大伙房水库流场影响因素的数值模拟研究

第15卷第6期中国水运Vol.15No.62015年6月ChinaWaterTransportJune2015收稿日期：2015-04-18作者简介：王辉（1988－），男，山东菏泽人，硕士，大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，从事环境水力学研究。基金项目：国家自然科学基金项目（51279023）。大伙房水库流场影响因素的数值模拟研究王辉（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024）摘要：文中基于MIKE3建立了大伙房水库水动力模型，模拟了2008年4月1日至10月31日大伙房水库的水动力过程。对风力作用和入库径流对水库流场的影响进行了数值模拟分析，结果表明风力作用产生的风生流是影响大伙房水库流场结构的主要因素，表层水体流速受风场影响很大，水库下层水体中则产生补偿流态；水库入流和出流驱动产生的吞吐流对大伙房水库水流结构影响较小，且表层和底层水体的流态基本一致。关键词：MIKE3；大伙房水库；风生流；吞吐流中图分类号：P731.21文献标识码：A文章编号：1006-7973（2015）06-0076-03前言大伙房水库于1958年建成，是一个带状河谷型水库，坐落在辽宁省北部山区抚顺市区的东部，地理位置处于124°04′E–124°24′E和41°46′N–41°58′N。大伙房水库东西长度约为35km，下游坝前最宽处可达4km，上游最窄处约0.3km。水库的总库容为21.87×108m3，是辽宁省内库容最大的水库。浑河、苏子河和社河为大伙房水库主要的入流河流，这三条河流全部包括在抚顺地区之内。水库自建成以来，对辽宁省经济社会的进步起到了非常重要的推动作用。利用数学模型进行大伙房水库流场的数值模拟，对水库水资源的管理和保护具有重要的意义。目前，国内外关于水库水动力的数学模型已有很多[1-3]，并有众多的软件可用于相关问题的模拟研究，如MIKE、EFDC及Delft-3D等[4]。在水库水动力的数值研究方面，潘晓东[5]基于Delft-3D软件系统建立了桃山水库的三维数值模型，利用该模型计算了水库的流场以及各种水质要素的变化。陈栋[6]基于MIKE11软件建立了三峡水库一维水动力和水质模型，研究了水库调度的改变对水库水动力的具体影响。廖振华[7]应用Delft-3D软件研究了青草沙水库的流动规律。沈永明等[8]基于FVCOM数值模型研究了大伙房水库的滞留时间和水龄。李新文[9]基于EFDC建立三维数学模型研究了水位变化对大伙房水库水龄的具体影响。一、模型设置本文的计算区域为大伙房水库坝前分别至苏子河上游古楼附近、浑河上游北杂木附近以及社河上游台沟附近。水库地形数据来自大伙房管理局和辽宁省环境科学研究院联合勘测的结果[10]。模型在水平方向上采用非结构化网格来划分计算区域，在垂向上分为7个不同厚度的σ层，其中计算区域的表层和底层具有较高的分辨率，从而保证模型能够更好地模拟垂向上的水流结构。模型计算所需气温，相对湿度，云量以及风场资料等采用NCAR每隔6h的平均再分析资料，初始水位和流速设为0，初始温度场设为均匀场，取坝前温度4℃。2008年大伙房水库出流和入流数据由上游河流水文测站提供。二、模型验证4/15/16/17/18/19/110/111/1-6-4-20246水水(m)时时(月/日)实实实模模实图12008年坝上站水位模拟值实测值图1给出了坝前测站处模拟水位值与实测水位值的对比。为了衡量模型的模拟结果，本文中采用平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）：||obssimXXMAEN−=（1）2()obssimXXRMSEN−=（2）其中，Xobs为实测值，Xsim为模拟值。MAE值和RMSE值的大小代表模拟值与实测值的吻合程度。经过计算，2008年坝前测站处水位模拟值与实测值的平均绝对误差为0.189m，均方根误差为0.21m，这与之前Shen等[8]利用基于非结构网格的水动力模型的模拟精度一致，说明模型模拟值和实测值吻合良好。第6期王辉：大伙房水库流场影响因素的数值模拟研究77三、大伙房水库流场数值实验为了从运动机理上研究大伙房水库的流场，本节进行了相应的数值实验，具体工况如下：仅考虑风力作用产生的风生流；仅考虑水库入流和出流产生的吞吐流；同时考虑风力作用和水库入流和出流。模型运行水位取2.5m，风况取西南风5m/s，上游三条河流苏子河、浑河和社河的入流流量分别取：72.58m3/s、59.34m3/s和5.45m3/s。1．风生流图2给出了仅考虑风力作用时大伙房水库中的流场分布。由图可知，在西南风的作用下，表层水体向东北方向流动，较大流速多分布在库区边界处以及水深较浅的位置。底层水体流向基本与表层相反，由上游两条河流入流处流向库区中心及坝前。分析风力作用下流场的动力机理可知，库区风应力作用于水库表面，驱动表层水体沿风向流动。随着水深的增加，这种作用越来越弱。同时，风力作用造成水库水位的变化，水位倾斜产生的压强梯度可以传递到水库表层和底层水体。当西南风驱动表层水体向东北方向流动时，水库西南区域的水位下降，而水体在东北区域的堆积使得该处水位上升，造成两个区域的水位梯度力，驱动底层水体向西南方向流动，此时底层表现为补偿流的性质。表层底层图2水库风生流分布2．吞吐流表层底层图3水库吞吐流分布仅考虑入流和出流时水库内的流场如图3所示。在水库入流和出流流量一致和稳定的状态下，库区内水位波动很小，此时水库内的流动由取水口和入水口流量的惯性驱动产生。表层水体沿北岸流动的流速较大，这是入流驱动力和科氏力共同作用的结果，流速约在0.01m/s。由于社河入流量较小，在社河入流处至库区中心的区域水流流速很小，因此在微风的天气情况下，该区域容易产生滞流区，对水体交换和水质产生不利的影响。另外，受底部摩擦作用，底层水体流速比表层流速略小，但表层和底层水体的流态基本一致。3．风生流和吞吐流图4给出了风场和入流出流共同作用下大伙房水库表层和底层的流场分布。对比图2和图3可以发现，吞吐流对大伙房水库库区的流场结构基本没有影响，仅在浑河和苏子河上游入流河段处局部区域的流速和流向造成一定改变。另外，由于吞吐流与风力作用在底层产生的补偿流流向一致使得水库底层水体的流速有一定程度的增大，且坝前位置处环流结构得到加强。表层底层图4水库流场分布四、结语本文基于MIKE3建立了大伙房水库的三维数值模型，对大伙房水库的水位变化过程进行了验证分析。在模拟结果与实测值吻合良好的基础上，对大伙房水库流场的影响因素进行了研究，得到的主要结论如下：风是影响大伙房水库流场结构的主要因素之一，其对表层水体流速影响很大，并会在水库中层和底层产生补偿流态，而由水库入流和出流过程产生的吞吐流对库区内水流结构影响较小，且表层和底层水体的流态基本一致。另外，在微风的天气情况下，社河入流处至库区中心之间的区域水流流速很小，容易产生滞流区，对该区域水体交换产生不利的影响。参考文献[1]SimonsTJ.Developmentofthree-dimensionalnumericalmodelofGreatLakes[J].ScienceCitationIndex，1973，12：269.[2]吴坚.数据模拟方法在湖泊学中的应用[J].湖泊科学，1986，3（1）：74-81.[3]管仪庆，张丹荣，陈丕翔.闲林水库水动力特性模拟研究[J].水利学报，2007，10：293-297.[4]DanishHydraulicInstitute.MIKE3esturrlineandcoastalhydraulicsandoceanographyhydraulicmodulereferencemanual[M].DHI，2002.[5]潘晓东.桃山水库水质数值模拟研究[D].长春：吉林大学，2008.[6]陈栋.三峡水库非汛期水动力及水质模拟研究[D].济南：山东大学，2008.（下转第81页）