遼寧省鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬研究

宮興梅

(東港市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 東港 118300)

鐵甲水庫(kù)位于遼寧省丹東市振興區(qū)湯池鎮(zhèn)萬(wàn)寶村，地處鴨綠江支流柳林河上游，水庫(kù)占地2155.1hm2，總庫(kù)容2.56億m3，控制流域面積214km2，控制河道長(zhǎng)27.4km。湯池鎮(zhèn)地處東經(jīng)124°15′，北緯43°3′，位于東港市東北部，地處丹東市西郊。鐵甲水庫(kù)四周群山環(huán)繞，是以工農(nóng)業(yè)及生活供水為主，保證防洪，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚及旅游資源開發(fā)利用等綜合利用的大型水利樞紐工程。水庫(kù)作為民生飲用水源，由于自然環(huán)境污染，不同程度的泥沙淤積和管理體制的弊端，加之土地資源的緊缺，造成水庫(kù)淤積，必須采取治理措施，保護(hù)自然環(huán)境。近年來(lái)遼寧省區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較迅猛，水庫(kù)入庫(kù)口區(qū)存在著比較復(fù)雜的水動(dòng)力因素的影響，形成了水庫(kù)區(qū)域復(fù)雜的水動(dòng)力場(chǎng)系統(tǒng)，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境比較脆弱，因此，準(zhǔn)確把握水庫(kù)入庫(kù)口水動(dòng)力特征及變化規(guī)律是非常有必要的，為此，本文對(duì)遼寧省鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水動(dòng)力場(chǎng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 建立水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬模型

此次基于三維水動(dòng)力學(xué)方程組，在水庫(kù)入庫(kù)口垂直方向上的水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬采用α坐標(biāo)變換，將α坐標(biāo)轉(zhuǎn)換引入到潛水流動(dòng)和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)姆匠讨?，?jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使整個(gè)鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水域都具有相同的垂向分層數(shù)[1-2]。在水庫(kù)入庫(kù)口的水平方向上采用正交曲線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的方程進(jìn)行組合，這樣可以更好地模擬出復(fù)雜的水庫(kù)入水口水動(dòng)力特征，從而形成一個(gè)三維水動(dòng)力特征數(shù)值模擬模型，用公式表示如下：

(1)

式中x——數(shù)值模擬模型坐標(biāo)系中的橫向坐標(biāo)，即東向；

y——數(shù)值模擬模型坐標(biāo)系中的縱向坐標(biāo)，即北向；

z——數(shù)值模擬模型坐標(biāo)系中的斜向坐標(biāo)，即垂向；

u——水庫(kù)入庫(kù)口東向方向的水流流速分量；

v——水庫(kù)入庫(kù)口北向方向的水流流速分量；

w——水庫(kù)入庫(kù)口垂向方向的水流流速分量；

a——垂向渦黏系數(shù)；

t——水庫(kù)入庫(kù)口水的溫度；

p——水庫(kù)入庫(kù)口水的鹽度；

s——水庫(kù)上游流速參數(shù)；

g——水庫(kù)入庫(kù)口水體重力加速度；

f——科氏參數(shù)；

k——溫度垂向擴(kuò)散系數(shù)；

K——水庫(kù)入庫(kù)口水平動(dòng)量；

P——鹽度擴(kuò)散項(xiàng)；

W——溫度擴(kuò)散項(xiàng)；

Y——水庫(kù)入庫(kù)口水域靜水壓力。

2 擬定水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬邊界條件

根據(jù)以上建立的水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬模型，對(duì)其邊界進(jìn)行條件限制，其中包括模型水溫的表面及底部邊界條件、自由表面邊界條件以及側(cè)向開邊界條件[3-4]。模型水溫的表面及底部邊界條件為

(2)

式中c——水庫(kù)入庫(kù)口水的比熱；

A——水庫(kù)入庫(kù)口水平熱擴(kuò)散系數(shù)；

N——入庫(kù)口底部坡度；

M——水平坐標(biāo)系；

Q——水溫的表面凈熱通量；

WE——水溫的表面短波通量。

自由表面邊界條件為

(3)

式中ε——水庫(kù)入庫(kù)口水域表面風(fēng)應(yīng)力；

q——正交曲線坐標(biāo)橫向方向的速度水平分量；

H——水庫(kù)入庫(kù)口水深[5]。

模型的側(cè)向開邊界通常是以實(shí)測(cè)的水位變化和水體流速數(shù)據(jù)作為邊界限制條件，但是這種條件的前提是需要保證區(qū)域外界發(fā)生的狀態(tài)能夠傳入到模擬區(qū)域內(nèi)，所以為了保證數(shù)值模擬準(zhǔn)確，此次選擇計(jì)算水位值和流速值作為側(cè)向開邊界限制條件，用公式表示如下：

δ(ui+vj)=0

(4)

式中δ——側(cè)向邊界法向單位矢量；

i——水平方向的流速單位矢量；

j——垂直方向的流速單位矢量。

模型頂部邊界條件為自由邊界，四周水平位移約束，對(duì)模型底部邊界進(jìn)行全約束，以符合鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬需求。利用以上提出的三個(gè)限制條件，控制水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬模型邊界。

3 數(shù)值模擬模型設(shè)置

在數(shù)值模擬之前還需要根據(jù)鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口實(shí)際情況以及數(shù)值模擬需求，進(jìn)行模擬設(shè)置。首先將模型的模擬區(qū)域設(shè)置為整個(gè)遼寧省鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口，然后利用矩形網(wǎng)格對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)數(shù)值模擬區(qū)域進(jìn)行劃分，其中網(wǎng)格之間的間距取值為1000m，共分為4860個(gè)網(wǎng)格。模型的垂向分為15層，每一層的垂直方向網(wǎng)格代表鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水深的1/15[6-7]。模型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的初始水位取值為3.45m，將其作為實(shí)際初始條件的近似值，模型的初始流速取值為0，將水庫(kù)入庫(kù)口水域水底粗糙度設(shè)置為0.0032m。綜合考慮到風(fēng)對(duì)水庫(kù)入庫(kù)口水動(dòng)力場(chǎng)的影響，關(guān)于風(fēng)的數(shù)據(jù)選取為10h一次的實(shí)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向值，以此完成數(shù)值模擬模型設(shè)置。

4 鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水動(dòng)力場(chǎng)特征數(shù)值模擬分析

模擬數(shù)據(jù)來(lái)自該地區(qū)近10年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中包括模擬區(qū)域的水域徑流量、風(fēng)速和風(fēng)向、流速和流向等[8-9]。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到事先建立的數(shù)值模擬模型中，得到模擬水動(dòng)力數(shù)值(見表1)。

表1 不同測(cè)站流速數(shù)值模擬值

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)比較明顯，并且隨著離岸距離的增加，流速值逐漸變大，為了更加清楚地了解到該區(qū)域流速運(yùn)動(dòng)特征，抽取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用模型計(jì)算出不同時(shí)間的流速(見表2)。

表2 不同時(shí)間流速數(shù)值模擬值

從表2可以看出，鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水流運(yùn)動(dòng)特征表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流，其中往復(fù)流形式比較明顯，水流運(yùn)動(dòng)為同向整體運(yùn)動(dòng)。結(jié)合表1，說(shuō)明鐵甲水庫(kù)水流往復(fù)流運(yùn)動(dòng)離岸越遠(yuǎn)越明顯。并且從流速的大小可以看出，該區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)，最大的流速可以達(dá)到3.45m/s，平均流速為2.34m/s。從數(shù)據(jù)模擬計(jì)算值和實(shí)際值的比對(duì)中可以看出，模擬值和實(shí)際值基本一致，所以上文分析的鐵甲水庫(kù)入庫(kù)口水動(dòng)力特征數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可信度。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用數(shù)值模擬模型對(duì)鐵甲水庫(kù)入水口水動(dòng)力特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，為該區(qū)域后續(xù)泥沙和污染物運(yùn)輸擴(kuò)散提供了可靠的理論依據(jù)，可以有效防止水庫(kù)水域污染的進(jìn)一步惡化，對(duì)鐵甲水庫(kù)水環(huán)境治理、規(guī)劃以及保護(hù)具有重要作用，同時(shí)為預(yù)測(cè)該區(qū)域水環(huán)境未來(lái)任何時(shí)間的水動(dòng)力特征提供了一個(gè)良好的應(yīng)用工具。