岗南水库水动力特性数值模拟研究

郝金梅，贾秀芳，何建新

（河北省石家庄水文水资源勘测局，河北石家庄050051）

岗南水库水动力特性数值模拟研究

郝金梅，贾秀芳，何建新

（河北省石家庄水文水资源勘测局，河北石家庄050051）

岗南水库由于受到自然和人为因素的干扰，水质环境逐渐恶化。水库水质与水动力特性有着紧密的联系，因此了解水库的水动力特性具有重要的意义。应用EFDC建立了岗南水库三维水动力数值模型，并对其全年的水动力特性进行了模拟。通过分析其流速变化规律了解了岗南水库的水动力特性，为水质的改善治理提供了科学参考。

岗南水库；EFDC；水动力；数值模拟

1 引言

岗南水库始建于1958年，位于河北省平山县（如图1所示），是治理滹沱河的重点工程之一，为兼有防洪、灌溉、发电、城市用水和库区养鱼之利的大型水利枢纽工程，总库容15.7亿m2。水库地处滹沱河中游，控制流域面积1.59万km2。近年来，随着工农业的迅速发展，大量污水排入水库造成水体恶化。水库的水体交换能力可体现水库自身的水质净化能力，而水体交换能力则直接由流速体现。因此，了解岗南水库的水动力特性至关重要。

图1 岗南水库示意

2 数值模型

2.1 EFDC数学模型

EFDC（ENVIROMENTAL FLUID DYNAMICSCODE）是由John M.Hamrick开发的三维计算模型，该计算模型包括水动力模块、水质模块、泥沙及重金属模块，可对河流、湖泊、海湾、河口、湿地等不同空间尺度的水流、水温、泥沙、水质进行一维、二维、三维模拟。EFDC目前已是美国水环境模拟与评价的主要研究工具，在美国应用已有100多例。

EFDC模型的三维水动力学方程组（连续方程、动量方程、温度输运方程）为：

式中：u和v分别为曲线正交坐标x和y方向的水平速度分量（m/s）；w为垂向速度分量（m/s）；mx、my、m为Jacobian曲线正交坐标转换因子，m=mxmy；QH为体积源汇项（m3）；p为相对静水压力（N），p=ρ0gH(1-z)；b为相对浮力（N），b=(ρ-ρ0)/ρ0；f为柯氏力（N）；Av为垂向紊动黏性系数；Ab为垂向紊动扩散系数；Qu和Qv为动量源汇项（kg·m/s）；QT为温度源汇项（℃）；ρ为水体密度（kg/m3）；ρ0为水体参考密度（kg/m3）；S为水体盐度（kg/m3）。

垂向紊动黏性系数（Av）和垂向紊动扩散系数（Ab）应用Galperin改进的模式求解。模型将垂向紊动黏性系数和垂向紊动扩散系数与紊动能量（q2）、紊动尺度（l）以及里查森数（Rq）结合起来，关系式为：

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

稳定性函数φv和φb分别表示在稳定和非稳定垂向密度分层环境中垂向混合和输运的减弱和增强。紊动能量和紊动尺度由以下输运方程确定：

式中：B1、E1、E2和E3为经验常数；Qq和Ql为附加的源汇项。垂向扩散系数（Aq）通常与垂向紊动黏性系数（Av）取同样的值。

2.2 模型建立

为模拟库区复杂的地形边界，数值模型采用σ坐标系。利用曲线正交网格对计算区域进行划分，网格总数为2 755个，网格大小为130 m，在垂向上均匀分为2层。岗南水库网格如图2所示，地形如图3所示。入流、出流给定流量边界条件。

图2 岗南水库网格划分

图3 岗南水库地形

2.3 模型验证

采用2012年水位实测资料对数值模型进行验证。水位实测值与计算值对比，如图4所示。由图4可知，水位计算值与实测值吻合较好，最大误差为0.20 m。本数学模型可以准确地反映水库水位的变化规律，可用于对水库水动力特性的研究。

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，硕士，工程师，主要从事水文测报、水资源论证及水文整编方面的研究工作。