实际监测数据相结合，对模拟结果进行验证和修正，以提高模拟模型的可靠性。
大气污染物迁移与扩散模拟模型的研究对于环境管理和政策制定具有重要意义。
通过预测和模拟大气污染物的传播路径和浓度分布，可以为各国政府提供科学依据，制定相关政策和措施来减少大气污染。
河道整治工程中悬浮物输移扩散数值模拟研究李晓凌;吴从林;张长征【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2013(000)0z1【摘要】在河道整治工程的施工过程中，抛石、河道疏浚等活动会引起河道中悬浮物浓度的增加，并可能对施工区内的取水口等环境敏感点产生不利影响。
以南京市区八卦洲河段河道整治工程为对象，采用MIKE21水动力和对流扩散模型对河道整治工程主要施工活动产生的悬浮物的影响程度和范围进行了预测。
结果表明，疏浚工程施工引起河道中悬浮物浓度增量最高可达25 mg/L，抛石工程仅2 mg/L 左右。
在模拟区域，疏浚和抛石活动引起悬浮物浓度增加0．5 mg/L以上的范围分别为3．06 km2和0．24 km2。
同时，通过模型对由施工活动导致的取水口附近河道悬浮物浓度的增量进行了定量分析，以及施工活动对取水口等环境敏感点的影响，可为相关部门科学合理地设置水环境保护措施提供依据。
【总页数】4页(P82-85)【作者】李晓凌;吴从林;张长征【作者单位】长江勘测规划设计研究院环境公司，湖北武汉430010;长江勘测规划设计研究院环境公司，湖北武汉430010;长江勘测规划设计研究院环境公司，湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TV85【相关文献】1.爆破挤淤产生的悬浮物在潮流作用下的输移扩散研究 [J], 娄海峰2.疏浚土吹填泥沙输移扩散数值模拟研究及应用 [J], 李蓓3.长江口污染物输移扩散影响因素的数值模拟研究 [J], 曹帅4.阳澄西湖围堰施工中悬浮物输移扩散数值模拟 [J], 汪静娴;孟玉生;逄勇;徐博文;吴为5.爆破挤淤产生的悬浮物输移扩散模拟研究 [J], 黄惠明;王义刚;孙思源;尚进因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
大气污染物扩散传输过程的仿真模拟方法研究近年来，大气污染问题引起了广泛关注。
随着城市化进程的加快和工业化的不断发展，大气污染物的排放量不断增加，对空气质量和人民健康产生了严重的影响。
为了更好地理解和控制大气污染物的扩散传输过程，研究人员广泛应用仿真模拟方法，以获取关键的数据和模型参数。
一种常用的仿真模拟方法是数值模拟。
通过建立大气流动方程、扩散传输方程和反应动力学方程，可以计算和模拟大气中污染物的扩散和转化过程。
数值模拟方法可以根据实际情况灵活地选择不同的模型和参数，对不同的大气污染事件进行精确的模拟。
在进行数值模拟之前，研究人员首先需要收集基础数据，如大气气象数据、污染物排放数据等。
这些数据对于建立模型和确定模拟方法至关重要。
通过现场观测、监测设备和遥感技术，可以获取与大气污染相关的各种数据。
而这些数据的准确性和全面性对于模拟结果的准确性也具有决定性的影响。
除了数值模拟方法，研究人员还常常利用物理模型进行仿真模拟。
物理模型是对大气污染物扩散传输过程现象的物理逻辑和规律的概括和描述。
通过观察和实验，研究人员可以建立各种物理模型，进而对大气污染物的扩散传输过程进行仿真。
物理模型不仅可以为研究人员提供直观的结果，还能够帮助他们理解大气污染物的行为和影响因素。
此外，计算机模拟也是研究大气污染物扩散传输过程的常用方法之一。
通过编写计算机程序，并结合相关的模型和参数，可以对大气污染物的扩散和传输进行模拟。
计算机模拟方法具有高度的可重复性和灵活性，可以模拟不同情境下的大气污染物扩散传输过程，并对结果进行分析和比较。
在进行大气污染物扩散传输仿真模拟时，研究人员还需要考虑区域特征和环境因素。
由于不同地区的气候、地形、人口密度等因素的差异，大气污染物的扩散传输也存在很大的差异。
因此，在进行模拟研究时，需要综合考虑这些因素，以获取更准确和适用的模拟结果。
总之，大气污染物扩散传输过程的仿真模拟方法研究对于更好地理解和控制大气污染具有重要的意义。
[收稿日期] 2007-10-08[作者简介] 马 莉(1983-),女(满族),辽宁沈阳人,硕士,研究方向为环境水力学;王 军(1962-),男,安徽天长人,教授,硕士,研究方向为河冰水力学;陶月赞(1964-),男,安徽巢湖人,教授,博士,研究方向为水环境与水资源;孙晓艳(1981-),女,辽宁沈阳人,硕士.淮河淮南段污染物扩散输移的数值模拟马 莉,王 军,陶月赞,孙晓艳(合肥工业大学土木与建筑工程学院,合肥 230009)[摘 要] 以淮河流域水污染主要指标氨氮、C ODcr 模拟淮河干流淮南段水质状况,结合排污口的实测资料,运用S MS (Surface -water M odeling System )软件中平面二维有限元水动力学模型RM A2和RM A4模块建立淮河淮南段的水流水质模型,并对模拟结果进行了验证和分析,同时还对研究河段进行了限量排污讨论,为水环境保护和可持续发展提供依据和参考。
[关键词] 淮河;S MS ;有限元法;数值模拟[中图分类号] T V21 [文献标识码] A [文章编号] 1006-7175(2008)02-0141-03Numerical Simulation of Pollutant Diffusion and Transportationof H uai River in H uainanMA Li ,WANGJun ,T AO Y ue -zan ,S UN X iao -yan(C ollege of Civil Engineering ,Hefei University of T echnology ,Hefei 230009,China )Abstract :Based on the main pollution index NH3-N 、C ODcr and the m onitoring data of discharge out 2lets on the rivers ,the paper simulates the water quality of the mainstream of Huai River in Huainan with tw o -dimensional finite element numerical m odel RM A2and RM A4in S MS s oftware ,validates and analy 2ses the com puted results ,then discusses the control of water pollution ,in order to provide scientific date and qualitative consult for water environment protection and sustainable development.K ey w ords :Huai River ;S MS ;finite element method ;numerical simulation S MS 即Surface Water M odeling System ,是一维、二维和三维水文建模的综合环境,是地表水模拟系统分析的预处理和后处理平台。
本文以S MS 软件中RM A2模块进行淮河淮南段的流速场模拟,在RM A2研究基础上运用RM A4模块进行水质场模拟,并对沿岸污染物排放进行了限量排污讨论,为淮河淮南段的水资源保护提供依据和参考。
1 RMA2和RMA4模块简介RM A2模块是二维水深平均的基于有限元法的水力学模型。
它以雷诺形式的N -S 方程为基础,用于计算平面二维亚临界及自由表面流场的水位、水深及平面流速等[3]。
RM A4模块是水平扩散输移的水力学模型。
它以RM A2模块的计算结果为基础,它可对于河道中保守物质和非保守物质的扩散输移进行评价[4]。
2 研究区域状况和网格的生成淮河是国家重点治理水污染的“三河三湖”之一。
淮河蚌埠闸以上的河段又是其中的焦点。
本文以蚌埠闸以上从淮南公铁大桥至田家庵断面为研究区域,全长约15km 。
该区域的水质状况主要受上游主要支流颖河及沿河排污口的影响。
其中沿河排污口主要有淮南姚家湾排污口和老龙王沟排污口,分别表示为排污口1和排污口2。
模型的的离散采用有限元法,离散格式采用隐格式,采用无结构6结点三角形网格。
自行读取计算区域的x ,y ,z 坐标,得散点图,将计算区域进行网格划分,生成无结构6结点三角形网格[5],该计算区域共生成3633个三角形单元,7754个结点。
生成单元格质量较好。
计算区域和网格图见图1。
—141—图1 计算区域及网格图3 模型的边界条件和参数的确定3.1 边界条件的确定计算模型的边界条件由实测资料[6]给定,数据由安徽省水文局提供。
边界条件:模型计算中,闭边界采用自由滑移边界条件。
以2004年7月18～26日为模拟时段,流量和水位作为上、下游的开边界条件,上游取流量过程线,下游取水位过程线。
水质模拟上游边界取氨氮及C ODcr 浓度过程线。
公铁大桥流量变化过程和田家庵水位变化过程分别见图2、图3。
图2 公铁大桥流量变化过程图3 田家庵水位变化过程3.2 参数的确定3.2.1 曼宁系数n 的确定一般河道情况采用的曼宁n 值约为0.015～0.05,仍得视不同河床质与高滩地或主深槽而定。
本文最后确定模型的糙率值为0.025。
3.2.2 Peclet 数的确定Peclet 数反映紊流涡流粘度,Peclet 数和涡流粘度呈反比,RM A2建议Peclet 数的取值范围为10～50[3],本文取系统默认值20。
3.2.3 扩散系数的确定根据泰勒(T aylor )理论,污染物在河流中的扩散系数E 是拉格朗日长度尺度与湍流强度的乘积。
本文通过估算并查阅相关资料[7],最后确定模型的参数值为:纵向扩散系数100m 2/s ;横向扩散系数20m 2/s 。
3.2.4 降解系数的确定根据对淮河多年监测值[6],氨氮的率定降解系数为0.139(L/d ),C ODcr 为0.104(L/d )。
4 模拟结果与讨论4.1 模拟方法模拟方法采用热启动法,热启动法记录模拟计算终止时最后一刻的“状态”。
本文以淮河2004年7月18～26日为模拟时段,设定热启动文件。
4.2 模拟结果与分析本文先以7月18～19日进行模拟,取公铁大桥和田家庵断面的监测数据[6]。
沿岸排污口1、2为连续排污,排污流量分别为1.534m 3/s 、0.874m 3/s 。
排放氨氮浓度、C ODcr 浓度分别为46.9mg/s 、109mg/s ;20mg/s 、105.1mg/s 。
模拟结束后,采用热启动方式继续模拟其他时段值。
将模拟值和实测值比较,比较结果见表1,图4,图5。
表1 2004年7月田家庵断面污染指标实测值和模拟值比较采样点月日氨氮/mg ・L -1CODcr /mg ・L -1实测值模拟值相对误差/%实测值模拟值相对误差/%田家庵断面718 4.48 4.827.622.321.9-1.8719 6.24 5.98-4.239.928.0-29.0720 6.967.20 3.435.326.0-26.0721 6.80 6.50-4.419.719.4-1.57228.007.40-7.529.728.8-3.07238.407.80-7.137.840.0 5.87265.046.2023.027.629.15.4图4 氨氮浓度实测值与模拟值比较图5 C ODcr 浓度实测值与模拟值比较 由上述计算成果和对比分析,在目标河段上,应用水质二维稳态模型是可行的。
氨氮和C ODcr 值在变化趋势上一致。
污染物浓度在洪水起始阶段增加,随水流向下推移有所好转,在7月21日达到波谷。
21日以后污峰再次来临,污染物浓度又继续回升,23日以后水质又有所好转。
水质产生以上变化的原因分析如下:起初降雨在汇—241—集入河过程中,将闸坝河道内储存的污水、河道内沉积的底泥冲刷入河,面源污染影响较大,增加了河水的污染负荷。
因此在汛初期污染物浓度随时间的推移有增大的趋势;流量逐渐稳定后,一定水力下可冲刷的积存污染基本解决,入河污染主要为相对稳定的点源排污,降雨汇入就起到了稀释作用,污染物浓度随之降低。
此外,由上图可见,C ODcr 浓度和氨氮浓度的预测产生了一定的偏差。
分析误差产生的原因,大致与以下两因素有关:(1)水质变化起伏较大,此时受监测密度所限,有时可能导致污峰漏测。
(2)河段的流量采用的是上游鲁台子的断面实测流量来代替的。
而且,断面的流量和水位污染物浓度随时间变化较大,因此有可能造成水体到达下断面的预测时间有一定的误差。
4.3 关于限量排污的讨论根据《安徽省水功能区划》规定,田家庵断面的水质管理标准为Ⅳ类,根据《地表水环境质量标准》(G B3838-2020),即田家庵断面的氨氮、C ODcr 水质目标分别为1.5mg/L 、30mg/L 。
由以上预测值和实测值可见,淮南田家庵断面氨氮浓度严重超标,应对上游氨氮排放量和沿岸排污口排放的污染物浓度严格限制。
本文以2004年7月19日实测值假设作为淮河淮南段丰水期的特征值,对沿岸排污口排放的污染物浓度加以讨论。
丰水期,假设上游氨氮浓度达标为0.2mg/L ,由于姚家湾排污口和老王沟路排污口较近,假设均以姚家湾排污口排放,流量为两者叠加2.408m 3/s 。
(1)假设排污口排放污水浓度为200mg/L ,排污12h 稳定,模拟得田家庵断面浓度为1.53mg/L ,超过国家Ⅳ类水标准。
断面浓度分布见图6。
(2)降低排污口浓度至180mg/L ,排污12h 稳定,模拟得田家庵断面浓度为1.40mg/L ,满足Ⅳ类水标准。
断面浓度分布见图7。
图6 排污口浓度为200mg/L 时断面浓度分布图7 排污口浓度为180mg/L 时断面浓度分布 由此可见,在上游水质达标的情况下,应严格控制污染物的岸边排放,在污水排放入淮河前进行污水处理,将其浓度降至180mg/L ,以使田家庵断面达到Ⅳ类水质标准。
[参考文献][1]Prasada Rao.A Parallel RM A2M odel for S imulating Large-scale Free Surface Flows[J ].Environmental M odelling &S oftware ,2005,(20):47-53.[2]Aaron A.Jennings.M odeling Sedimentation and Scour inSmall Urban Lakes [J ].Environmental M odelling &S oft 2ware ,2003,(18):281-291.[3]《USERS G UI DE T O RM A2WES VERSI ON 4.5》,U.S.Army ,Engineer Research and Development Center Water 2ways Experiment S tation C oastal and Hydraulics Laboratory [Z].2001.[4]《USERS G UI DE T O RM A4WES VERSI ON 4.5》,U.S.Army ,Engineer Research and Development Center Water 2ways Experiment S tation C oastal and Hydraulics Laboratory [Z].2001.[5]Brigham Y oung University.Surface -water M odeling SystemVersion8.1[Z].“User ’s G uide ,”2004.[6]水利部淮河水利委员会水文局.河流水质水量综合评价方法研究送审稿[R ].合肥:淮河水利委员会水文局,2004.13-30.[7]吴舜泽.全国地表水环境容量核定技术复核大纲[Z].北京:中国环境规划院,2004.48-49.—341— 马 莉,等:淮河淮南段污染物扩散输移的数值模拟第2期。
