模型介绍
针对研究渠段水工建筑物多、水动力复杂等特征，包含复杂水工建筑物的渠道一维水动力水质模型由水动力模块和水质模块组成，水动力模块是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组模拟渠道的水流状态，Saint-Venant方程组如下：
式中t、x分别为计算点时间和空间的坐标；A为过水断面面积；Q为过流流量；q为旁侧入流流量；a为动量校正系数；g为重力加速度；C为谢齐系数，与渠道糙率n和水力半径相关；h为水位，R为水力半径。
式中C为模拟物质浓度；u为平均流速；Ex为对流扩散系数；K为模拟无二致的一级衰减系数；x为空间坐标；t为时间坐标。
案例分析
本文以南水北调中线工程京时段供水工程西市-北拒马河段的输水渠道作为研究渠段，该渠道包含6座倒虹吸、2座节制闸、2座隧洞、2座涵洞、1座渡槽、2座分水口，以及跨渠桥梁等，共40座水工建筑物，能够较好地反应中线工程复杂水工建筑物影响下的水流特性。本研究从水力学角度考虑复杂建筑物下的水流特性, 考虑了不同类型污染物在渠道内的水环境特性, 将输水工程水动力模拟与突发污染事故下的水质模拟与预测相结合, 构建含有复杂水工建筑物的长距离输水工程的一维水动力水质模型，在阐述渠道水力过程的基础上, 考虑污染物的输移特性, 模拟9种不同工况下3种典型污染物的浓度变化过程, 根据不同污染物的特性,预测输水工程突发污染事故的污染物沿程分布规律和影响范围，结合干渠分水口、退水口、节制闸的布设情况,提出有效工程和非工程措施，为输水工程突发应急响应提供有力参考。
主要结论：(1) 本研究所构建的一维水动力水质模型能有效模拟复杂水工建筑物影响下的渠道水流与污染物输移特性。(2) 下车亭分水口的最大浓度与超过标准的时间随污染负荷与流量变化, 当污染负荷超过5 t时, 分水口浓度已超过Ⅱ类水标准, 无论上游来流量多少均应采取措施。(3)针对污染物特性, 提出不同的应急响应措施, 为保障中线工程输水水质安全提供依据。
相关成果
Tang, C., Yi, Y., Yang, Z., Cheng, X. 2014. Water pollution risk simulation and prediction in the main canal of the South-to-North Water Transfer Project. Journal of Hydrology, 519, 2111-2120.
Tang, C., Yi, Y., Yang, Z., Sun, J. 2016. Risk forecasting of pollution accidents based on an integrated Bayesian Network and water quality model for the South to North Water Transfer Project. Ecological engineering, 96, 109-116.