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三峡水库岸边水域水环境特性及承载能力研究

作　者: 刘昭伟
导　师: 陈永灿
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 三峡水库岸边 σ坐标分层模型水环境承载能力边坡倾角
分类号: X524
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

论文针对三峡库区岸边侧向排污的三维浓度分布特性以及“大水体、小排放”的难点,运用σ坐标变换和分层积分,并将流线迎风有限元、Edge-based有限元、面向对象有限元等方法有机结合,建立了σ坐标有限元分层模型。模型中嵌套网格和当地时间步长法的联合运用,解决了排污口模拟中数值传递不协调的问题,提高了模拟精度的同时加快了收敛速度。多种计算实例的结果表明,σ坐标分层模型能适应三峡水库具有自由水面、多变水下地形、复杂岸边界、岸边侧向排放等特点的水流水质模拟。论文首次定量研究了边坡倾角对天然河流岸边侧向排污的影响,得到了浓度计算的解析表达式,结果表明:①边坡倾角对污染物的浓度分布影响较大,浓度值随边坡倾角的增加而减小,近似遵循双曲线的递减规律。②给出了混合区计算模型选用的标准,即:边坡倾角大于30°时,排污口附近的浓度分布具有较强的三维特性,须选用三维数值模型进行计算。论文深入分析了三峡水库岸边水环境特性和水环境承载能力的变化。在确定了三峡库区允许混合区范围的基础上,计算了重庆主城区、涪陵区、万州区重要排污口在不同流量、不同水位、不同背景浓度等条件下的允许排污负荷;通过分析上下游排污口的相互影响,得到了库区排污口适宜布局的最小间距;最后,对三峡库区岸边水环境承载能力进行了计算和分析,明确了三峡工程对岸边水环境承载能力的影响:①三峡水库蓄水前,库区岸边水环境承载能力的季节性变化明显,但地域变化不大。②水库蓄水后,岸边水环境承载能力大幅度降低,其减小幅度在地域分布上为万州区最大,重庆主城区最小;在季节分布为枯水期减小幅度最大,丰水期最小。③三峡工程改变了库区水环境承载能力的时空分布。蓄水后,库区岸边水环境承载能力的地域分布由大到小依次为重庆主城区、涪陵区、万州区;承载能力的季节性变化由大到小依次为丰水期、平水期、枯水期。论文成果为三峡水库混合区计算模型的选取、混合区范围的估算以及排污口的选址等水环境保护和水环境动态管理工作提供了有力的技术支撑。

全文目录

第1章引言  10-30
  1.1 工程背景及研究意义  10-11
  1.2 污染混合区的研究现状及发展趋势  11-16
    1.2.1 解析方法  11-12
    1.2.2 经验公式  12-13
    1.2.3 室内模型试验  13
    1.2.4 现场观测  13-14
    1.2.5 数值模拟  14-16
  1.3 水库水环境承载能力及特征  16-20
    1.3.1 水环境承载能力的定义  16-18
    1.3.2 水环境承载能力的特征  18-20
  1.4 三峡水库水环境特性及水环境承载能力  20-29
    1.4.1 三峡水库水环境概况  20-22
    1.4.2 三峡水库水环境特性的适用模型分析  22-24
    1.4.3 三峡水库水环境承载能力的变化分析  24-29
  1.5 论文研究主要内容  29-30
第2章 σ坐标分层模型  30-45
  2.1 雷诺平均方程  30-31
  2.2 三维浅水方程  31-33
  2.3 σ坐标下浅水方程  33-38
    2.3.1 σ坐标系  33-35
    2.3.2 σ坐标下的浅水方程  35
    2.3.3 水平扩散项的转换  35-36
    2.3.4 σ坐标分层模型  36-38
  2.4 紊流模型  38-40
    2.4.1 水平紊动粘性系数  38-39
    2.4.2 垂向紊动粘性系数  39-40
  2.5 边界条件  40-43
  2.6 标量输移扩散方程  43-44
  2.7 本章小结  44-45
第3章 σ坐标分层模型的有限元离散  45-60
  3.1 σ坐标分层模型的时间离散  45-48
    3.1.1 控制方程的半隐格式离散  45-47
    3.1.2 速度-水深的预测校正法  47-48
  3.2 浅水方程的空间离散  48-55
    3.2.1 对流扩散方程的有限元离散  48-50
    3.2.2 流线迎风有限元法  50-52
    3.2.3 嵌套网格加密技术  52-55
  3.3 模型中的数值加速技术  55-57
    3.3.1 Edge-base 有限元法  55-56
    3.3.2 当地时间步长法  56-57
  3.4 面向对象有限元法及程序实现  57-59
  3.5 本章小结  59-60
第4章 σ坐标分层模型的验证计算  60-84
  4.1 梯形断面S 形明槽流动的模拟  60-65
  4.2 三峡水库涪陵磷肥厂污水排放的模拟  65-75
    4.2.1 涪陵磷肥厂排污口的原型观测  65-67
    4.2.2 模型参数的选择和计算网格  67-68
    4.2.3 流场的验证计算  68-71
    4.2.4 浓度场的验证计算  71-74
    4.2.5 分层数对污染混合区计算结果的影响  74-75
  4.3 三峡水库万州段污水排放的模拟计算  75-82
    4.3.1 污水排放的数值模拟结果  76-78
    4.3.2 模拟结果与观测数据的对比分析  78-82
  4.6 本章小结  82-84
第5章边坡对天然河流岸边排污的影响  84-105
  5.1 边坡对岸边排污影响的理论分析  84-94
    5.1.1 梯形域静止流体内瞬时线源扩散的浓度分布  85-86
    5.1.2 考虑边坡影响的连续源扩散的浓度分布  86-87
    5.1.3 考虑边坡影响的浓度分布公式的验证  87-94
  5.2 边坡对岸边排污影响的数值分析  94-104
    5.2.1 不考虑扩散系数变化的污染物浓度分布计算分析  94-98
    5.2.2 考虑扩散系数变化的污染物浓度分布计算分析  98-104
  5.3 本章小结  104-105
第6章三峡水库岸边水环境承载能力的计算与分析  105-137
  6.1 三峡水库污染混合区的控制指标及允许范围  105-107
  6.2 岸边侧向排污口允许排污负荷的计算方法  107-110
    6.2.1 允许排污负荷量计算的思路与步骤  107-109
    6.2.2 允许排污负荷量计算的数值试验  109-110
  6.3 三峡水库岸边水环境承载能力的计算与分析  110-135
    6.3.1 排污口的选择和计算工况的设计  110-113
    6.3.2 蓄水前主要排污口允许排污负荷的计算  113-121
    6.3.3 蓄水后主要排污口允许排污负荷的计算  121-129
    6.3.4 三峡水库排污口的适宜布局  129-133
    6.3.5 库区岸边水环境承载能力的分布及其变化分析  133-135
  6.4 本章小结  135-137
第7章结论  137-141
  7.1 论文主要成果及结论  137-139
  7.2 今后进一步工作  139-141
参考文献  141-150
致谢  150
声明  150-151
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  151-152
  个人简历  151
  发表的学术论文  151-152

三峡水库岸边水域水环境特性及承载能力研究

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