【EDF開源CAE】使用TELEMAC-MASCARET模擬達特港水域污水溢流造成的細菌傳播過程

【EDF開源CAE】使用TELEMAC-MASCARET模擬達特港水域污水溢流造成的細菌傳播過程的圖1

TELEMAC-MASCARET是法國電力集團(EDF)的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法,使用不規則三角網格,讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D,2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性,水質污染,泥沙輸運和海床形態變化等問題,擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。

01

研究背景

達特港是位于英格蘭西南部德文郡的天然港口,屬于強潮灣。大潮期間的最大潮差可達5.2米,小潮期間最大潮差可達1.8米。達特港作為地區重要的旅游中心,盛產雙殼綱軟體動物(主要是太平洋牡蠣和貽貝),以這些貝類為主食材而制成的達特美食在當地食譜中存續了好幾個世紀。

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然而,近年來市政排水管網中的溢流污水(Sewage Overflows - SOs)已經對達特港水域的水質和水生生物繁衍產生了嚴重影響。
環境署監測當地水質,并于2013年發布通告稱“達特港水質不能達到國家規定的雙殼貝類養殖水域(bivalve mollusc production areas - BMPAs)的微生物含量指標(G Standard,以大腸桿菌作為指示微生物),長期污染使得此片水域生長的雙殼類軟體動物周身總積聚著微生物菌群。為實現2027年達特港水域G指標達標的計劃,當地水資源管理部門需要采取相應的污染修復措施。

在本研究中,TELEMAC-MASCARET軟件的主要用途就是通過對于不同的溢流條件和潮汐狀況的數值模擬,評估達特港污水溢流對貝類養殖水域水質產生的影響。

02

水力模型


   
在本次研究中,我們使用Telemac 3D建立了達特港口的三維水動力模型。
模型域大約在西經3.114o-3.726o和北緯50.08o-50.64o間,包括港口和相鄰沿海/近海水域,以便更好地模擬邊界條件。
通過 非結構化網格對域進行離散化,其中水平方向上有12054個節點和22429個元素,垂直深度方向上有10個等間距的層。
網格的細化程度隨空間而改變,近海岸處的分辨率較高,而遠海的網格較為粗糙(分辨率變化范圍為13~3843米)。
達特港的底部高程數據由英國環境、食物和農村事務部提供,潮汐模型方面利用俄勒岡大學的TPXO歐洲大陸架區域1/30o精度潮汐數據庫作為初始和邊界條件(包含11 個潮汐分量:M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1,M4, MS4 & MN4)。

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海洋部分邊界的溫度和鹽度在空間和時間上保持恒定(分別為12.2℃和35.1 kg/m3)。
考慮到達特港為淡水水域,達特河淡水輸入的溫度和鹽度分別為12.2℃和1.0 kg/m3的恒定值。
在水力模型中使用了非靜力Navier-Stokes方程,水平和垂直維度選用k-?湍流模型。考慮到底部摩擦,采用了Nikuradse定律,其中粗糙長度kx = 0.05,該值恒定并應用于整個計算域。數值模型的時間步長設定為1秒。
該模型從2015年12月1日開始為期兩個月運行,旨在捕捉達特港在不同潮汐階段的最高和最低流量。
下圖顯示了根據潮汐的模型計算結果,與英國水文局(UKH)的觀測和預測結果相比對。

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該模型很好地再現了大潮和小潮期間水位和水流速度的觀測結果,在幅度和相位方面表現出很高的擬合度。


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結語


     

在本文中,研究人員使用TELEMAC-MASCARET軟件模擬了達特港口溢流污水傳播大腸桿菌的過程,模型模擬了污水排放和潮汐條件的影響。結果表明,污染持續時間最長、河口大腸桿菌污染面積最大的情況發生在小潮和河流流量較低時。

該模型可構成了一種有效的預測工具,以便更好地表征溢流污水對當地水質的影響。在不久的將來我們也希望將其加以改進以用于研究氣候變化和人口增長對水質或微生物污染物管理的影響。而關于TELEMAC-MASCARET本身,我們也看到該軟件的多種計算方法選擇性和其不斷發展,適應工業需求,適應計算工具的新數值特性。
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  培訓時間    
2021年6月9日-11日  
報名截止時間:2021年6月8日  
本次培訓名額為30人,名額有限,報名從速。  
  培訓地點    
遠算培訓教室(杭州市西湖區千島湖智谷大廈)  
  擬定培訓內容    
  • TELEMAC-MASCARET軟件進行水動力以及波浪傳播的仿真方法指導
  • TELEMAC-MASCARET軟件進行水動力耦合波浪傳播仿真案例的上機實踐
  • TELEMAC-MASCARET軟件在工業領域的應用實例介紹
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