遼寧省鐵甲水庫入庫口水動力場特征數值模擬研究

宮興梅

(東港市水利事務服務中心，遼寧 東港 118300)

鐵甲水庫位于遼寧省丹東市振興區湯池鎮萬寶村，地處鴨綠江支流柳林河上游，水庫占地2155.1hm2，總庫容2.56億m3，控制流域面積214km2，控制河道長27.4km。湯池鎮地處東經124°15′，北緯43°3′，位于東港市東北部，地處丹東市西郊。鐵甲水庫四周群山環繞，是以工農業及生活供水為主，保證防洪，結合發電、養魚及旅游資源開發利用等綜合利用的大型水利樞紐工程。水庫作為民生飲用水源，由于自然環境污染，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，造成水庫淤積，必須采取治理措施，保護自然環境。近年來遼寧省區域社會經濟發展比較迅猛，水庫入庫口區存在著比較復雜的水動力因素的影響，形成了水庫區域復雜的水動力場系統，導致區域生態環境比較脆弱，因此，準確把握水庫入庫口水動力特征及變化規律是非常有必要的，為此，本文對遼寧省鐵甲水庫入庫口水動力場特征進行數值模擬研究。

1 建立水動力場特征數值模擬模型

此次基于三維水動力學方程組，在水庫入庫口垂直方向上的水動力場特征數值模擬采用α坐標變換，將α坐標轉換引入到潛水流動和物質運輸的方程中，經過坐標轉換使整個鐵甲水庫入庫口水域都具有相同的垂向分層數[1-2]。在水庫入庫口的水平方向上采用正交曲線坐標轉換，將轉換后的方程進行組合，這樣可以更好地模擬出復雜的水庫入水口水動力特征，從而形成一個三維水動力特征數值模擬模型，用公式表示如下：

(1)

式中x——數值模擬模型坐標系中的橫向坐標，即東向；

y——數值模擬模型坐標系中的縱向坐標，即北向；

z——數值模擬模型坐標系中的斜向坐標，即垂向；

u——水庫入庫口東向方向的水流流速分量；

v——水庫入庫口北向方向的水流流速分量；

w——水庫入庫口垂向方向的水流流速分量；

a——垂向渦黏系數；

t——水庫入庫口水的溫度；

p——水庫入庫口水的鹽度；

s——水庫上游流速參數；

g——水庫入庫口水體重力加速度；

f——科氏參數；

k——溫度垂向擴散系數；

K——水庫入庫口水平動量；

P——鹽度擴散項；

W——溫度擴散項；

Y——水庫入庫口水域靜水壓力。

2 擬定水動力場特征數值模擬邊界條件

根據以上建立的水動力場特征數值模擬模型，對其邊界進行條件限制，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——水庫入庫口水的比熱；

A——水庫入庫口水平熱擴散系數；

N——入庫口底部坡度；

M——水平坐標系；

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——水庫入庫口水域表面風應力；

q——正交曲線坐標橫向方向的速度水平分量；

H——水庫入庫口水深[5]。

模型的側向開邊界通常是以實測的水位變化和水體流速數據作為邊界限制條件，但是這種條件的前提是需要保證區域外界發生的狀態能夠傳入到模擬區域內，所以為了保證數值模擬準確，此次選擇計算水位值和流速值作為側向開邊界限制條件，用公式表示如下：

δ(ui+vj)=0

(4)

式中δ——側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，對模型底部邊界進行全約束，以符合鐵甲水庫入庫口水動力場特征數值模擬需求。利用以上提出的三個限制條件，控制水動力場特征數值模擬模型邊界。

3 數值模擬模型設置

在數值模擬之前還需要根據鐵甲水庫入庫口實際情況以及數值模擬需求，進行模擬設置。首先將模型的模擬區域設置為整個遼寧省鐵甲水庫入庫口，然后利用矩形網格對水動力場數值模擬區域進行劃分，其中網格之間的間距取值為1000m，共分為4860個網格。模型的垂向分為15層，每一層的垂直方向網格代表鐵甲水庫入庫口水深的1/15[6-7]。模型網絡運行的初始水位取值為3.45m，將其作為實際初始條件的近似值，模型的初始流速取值為0，將水庫入庫口水域水底粗糙度設置為0.0032m。綜合考慮到風對水庫入庫口水動力場的影響，關于風的數據選取為10h一次的實測風速和風向值，以此完成數值模擬模型設置。

4 鐵甲水庫入庫口水動力場特征數值模擬分析

模擬數據來自該地區近10年統計數據，其中包括模擬區域的水域徑流量、風速和風向、流速和流向等[8-9]。將數據導入到事先建立的數值模擬模型中，得到模擬水動力數值(見表1)。

表1 不同測站流速數值模擬值

從表1中數據可以看出，鐵甲水庫入庫口區域水流運動比較明顯，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域流速運動特征，抽取一個測點，運用模型計算出不同時間的流速(見表2)。

表2 不同時間流速數值模擬值

從表2可以看出，鐵甲水庫入庫口水流運動特征表現為旋轉流和往復流，其中往復流形式比較明顯，水流運動為同向整體運動。結合表1，說明鐵甲水庫水流往復流運動離岸越遠越明顯。并且從流速的大小可以看出，該區域水流運動比較強，最大的流速可以達到3.45m/s，平均流速為2.34m/s。從數據模擬計算值和實際值的比對中可以看出，模擬值和實際值基本一致，所以上文分析的鐵甲水庫入庫口水動力特征數值模擬結果具有較高的可信度。

5 結 語

本文利用數值模擬模型對鐵甲水庫入水口水動力特征進行了數值模擬，為該區域后續泥沙和污染物運輸擴散提供了可靠的理論依據，可以有效防止水庫水域污染的進一步惡化，對鐵甲水庫水環境治理、規劃以及保護具有重要作用，同時為預測該區域水環境未來任何時間的水動力特征提供了一個良好的應用工具。