DB21T 2426-2015 污染事故影響數(shù)值預(yù)測分析技術(shù)規(guī)程　　

ICS13.020.40Z01DB21DB21/T2426—2015污染事故影響數(shù)值預(yù)測分析技術(shù)規(guī)程ImpactAnalysisandPredictionTechniqueforpollutionaccidentbasedonthenumericalmodel術(shù)監(jiān)督局發(fā)布IDB21/T2426-2015本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2009標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院提出。本標(biāo)準(zhǔn)由遼寧省海洋與漁業(yè)廳歸口。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位：遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：王昆、王年斌、宋倫、吳金浩、馬志強(qiáng)、張玉鳳、宋永剛、田金、李楠、楊爽。本標(biāo)準(zhǔn)首次發(fā)布。1DB21/T2426-2015本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于數(shù)值模型的污染事故影響預(yù)測分析技術(shù)規(guī)程的術(shù)語、操作程序與技術(shù)方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于遼寧省管轄海域的污染事故影響預(yù)測分析。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB3097海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB11607漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12763.2海洋調(diào)查規(guī)范第2部分：海洋水文觀測GB17378.4海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分：海水分析3術(shù)語下列術(shù)語適用于本標(biāo)準(zhǔn)。3.1水動(dòng)力數(shù)值模擬將水動(dòng)力學(xué)的實(shí)際問題抽象成滿足其物理特征的典型偏微分方程組來描述的數(shù)學(xué)問題，并采用合適的離散方法對(duì)方程組進(jìn)行數(shù)值求解的過程。3.2污染事故影響預(yù)測分析對(duì)特定海域已經(jīng)發(fā)生的污染事故進(jìn)行后期影響的預(yù)測、評(píng)估與分析的過程。3.3污染物輸運(yùn)模型在水動(dòng)力學(xué)模擬的背景流場的基礎(chǔ)上，建立以特征污染物濃度為主要未知量的對(duì)流擴(kuò)散模型，模擬預(yù)測污染物入海后的濃度場實(shí)時(shí)分布狀況。2DB21/T2426-20153.4參數(shù)率定利用已有歷史數(shù)據(jù)或補(bǔ)測的海流、潮位以及化學(xué)檢測分析濃度資料與模擬值進(jìn)行比較，對(duì)數(shù)值模型中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)確定的過程。3.5源強(qiáng)由事故引起的單位時(shí)間內(nèi)污染物的排放量。4方法與技術(shù)針對(duì)不同海洋功能區(qū)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB3097與漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB11607的要求，計(jì)算受事故影響的主要特征污染物濃度的超標(biāo)范圍。4.1站位的布設(shè)原則1)站位布設(shè)應(yīng)均勻覆蓋事故影響的研究海域，所獲信息應(yīng)代表和反映海域的基本環(huán)境特征；2)尊重歷史，考慮歷史站位的延續(xù)性；3)充分考慮海域周邊的陸域環(huán)境特征和壓力，對(duì)受污染事故影響和人類活動(dòng)影響顯著的區(qū)域需加密布設(shè)。4)充分考慮海域本身的環(huán)境特征和問題，如水動(dòng)力環(huán)境特征、地形地貌特征等；5)關(guān)注沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，在開發(fā)熱點(diǎn)區(qū)、敏感區(qū)及鄰近海域布設(shè)監(jiān)測站位；6)以盡可能少的站位來獲取盡可能多的環(huán)境信息，但一般不得少于6個(gè)。4.2監(jiān)測指標(biāo)與方法a)水動(dòng)力要素：海流與水深,監(jiān)測方法按照GB/T12763.2規(guī)定執(zhí)行；b)水質(zhì)要素：營養(yǎng)鹽濃度、事故發(fā)生處特征污染物指標(biāo)的濃度,檢測分析方法按照GB17378.4規(guī)定執(zhí)行。4.3監(jiān)測頻率和時(shí)間a)水動(dòng)力要素：分四個(gè)季節(jié)，分別在大、小潮期每隔1h進(jìn)行至少連續(xù)25h的準(zhǔn)同步觀測在轉(zhuǎn)流時(shí)刻前后可每隔0.5h進(jìn)行一次觀測；b)水質(zhì)要素：與水動(dòng)力要素觀測同步采樣。4.4數(shù)值模型4.4.1水動(dòng)力數(shù)值方程可采用笛卡爾坐標(biāo)系下，不可壓縮流體的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程：3DB21/T2426-2015在水深方向上對(duì)連續(xù)性方程（1）進(jìn)行積分得自由面方程：式中，h(x,y)為靜水深；t為時(shí)間；u、v、w分別為x、y、z方向的流速；η為水位；q為水體動(dòng)壓值；f為柯氏力系數(shù)；γh、γv為水平和垂直向的紊動(dòng)粘性系數(shù)，推薦采用k-ε雙方程紊流模型來確定。紊流動(dòng)能輸運(yùn)k方程：紊流特征量輸運(yùn)ε方程：式中，k為紊動(dòng)動(dòng)能；ε為紊動(dòng)耗散率；σk、σε分別為紊動(dòng)動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；C1ε、C2ε是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；G為紊動(dòng)產(chǎn)生項(xiàng)。4.4.1.1初始條件u(x,y,t0)=u0(x,y)；v(x,y,t0)=v0(x,y)；η(x,y,t0)=η0(x,y)其中，u0、v0、η0分別為初始流速和潮位，在海域流場計(jì)算中，初始條件與計(jì)算的最終結(jié)果無關(guān)。4.4.1.2邊界條件固壁邊界：給定法向流速為零的有滑移邊界。在外海開邊界處，給定潮位時(shí)間序列文件。可通過以下兩種途徑來獲得：1)利用潮汐表直接查表換算；2)利用潮汐調(diào)和分析的方法，即開邊界的水位為時(shí)間的調(diào)和函數(shù)：式中，潮汐調(diào)和常數(shù)振幅與遲角可根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)利用最小二乘法求出。有河流入海的情況，需要考慮感潮河段的流量，以流量邊界的形式給出。4DB21/T2426-2015式中，gT是風(fēng)應(yīng)力系數(shù)，ua、va分別為風(fēng)速在x、y方向的分量。在底面（z=-h）處：式中，gB是底摩阻系數(shù)，根據(jù)湍流邊界層理論：式中，cn是謝才系數(shù)，由曼寧公式H1/6計(jì)算，H=h+η為總水深，n為糙率，其值可取范圍0.020~0.028。4.4.2污染物輸運(yùn)模擬方程以水動(dòng)力學(xué)方程模擬出的流場為背景，為了查清事故污染物的影響程度與范圍，利用對(duì)流擴(kuò)散輸運(yùn)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，三維對(duì)流擴(kuò)散方程為：式中，C為濃度；M為源項(xiàng)；kh、kv分別為水平和垂直向的污染物擴(kuò)散系數(shù)；ws為污染物的沉降速度，其值主要與海區(qū)及污染物的粒徑有關(guān)。4.4.2.1數(shù)值計(jì)算輸入條件入流邊界按實(shí)測給定。出流邊界：式中，un為邊界的法向流速。5DB21/T2426-2015T為表面處與C無關(guān)的物質(zhì)交換系數(shù)，若自由表面處沒有物質(zhì)交換，則αT=βT=0。在底面（z=-h）處：B為底面處與C無關(guān)的物質(zhì)交換系數(shù)，若底面處沒有物質(zhì)交換，則αB=βB=0。4.4.2.2源強(qiáng)的確定污染事故引起的主要排污口產(chǎn)生的點(diǎn)源源強(qiáng)根據(jù)排污口處特征污染物的濃度和排污量來確定，對(duì)于線源可概化成多個(gè)點(diǎn)源來進(jìn)行等效計(jì)算。4.4.3網(wǎng)格劃分對(duì)于計(jì)算域比較規(guī)則，地形變化比較平緩的區(qū)域，宜采用結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分；對(duì)于邊界岸線變化復(fù)雜、地形坡道變化比較大的計(jì)算區(qū)域，宜采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，能夠滿足盡量真實(shí)的刻畫計(jì)算域、與實(shí)際地形情況做到最大程度的吻合的要求；對(duì)于受事故影響較大的排污口位于灣頂及邊界附近，需要在邊界處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，提高精度和分辨細(xì)部也是主要靠網(wǎng)格的合理布置與加密來實(shí)現(xiàn)。4.4.4離散格式水動(dòng)力學(xué)潮流場的水平和垂向數(shù)值模擬，推薦采用在垂向分層的空間交錯(cuò)棱柱形網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，采用有限差分與有限體積相結(jié)合的方法來離散求解。如果是河道、海灣以及淺海區(qū)域，可采用只分一層，即簡化成二維模型來求解。輸運(yùn)方程的離散，采用半隱的一階迎風(fēng)有限體積法離散，同時(shí)為了避免施加額外的穩(wěn)定性條件，這里采用子迭代方法在每個(gè)棱柱上對(duì)方程進(jìn)行離散。4.4.5動(dòng)邊界的模擬對(duì)于潮灘，水陸交界的位置隨著潮位的漲落時(shí)而淹沒時(shí)而干出，動(dòng)邊界內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的干濕變化宜采用限制水深法來進(jìn)行處理，這里限制水深取0.3m。4.4.6參數(shù)率定與模型驗(yàn)證為了證明模型的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，需利用4.1~4.3的實(shí)測資料或已有歷史數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與參數(shù)率定。取計(jì)算穩(wěn)定后的典型潮時(shí)(如漲急、高潮、落急、低潮時(shí))的潮位、海流或濃度的模擬值與實(shí)測值進(jìn)行比較，獲得能滿足該海域?qū)嶋H物理特征的數(shù)值模型，用于后期的模擬與預(yù)報(bào)。6DB21/T2426-20154.5計(jì)算結(jié)果與分析通過上述模型的模擬計(jì)算，取濃度分布趨于穩(wěn)定時(shí)一個(gè)典型潮周期內(nèi)的的平衡濃度場，為了使結(jié)果表現(xiàn)更加地直觀化、具體化與形象化，利用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)或借助軟件中提供的后處理程序工具將潮位、潮流、擴(kuò)散濃度場等模擬結(jié)果進(jìn)行多時(shí)間步動(dòng)畫演示，在說明了濃度場分布擴(kuò)散趨勢與流場二者之間相互關(guān)系的同時(shí)，也進(jìn)行了污染物輸運(yùn)擴(kuò)散路徑與范圍的預(yù)測分析，并附以相應(yīng)的圖表。4.6超標(biāo)范圍確定根據(jù)遼寧省海洋功能區(qū)劃，對(duì)不同的海洋功能區(qū)，按GB3097、GB11607標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定