DB21∕T 2426-2015 污染事故影响数值预测分析技术规程.pdf

ICS 13.020.40 Z 01 DB21 辽宁省地方标准 DB 21/T 24262015 污染事故影响数值预测分析技术规程 Impact Analysis and Prediction Technique for pollution accident based on the numerical model 2015-2-17 发布 2015-4-17 实施 术监督局 发 布 DB21/T 2426-2015 I 前 言 本标准按照GB/T 1.1-2009标准化工作导则起草。本标准由辽宁省海洋水产科学研究院提出。本标准由辽宁省海洋与渔业厅归口。本标准主要起草单位：辽宁省海洋水产科学研究院。本标准主要起草人：王昆、王年斌、宋伦、吴金浩、马志强、张玉凤、宋永刚、田金、李楠、杨爽。本标准首次发布。DB21/T 2426-2015 1 污染事故影响数值预测分析技术规程 1 范围 本标准规定了基于数值模型的污染事故影响预测分析技术规程的术语、操作程序与技术方法。本标准适用于辽宁省管辖海域的污染事故影响预测分析。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB 3097 海水水质标准 GB 11607 渔业水质标准 GB/T 12763.2 海洋调查规范 第2部分：海洋水文观测 GB 17378.4 海洋监测规范 第4部分：海水分析 3 术语 下列术语适用于本标准。3.1 水动力数值模拟 将水动力学的实际问题抽象成满足其物理特征的典型偏微分方程组来描述的数学问题，并采用合适的离散方法对方程组进行数值求解的过程。3.2 污染事故影响预测分析 对特定海域已经发生的污染事故进行后期影响的预测、评估与分析的过程。3.3 污染物输运模型 在水动力学模拟的背景流场的基础上，建立以特征污染物浓度为主要未知量的对流扩散模型，模拟预测污染物入海后的浓度场实时分布状况。DB21/T 2426-2015 2 3.4 参数率定 利用已有历史数据或补测的海流、潮位以及化学检测分析浓度资料与模拟值进行比较，对数值模型中的参数进行调节确定的过程。3.5 源强 由事故引起的单位时间内污染物的排放量。4 方法与技术 针对不同海洋功能区海水水质标准 GB 3097与渔业水质标准 GB 11607 的要求，计算受事故影响的主要特征污染物浓度的超标范围。4.1 站位的布设原则 1)站位布设应均匀覆盖事故影响的研究海域，所获信息应代表和反映海域的基本环境特征；2)尊重历史，考虑历史站位的延续性；3)充分考虑海域周边的陆域环境特征和压力，对受污染事故影响和人类活动影响显著的区域需加密布设。4)充分考虑海域本身的环境特征和问题，如水动力环境特征、地形地貌特征等；5)关注沿海地区经济社会发展需求，在开发热点区、敏感区及邻近海域布设监测站位；6)以尽可能少的站位来获取尽可能多的环境信息，但一般不得少于 6 个。4.2 监测指标与方法 a)水动力要素：海流与水深,监测方法按照 GB/T 12763.2 规定执行；b)水质要素：营养盐浓度、事故发生处特征污染物指标的浓度,检测分析方法按照 GB 17378.4 规定执行。4.3 监测频率和时间 a)水动力要素：分四个季节，分别在大、小潮期每隔 1h 进行至少连续 25h 的准同步观测在转流时刻前后可每隔 0.5h 进行一次观测；b)水质要素：与水动力要素观测同步采样。4.4 数值模型 4.4.1 水动力数值方程 可采用笛卡尔坐标系下，不可压缩流体的连续性方程和动量方程：0=+zwyvxu DB21/T 2426-2015 3 2222()()hVduquuufvgdtxxxyzz=+2222()()hVdvqvvvfugdtyyxyzz=+2222()()hVdwqwwwdtzxyzz=+在水深方向上对连续性方程（1）进行积分得自由面方程：0=+hhvdzyudzxt 式中，h(x,y)为静水深；t 为时间；u、v、w 分别为 x、y、z 方向的流速；为水位；q 为水体动压值；f 为柯氏力系数；h、v为水平和垂直向的紊动粘性系数，推荐采用k双方程紊流模型来确定。紊流动能输运 k 方程：+=Gzkzykyxkxdtdkktktkt)()()(紊流特征量输运方程：kCGkCzzyyxxdtdttt221)()()(+=式中，k 为紊动动能；为紊动耗散率；k、分别为紊动动能 k 和紊动耗散率对应的 Prandtl数；1C、2C是经验系数；G 为紊动产生项。4.4.1.1 初始条件 u(x,y,t0)=u0(x,y)；v(x,y,t0)=v0(x,y)；(x,y,t0)=0(x,y)其中，u0、v0、0分别为初始流速和潮位，在海域流场计算中，初始条件与计算的最终结果无关。4.4.1.2 边界条件 固壁边界：给定法向流速为零的有滑移边界。在外海开边界处，给定潮位时间序列文件。可通过以下两种途径来获得：1)利用潮汐表直接查表换算；2)利用潮汐调和分析的方法，即开边界的水位为时间的调和函数：+=kkkkkkkkUVgtHf)(cos(地 式中，潮汐调和常数振幅与迟角可根据实测数据利用最小二乘法求出。有河流入海的情况，需要考虑感潮河段的流量，以流量边界的形式给出。DB21/T 2426-2015 4 在自由表面（z=）处：)(uuzuaTv=；)(vvzvaTv=式中，T是风应力系数，au、av分别为风速在 x、y 方向的分量。在底面（z=-h）处：uzuBv=；vzvBv=式中，B是底摩阻系数，根据湍流边界层理论：222nBcvug+=式中，nc是谢才系数，由曼宁公式1/61ncHn=计算，+=hH为总水深，n 为糙率，其值可取范围 0.0200.028。4.4.2 污染物输运模拟方程 以水动力学方程模拟出的流场为背景，为了查清事故污染物的影响程度与范围，利用对流扩散输运模型进行数值模拟，三维对流扩散方程为：MzCkxyCkyxCkxzCwwyvCxuCtCvhhs+=+)()()()()()(5)式中，C 为浓度；M 为源项；kh、kv分别为水平和垂直向的污染物扩散系数；ws为污染物的沉降速度，其值主要与海区及污染物的粒径有关。4.4.2.1 数值计算输入条件 入流边界按实测给定。出流边界：0=+nCutCn 式中，nu为边界的法向流速。DB21/T 2426-2015 5 在自由表面（z=）处：)()(CCCwwzCkTTTsv+=式中，T、T为表面处与 C 无关的物质交换系数，若自由表面处没有物质交换，则T=T=0。在底面（z=-h）处：)()(CCCwwzCkBBBsv+=+式中，B、B为底面处与 C 无关的物质交换系数，若底面处没有物质交换，则B=B=0。4.4.2.2 源强的确定 污染事故引起的主要排污口产生的点源源强根据排污口处特征污染物的浓度和排污量来确定，对于线源可概化成多个点源来进行等效计算。4.4.3 网格划分 对于计算域比较规则，地形变化比较平缓的区域，宜采用结构化四边形网格进行划分；对于边界岸线变化复杂、地形坡道变化比较大的计算区域，宜采用非结构化三角形网格对计算域进行划分，能够满足尽量真实的刻画计算域、与实际地形情况做到最大程度的吻合的要求；对于受事故影响较大的排污口位于湾顶及边界附近，需要在边界处对网格进行加密，提高精度和分辨细部也是主要靠网格的合理布置与加密来实现。4.4.4 离散格式 水动力学潮流场的水平和垂向数值模拟，推荐采用在垂向分层的空间交错棱柱形网格的基础上，采用有限差分与有限体积相结合的方法来离散求解。如果是河道、海湾以及浅海区域，可采用只分一层，即简化成二维模型来求解。输运方程的离散，采用半隐的一阶迎风有限体积法离散，同时为了避免施加额外的稳定性条件，这里采用子迭代方法在每个棱柱上对方程进行离散。4.4.5 动边界的模拟 对于潮滩，水陆交界的位置随着潮位的涨落时而淹没时而干出，动边界内网格节点的干湿变化宜采用限制水深法来进行处理，这里限制水深取0.3m。4.4.6 参数率定与模型验证 为了证明模型的准确性与稳定性，需利用4.14.3的实测资料或已有历史数据对模型进行验证与参数率定。取计算稳定后的典型潮时(如涨急、高潮、落急、低潮时)的潮位、海流或浓度的模拟值与实测值进行比较，获得能满足该海域实际物理特征的数值模型，用于后期的模拟与预报。DB21/T 2426-2015 6 4.5 计算结果与分析 通过上述模型的模拟计算，取浓度分布趋于稳定时一个典型潮周期内的的平衡浓度场，为了使结果表现更加地直观化、具体化与形象化，利用面向对象的编程技术或借助软件中提供的后处理程序工具将潮位、潮流、扩散浓度场等模拟结果进行多时间步动画演示，在说明了浓度场分布扩散趋势与流场二者之间相互关系的同时，也进行了污染物输运扩散路径与范围的预测分析，并附以相应的图表。4.6 超标范围确定 根据辽宁省海洋功能区划，对不同的海洋功能区，按 GB 3097、GB 11607 标准规定的限值，利用污染物扩散影响浓度分布场进行事故影响的污染面积计算，即超标准水质的包络线形成的面积，采用相关软件内部嵌套的命令流来求得，并附以相应的图表。注意事项：注意事项：标准中的数值模型是经过多个实际工程以及有解析解的算例验证得出的。附 录 A（资料性附录）污染事故影响数值预测分析技术规程计划框架图，见图 A.1.图A.1 污染事故影响数值预测分析技术规程计划框架图 _