热交换条件下水库分层流型态及水温数值模拟研究

发布时间：2020-03-19 21:55

【摘要】：水库是重要的淡水资源库,能实现水资源的综合开发和利用,始终在工农业生产和社会建设中发挥着巨大的作用。但水库拦截河流蓄水后,库区水位壅高,水面积扩大,流动性减弱,其自净能力相较于下游天然河道明显较弱,极易造成污染物的富集;而库内水温分层又进一步减少了上下层之间的物质交换,可能会增加水库水质持续恶化的风险。所以相较于关注水库下游天然河道水环境,对水库所带来的环境问题的治理方法展开研究显得更为迫切和重要。目前国内外对水库水温和水质分层的研究主要还是以近坝区水温或水库下泄水温为分析对象,忽略了水库自身分层流特性和水温分布特性及变化。同时现有模拟对来流和热交换等因素的作用、水库内分层流的型态(中心线位置、分层厚度、影响范围)等都尚未进行明确的讨论和研究。因此,本文将着眼点放在水库的分层流型态和水温变化上,建立了更符合实际的水库水温湍浮力模型,所做的主要工作和取得的初步成果包括:(1)通过对水库分层流理论基础的学习,介绍了水库水温水质分层现象,说明了水库水温分层导致的密度分层是库内形成分层流的原因,并选定二维数值模拟为本文的基本方法。(2)通过对国内外水温模型的整理,在原有研究模型的基础上补充了热交换模型,并用C语言编译UDF修改能量方程的源项,在水体表面增加热通量边界条件,给定更符合实际的水库进水边界条件,建立了考虑热交换的立面二维水库水温湍浮力模型。(3)以美国陆军工程师团水道试验站的水库物理模型试验的实测数据为依据,对模型进行了验证,证明了其对水库水动力和水温模拟的准确性和可靠性。(4)运用上述模型对水库水温变化进行模拟,验证该水库在8月能够形成稳定的水温分层,并对其稳定分层期泄水过程进一步模拟,分析了在热交换条件下,从不同高程泄水时水库内分层流型态特征和水温变化规律。经过上述模拟分析和总结,本文得出了水库在年内水温结构的周期性变化规律,并验证了在水温稳定分层期,在从不同高程分层泄水过程中,水库内能够形成中心线高程与泄水高程对应、厚度趋于稳定的持续分层流动;分层流内温度梯度较大,分层流上方水温逐渐接近来流水温,下方水温仍会处于分层状态。因此,通过采取分层泄水的方法,能够在遵循水库水温分层的自然规律条件下,对水库分层流动加以利用,下泄指定高程的“目标水层”,改善水库水质及水环境,调整库内水温分布,从理论上为实现水库的多目标调度提供了科学依据。
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图２．１－１水库水温结构示意图逡逑除水温外，水库的主要水质参数还包括：还原态物质、浑度、ｃｏ２、溶解氧、逡逑生生物、矿物元素、盐碱度等。与这些参数相关水质参数及水生生物对水温都逡逑敏感，因此水温的变化和水温的垂向分层，会直接导致这些参数（密度、溶解逡逑

图２．１－２典型水温分层型水库主要水质参数沿水深分布示意图逡逑水温是影响水库水环境的决定性要素之一，当水库表层水体光照充足、温度逡逑适宜、营养盐含量超过特定数值和比例时，会导致水体富营养化，也为藻类等水逡逑生植物的生长提供条件，促成其暴发性生长，甚至引发“水华”。另一方面，深逡逑水层中温度低，溶解氧含量较低，二氧化碳浓度高，形成还原环境进而影响水中逡逑微生物活动和有机物降解速率等生化过程，水库溶解氧在垂向上也形成分层（王逡逑颖等，２００３）邋ｆ２４Ｉ：处于深层的水体温度低，溶解氧含量不高，易造成厌氧环境，逡逑可能会加速库区底泥中a惖氖头牛�导致水库内源污染（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ邋Ｃ．，１９９２）邋［２５］；逡逑加之在深层水体中阳光难以到达，光合作用几乎不能进行，水体件的富氧补充因逡逑水温分层而基本被阻断，在还原物质氧化和底层生物呼吸作用下，深层水体中的逡逑溶解氧逐步降低，而不断死亡的水牛植物的尸体在底部沉积，也需要消耗深层含逡逑量本就不高的氧气用于分解，，故而深层水体的溶解氧含量极低，甚至达到接近零逡逑的厌氧状态，极易导致严重后果（史建超，２０１６）邋［５］。与此同时，水库建成后，逡逑由于水库水温、溶解氧等的分层，库区的水生生物群落也呈现分层特征，水库表逡�

本文编号：2590769