Delft3D对污染物的扩散输运计算

应用水动力数学模型对江苏省如东县小洋口附近海域水质因子COD进行扩散场的模拟。模型采用正交曲线网格对整个计算区域进行剖分,对大、小潮情况下的流速、潮位及扩散场进行了研究,并利用排放口附近的现场实测水文资料进行验证。结果表明：水动力模拟结果与实测资料吻合较好,

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Delft3D对污染物的扩散输运计算朱宇新(河海大学海洋学院，江苏南京 210098)摘要：应用水动力数学模型对江苏省如东县小洋口附近海域水质因子 COD进行扩散场的模拟。模型采用正交曲线网格对整个计算区域进行剖分，对大、小潮情况下的流速、潮位及扩散场进行了研究，并利用排放口附近的现场实测水文资料进行验证。结果表明：水动力模拟结果与实测资料吻合较好，在大、小潮时各个阶段中，流速与流向对 COD的迁移扩散起着决定作用，且小潮落憩时刻污水的影响范围最大。关键词：正交曲线网格；COD;扩散输运；深度平均

在我国海洋水质监测中，通常以 COD代表海水中有机物的耗氧量，本文选用此因子进行模型的构建，用潮流场作用下污染物的对流-扩散方程进行污染物输运、扩散过程的研究。研究区域地处江苏省中部，东经 120°56',北纬 32°36'附近，东临黄海，南近长江口。 4排污口设在小洋口附近，排海污水日排放量约为 2×10 m3[1]。由于排污口所在海域形成的混合区，不能影响邻近功能区水质，排放口海域其水质需维持《海水水质标准》 (GB3097-1997)中第Ⅲ类标准之内，所以需要预报污染物排放的分布情况并分析污水排放对纳污水体的影响。

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数值模拟方法

水动力模型采用荷兰Delft水力研究院的Delft3D模型。该模型可以模拟在海岸、河流、河口地区的浪、潮、流、水质、生态以及泥沙输运过程，并包含有前处理模块(网格生成。 RGFGRID、数据插值QUICKIN)和数据的后处理模块[2](Post-Processing,简称GPP) 1.1平面二维水流、水质模型为了研究污水排放中污染物的扩散及COD的分布情况，使用Delft3D模型的二维水动力模块对南黄海的流速和潮位进行模拟。采用东中国海大范围数学模型导出开边界处的潮位，通过插值给出本文网格开边界的边界条件。水动力模块建立在Navier-Stokes方程的基础上，应用了浅水简化，采用交替方向法(ADI)对该坐标系下的控制方程进行离散求解[2]。在正交曲线坐标系ξ η下，二维潮流运动连续性方程、动量方程和质量守恒方程以及对流-扩散方程可分别表示如下：沿水深积分的连续方程

[(d+ξ )U Gηη] [(d+ξ )V Gξξ] 1 1++=0 t ξ η Gξξ Gηη Gξξ Gηη

(1)

应用水动力数学模型对江苏省如东县小洋口附近海域水质因子COD进行扩散场的模拟。模型采用正交曲线网格对整个计算区域进行剖分,对大、小潮情况下的流速、潮位及扩散场进行了研究,并利用排放口附近的现场实测水文资料进行验证。结果表明：水动力模拟结果与实测资料吻合较好,

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ξ和η方向的动量方程 Gξξ U U U V U UVω U++++ t Gξξ ξ Gηη η d+ξ σ Gξξ Gηη η V2 Gξξ Gηη Gηη ξ fV= 1

ρ 0 Gξξ

1 U (V0 )+ Mξ Pξ+ Fξ+ 2 σ (d+ξ ) σ

(2)

Gηη V U V V V UVω V++++ t Gξξ ξ Gηη η d+ξ σ Gξξ Gηη

η U2

Gξξ η

Gξξ Gηη

fU=

1

ρ 0 Gηη

Pη+ Fη+

1 U (V0 )+ Mη 2 σ (d+ξ ) σ

(3)

对流-扩散方程

C C 2C C 2C vη vξ+ Dη= Dξ 2 2 η ξ t η ξ

(4)

其中：Gξξ, Gηη为直角坐标系与曲线坐标系的变换系数；U,V分别为ξ和η方向上的平均流速； f为柯氏力系数； Fξ, Fη分别为ξ和η方向上的紊动动量通量； Pξ, P分别为ξ和η

η方向上的水平压力梯度； Mξ, Mη分别为ξ和η方向上的动量的源或汇； 为参考水平面上的水深；d为参考水平面下的水深；Cξ为坐标ξ=ξ 0处的浓度； Dξ为ξ=ξ 0处的扩散系数； vξ为ξ=ξ 0处的流速[2]。0 0 0

由于计算海域存在著名的辐射沙洲地形，滩槽交错，地形底坡平缓，随着潮涨潮落，会交替出现淹滩与露滩的现象，因此，本文在水动力模拟中，采用“干湿”网格点法进行计算[3,4]

,用临界水深 Dc (0.1m)作为判断“干湿”的标准，即当水深大于 Dc时为淹滩，反之

为露滩。在对流-扩散中，规定流速为零的“干点”没有扩散；由于水动力的计算区域比较大，排污口距开边界较远，为了在计算过程中开边界不会对计算区域内的扩散有影响，所以规定开边界处没有扩散。 1.2模型及参数的选取所选取的计算区域(如图 1所示，采用北京坐标，单位：m)南北跨度约为 188km,其中虚线框所示区域为考虑污水扩散的特征区。对整个计算区域用正交曲线网格进行剖分，在排污口附近加密剖分，其中网格最小宽度为 250m左右，外海网格宽度相对较大，约 4200m,全部计算区域共生成 3123个曲线网格，3275个节点(如图 2所示)。

应用水动力数学模型对江苏省如东县小洋口附近海域水质因子COD进行扩散场的模拟。模型采用正交曲线网格对整个计算区域进行剖分,对大、小潮情况下的流速、潮位及扩散场进行了研究,并利用排放口附近的现场实测水文资料进行验证。结果表明：水动力模拟结果与实测资料吻合较好,

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