郝金梅，賈秀芳，何建新

（河北省石家莊水文水資源勘測(cè)局，河北石家莊050051）

崗南水庫(kù)水動(dòng)力特性數(shù)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(cè)局，河北石家莊050051）

崗南水庫(kù)由于受到自然和人為因素的干擾，水質(zhì)環(huán)境逐漸惡化。水庫(kù)水質(zhì)與水動(dòng)力特性有著緊密的聯(lián)系，因此了解水庫(kù)的水動(dòng)力特性具有重要的意義。應(yīng)用EFDC建立了崗南水庫(kù)三維水動(dòng)力數(shù)值模型，并對(duì)其全年的水動(dòng)力特性進(jìn)行了模擬。通過(guò)分析其流速變化規(guī)律了解了崗南水庫(kù)的水動(dòng)力特性，為水質(zhì)的改善治理提供了科學(xué)參考。

崗南水庫(kù)；EFDC；水動(dòng)力；數(shù)值模擬

1 引言

崗南水庫(kù)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(diǎn)工程之一，為兼有防洪、灌溉、發(fā)電、城市用水和庫(kù)區(qū)養(yǎng)魚(yú)之利的大型水利樞紐工程，總庫(kù)容15.7億m2。水庫(kù)地處滹沱河中游，控制流域面積1.59萬(wàn)km2。近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，大量污水排入水庫(kù)造成水體惡化。水庫(kù)的水體交換能力可體現(xiàn)水庫(kù)自身的水質(zhì)凈化能力，而水體交換能力則直接由流速體現(xiàn)。因此，了解崗南水庫(kù)的水動(dòng)力特性至關(guān)重要。

圖1 崗南水庫(kù)示意

2 數(shù)值模型

2.1 EFDC數(shù)學(xué)模型

EFDC（ENVIROMENTAL FLUID DYNAMICSCODE）是由John M.Hamrick開(kāi)發(fā)的三維計(jì)算模型，該計(jì)算模型包括水動(dòng)力模塊、水質(zhì)模塊、泥沙及重金屬模塊，可對(duì)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(zhì)進(jìn)行一維、二維、三維模擬。EFDC目前已是美國(guó)水環(huán)境模擬與評(píng)價(jià)的主要研究工具，在美國(guó)應(yīng)用已有100多例。

EFDC模型的三維水動(dòng)力學(xué)方程組（連續(xù)方程、動(dòng)量方程、溫度輸運(yùn)方程）為：

式中：u和v分別為曲線正交坐標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)換因子，m=mxmy；QH為體積源匯項(xiàng)（m3）；p為相對(duì)靜水壓力（N），p=ρ0gH(1-z)；b為相對(duì)浮力（N），b=(ρ-ρ0)/ρ0；f為柯氏力（N）；Av為垂向紊動(dòng)黏性系數(shù)；Ab為垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；Qu和Qv為動(dòng)量源匯項(xiàng)（kg·m/s）；QT為溫度源匯項(xiàng)（℃）；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(dòng)黏性系數(shù)（Av）和垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)（Ab）應(yīng)用Galperin改進(jìn)的模式求解。模型將垂向紊動(dòng)黏性系數(shù)和垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)與紊動(dòng)能量（q2）、紊動(dòng)尺度（l）以及里查森數(shù)（Rq）結(jié)合起來(lái)，關(guān)系式為：

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

穩(wěn)定性函數(shù)φv和φb分別表示在穩(wěn)定和非穩(wěn)定垂向密度分層環(huán)境中垂向混合和輸運(yùn)的減弱和增強(qiáng)。紊動(dòng)能量和紊動(dòng)尺度由以下輸運(yùn)方程確定：

式中：B1、E1、E2和E3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Qq和Ql為附加的源匯項(xiàng)。垂向擴(kuò)散系數(shù)（Aq）通常與垂向紊動(dòng)黏性系數(shù)（Av）取同樣的值。

2.2 模型建立

為模擬庫(kù)區(qū)復(fù)雜的地形邊界，數(shù)值模型采用σ坐標(biāo)系。利用曲線正交網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)為2 755個(gè)，網(wǎng)格大小為130 m，在垂向上均勻分為2層。崗南水庫(kù)網(wǎng)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(kù)網(wǎng)格劃分

圖3 崗南水庫(kù)地形

2.3 模型驗(yàn)證

采用2012年水位實(shí)測(cè)資料對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，如圖4所示。由圖4可知，水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，最大誤差為0.20 m。本數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確地反映水庫(kù)水位的變化規(guī)律，可用于對(duì)水庫(kù)水動(dòng)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(cè)報(bào)、水資源論證及水文整編方面的研究工作。