Численное моделирование нестационарных течений и качества воды в открытых руслах : Решение прямой и обратной задач

• Автор: Семчуков, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 25.00.27
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 155 с. : ил.

1. Расчет течения воды в реке

1.1.Постановка задачи

1.2.Схематизация русла и построение разностной схемы

1.3.Численная реализация

1.4.Расчет влияния суточного регулирования расхода Новосибирской ГЭС на режим работы водозаборов г. Новосибирска

2. Решение прямой задачи о качестве воды в реке

2.1 .Постановка задачи

2.2.Расчет теплового режима реки

2,З.Численная реализация

2.4.Пример расчета

3. Решение обратной задачи о качестве воды в реке

3.1.Постановка задачи
3.2.Метод решения
3.3.Результаты модельных расчетов
Заключение
Список литературы

В настоящее время реки являются основным источником водоснабжения для значительной части населения России, здоровье которого существенно зависит от качества речной воды. Существующие методы ее очистки не всегда достаточно эффективны, особенно в случае непредвиденного залпового сброса загрязняющих веществ. Поэтому большое значение имеет контроль качества речной воды и, в том числе, определение интенсивности сброса загрязняющих веществ отдельными точечными источниками, представляющими наибольшую потенциальную опасность. При этом необходимо учитывать, что точки контроля, в которых производятся замеры параметров качества воды, зачастую находятся на значительном удалении от наиболее важных источников загрязнения. В этом случае, приходится решать обратную задачу, учитывающую сложный нелинейный механизм трансформации и взаимодействия различных примесей, а так же перенос примесей нестационарным потоком, массообмен с дном и атмосферой, поступление примесей с водосборного бассейна.
Методам решения обратных задач математической физики посвящена обширная литература. Обзор таких методов можно найти, например в [10, 17, 19, 20,37,66, 70].
Несмотря на всю видимую практическую важность данной обратной задачи, ей уделяется недостаточное внимание. Например, в работах [41, 59, 64] задача об определении интенсивности поступления примеси от точечного источника в реку по наблюдениям в расположенном ниже створе решается в стационарном случае, то есть в предположении посто-

янной интенсивности источника, постоянных во времени параметров течения и распределения примесей вдоль течения реки, в том числе в [41, 64] задача решается только для отдельной примеси, без учета ее возможного взаимодействия с другими примесями.
Наиболее близкими к данной задаче являются задачи управления качеством воды, где ставится цель регулирования интенсивности выброса загрязнения промышленными предприятиями в речной бассейн, с тем, чтобы достичь приемлемого уровня загрязнения при минимальных экономических затратах, или наоборот, минимизировать экономические затраты при сохранении приемлемого уровня загрязнения [15, 44, 59, 71, 73, 79]. Стоит упомянуть также задачу об определении интенсивности поступления загрязняющих и биогенных веществ с водосборного бассейна (неточечный, или диффузный источник) по данным измерений в реке [35] и задачу об определении интенсивности поступления взвеси [85], а также задачу об идентификации местоположения источников загрязнения [81].
Решению задачи по определению интенсивности источников поступление примеси в атмосферу посвящено большое количество работ (см., напр. [30, 39, 40, 42, 43]).
Во всех упомянутых работах интенсивность источника, как правило, предполагалась постоянной во времени.
Однако, предположение о постоянной интенсивности источника загрязнения неприемлемо в случае мониторинга залповых и аварийных сбросов, а предположение о почти стационарности течения в реке не приемлемо для нижних бьефов ГЭС (как показано в главе 2 данной работы), где расход воды может несколько раз многократно изменяться в течение суток при внутрисуточном регулировании выработки электроэнергии, особенно в период зимней межени, когда имеет место экономия воды в водохранилище. Расчет неустановившегося течения в нижнем бьефе ГЭС

полынья, возникающая вследствие работы ГЭС, а к середине марта этот участок реки полностью очищается ото льда. Относительно северной границы города этого нельзя сказать с полной уверенностью, и, следовательно, в холодное время года там нельзя использовать модель течения, не учитывающую наличие ледового покрова.
Поэтому пришлось отказаться от рассмотрения некоторых незначительных городских водозаборов, расположенных ниже по течению от водного поста. Из оставшихся водозаборов в данной серии расчетов выбраны 2 наиболее критичных по уровенному режиму, а именно: правобережный ковшевой водозабор, расположенный в 1 км от плотины и осуществляющий водоснабжение части Советского района (далее обозначаемый как водозабор № 1), и левобережный ковшевой водозабор, расположенный в 12 км от плотины и осуществляющий водоснабжение левобережной части города (далее обозначаемый как водозабор № 2).
Всего в местах наибольшего сужения / расширения и наибольшей / наименьшей глубины был выбран 21 базисный створ, включая входной и выходной. Для каждого базисного створа было выбрано несколько (от 4 до 8) отметок уровня в балтийской системе высот, для каждой из которых была найдена ширина русла. Хотя вычислительная программа позволяла задавать отметки уровня с произвольным шагом, все они задавались с постоянным шагом в 1 м.
Данные о геометрии русла были получены на основе материалов водных изысканий, выполненных в маловодном 1988 году, а привязка уровней свободной поверхности к Балтийской системе высот (БС) была осуществлена с помощью профиля уровня свободной поверхности р. Оби при установившемся течении с постоянным расходом на ГЭС 1300 м3/с. (норма для обеспечения судоходных глубин) для того же года. Такой рас-