崗南水庫水動力特性數值模擬研究

郝金梅，賈秀芳，何建新

（河北省石家莊水文水資源勘測局，河北石家莊050051）

崗南水庫水動力特性數值模擬研究

郝金梅，賈秀芳，何建新

（河北省石家莊水文水資源勘測局，河北石家莊050051）

崗南水庫由于受到自然和人為因素的干擾，水質環境逐漸惡化。水庫水質與水動力特性有著緊密的聯系，因此了解水庫的水動力特性具有重要的意義。應用EFDC建立了崗南水庫三維水動力數值模型，并對其全年的水動力特性進行了模擬。通過分析其流速變化規律了解了崗南水庫的水動力特性，為水質的改善治理提供了科學參考。

崗南水庫；EFDC；水動力；數值模擬

1 引言

崗南水庫始建于1958年，位于河北省平山縣（如圖1所示），是治理滹沱河的重點工程之一，為兼有防洪、灌溉、發電、城市用水和庫區養魚之利的大型水利樞紐工程，總庫容15.7億m2。水庫地處滹沱河中游，控制流域面積1.59萬km2。近年來，隨著工農業的迅速發展，大量污水排入水庫造成水體惡化。水庫的水體交換能力可體現水庫自身的水質凈化能力，而水體交換能力則直接由流速體現。因此，了解崗南水庫的水動力特性至關重要。

圖1 崗南水庫示意

2 數值模型

2.1 EFDC數學模型

EFDC（ENVIROMENTAL FLUID DYNAMICSCODE）是由John M.Hamrick開發的三維計算模型，該計算模型包括水動力模塊、水質模塊、泥沙及重金屬模塊，可對河流、湖泊、海灣、河口、濕地等不同空間尺度的水流、水溫、泥沙、水質進行一維、二維、三維模擬。EFDC目前已是美國水環境模擬與評價的主要研究工具，在美國應用已有100多例。

EFDC模型的三維水動力學方程組（連續方程、動量方程、溫度輸運方程）為：

式中：u和v分別為曲線正交坐標x和y方向的水平速度分量（m/s）；w為垂向速度分量（m/s）；mx、my、m為Jacobian曲線正交坐標轉換因子，m=mxmy；QH為體積源匯項（m3）；p為相對靜水壓力（N），p=ρ0gH(1-z)；b為相對浮力（N），b=(ρ-ρ0)/ρ0；f為柯氏力（N）；Av為垂向紊動黏性系數；Ab為垂向紊動擴散系數；Qu和Qv為動量源匯項（kg·m/s）；QT為溫度源匯項（℃）；ρ為水體密度（kg/m3）；ρ0為水體參考密度（kg/m3）；S為水體鹽度（kg/m3）。

垂向紊動黏性系數（Av）和垂向紊動擴散系數（Ab）應用Galperin改進的模式求解。模型將垂向紊動黏性系數和垂向紊動擴散系數與紊動能量（q2）、紊動尺度（l）以及里查森數（Rq）結合起來，關系式為：

Av=φvql=0.4(1+36Rq)-1(1+6Rq)-1(1+8Rq)ql（8）

穩定性函數φv和φb分別表示在穩定和非穩定垂向密度分層環境中垂向混合和輸運的減弱和增強。紊動能量和紊動尺度由以下輸運方程確定：

式中：B1、E1、E2和E3為經驗常數；Qq和Ql為附加的源匯項。垂向擴散系數（Aq）通常與垂向紊動黏性系數（Av）取同樣的值。

2.2 模型建立

為模擬庫區復雜的地形邊界，數值模型采用σ坐標系。利用曲線正交網格對計算區域進行劃分，網格總數為2 755個，網格大小為130 m，在垂向上均勻分為2層。崗南水庫網格如圖2所示，地形如圖3所示。入流、出流給定流量邊界條件。

圖2 崗南水庫網格劃分

圖3 崗南水庫地形

2.3 模型驗證

采用2012年水位實測資料對數值模型進行驗證。水位實測值與計算值對比，如圖4所示。由圖4可知，水位計算值與實測值吻合較好，最大誤差為0.20 m。本數學模型可以準確地反映水庫水位的變化規律，可用于對水庫水動力特性的研究。

Numerical Simulation on Flow Characteristics of Gangnan Reservoir

HAO Jin-mei，JIA Xiu-fang，HE Jian-xin
（Hydrology and Water Resources Bureau of Shijiazhuang City，Shijiazhuang 050051，China）

Eco-environment of Gangnan reservoir was destroyed due to natural disturbance and human-caused distur?bance.The water quality is intimately related to the characteristics of hydraulics，so it is important to realize the character?istics of hydraulics.Three dimensional numerical model of Gangnan reservoir is set up with EFDC，which simulated the flow characteristics of the reservoir in whole year.The variation of the velocity is analyzed and the flow characteristics of Gangnan reservoir is obtained.The results could provide scientific reference for enhancing the water quality.

Gangnan reservoir；EFDC；hydraulic；numerical simulation

TV131.2

B

1004-7328（2015）01-0048-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.017

2014-11-07

郝金梅（1981-），女，碩士，工程師，主要從事水文測報、水資源論證及水文整編方面的研究工作。