辽宁省铁甲水库入库口水动力场特征数值模拟研究

宫兴梅

(东港市水利事务服务中心，辽宁 东港 118300)

铁甲水库位于辽宁省丹东市振兴区汤池镇万宝村，地处鸭绿江支流柳林河上游，水库占地2155.1hm2，总库容2.56亿m3，控制流域面积214km2，控制河道长27.4km。汤池镇地处东经124°15′，北纬43°3′，位于东港市东北部，地处丹东市西郊。铁甲水库四周群山环绕，是以工农业及生活供水为主，保证防洪，结合发电、养鱼及旅游资源开发利用等综合利用的大型水利枢纽工程。水库作为民生饮用水源，由于自然环境污染，不同程度的泥沙淤积和管理体制的弊端，加之土地资源的紧缺，造成水库淤积，必须采取治理措施，保护自然环境。近年来辽宁省区域社会经济发展比较迅猛，水库入库口区存在着比较复杂的水动力因素的影响，形成了水库区域复杂的水动力场系统，导致区域生态环境比较脆弱，因此，准确把握水库入库口水动力特征及变化规律是非常有必要的，为此，本文对辽宁省铁甲水库入库口水动力场特征进行数值模拟研究。

1 建立水动力场特征数值模拟模型

此次基于三维水动力学方程组，在水库入库口垂直方向上的水动力场特征数值模拟采用α坐标变换，将α坐标转换引入到潜水流动和物质运输的方程中，经过坐标转换使整个铁甲水库入库口水域都具有相同的垂向分层数[1-2]。在水库入库口的水平方向上采用正交曲线坐标转换，将转换后的方程进行组合，这样可以更好地模拟出复杂的水库入水口水动力特征，从而形成一个三维水动力特征数值模拟模型，用公式表示如下：

(1)

式中x——数值模拟模型坐标系中的横向坐标，即东向；

y——数值模拟模型坐标系中的纵向坐标，即北向；

z——数值模拟模型坐标系中的斜向坐标，即垂向；

u——水库入库口东向方向的水流流速分量；

v——水库入库口北向方向的水流流速分量；

w——水库入库口垂向方向的水流流速分量；

a——垂向涡黏系数；

t——水库入库口水的温度；

p——水库入库口水的盐度；

s——水库上游流速参数；

g——水库入库口水体重力加速度；

f——科氏参数；

k——温度垂向扩散系数；

K——水库入库口水平动量；

P——盐度扩散项；

W——温度扩散项；

Y——水库入库口水域静水压力。

2 拟定水动力场特征数值模拟边界条件

根据以上建立的水动力场特征数值模拟模型，对其边界进行条件限制，其中包括模型水温的表面及底部边界条件、自由表面边界条件以及侧向开边界条件[3-4]。模型水温的表面及底部边界条件为

(2)

式中c——水库入库口水的比热；

A——水库入库口水平热扩散系数；

N——入库口底部坡度；

M——水平坐标系；

Q——水温的表面净热通量；

WE——水温的表面短波通量。

自由表面边界条件为

(3)

式中ε——水库入库口水域表面风应力；

q——正交曲线坐标横向方向的速度水平分量；

H——水库入库口水深[5]。

模型的侧向开边界通常是以实测的水位变化和水体流速数据作为边界限制条件，但是这种条件的前提是需要保证区域外界发生的状态能够传入到模拟区域内，所以为了保证数值模拟准确，此次选择计算水位值和流速值作为侧向开边界限制条件，用公式表示如下：

δ(ui+vj)=0

(4)

式中δ——侧向边界法向单位矢量；

i——水平方向的流速单位矢量；

j——垂直方向的流速单位矢量。

模型顶部边界条件为自由边界，四周水平位移约束，对模型底部边界进行全约束，以符合铁甲水库入库口水动力场特征数值模拟需求。利用以上提出的三个限制条件，控制水动力场特征数值模拟模型边界。

3 数值模拟模型设置

在数值模拟之前还需要根据铁甲水库入库口实际情况以及数值模拟需求，进行模拟设置。首先将模型的模拟区域设置为整个辽宁省铁甲水库入库口，然后利用矩形网格对水动力场数值模拟区域进行划分，其中网格之间的间距取值为1000m，共分为4860个网格。模型的垂向分为15层，每一层的垂直方向网格代表铁甲水库入库口水深的1/15[6-7]。模型网络运行的初始水位取值为3.45m，将其作为实际初始条件的近似值，模型的初始流速取值为0，将水库入库口水域水底粗糙度设置为0.0032m。综合考虑到风对水库入库口水动力场的影响，关于风的数据选取为10h一次的实测风速和风向值，以此完成数值模拟模型设置。

4 铁甲水库入库口水动力场特征数值模拟分析

模拟数据来自该地区近10年统计数据，其中包括模拟区域的水域径流量、风速和风向、流速和流向等[8-9]。将数据导入到事先建立的数值模拟模型中，得到模拟水动力数值(见表1)。

表1 不同测站流速数值模拟值

从表1中数据可以看出，铁甲水库入库口区域水流运动比较明显，并且随着离岸距离的增加，流速值逐渐变大，为了更加清楚地了解到该区域流速运动特征，抽取一个测点，运用模型计算出不同时间的流速(见表2)。

表2 不同时间流速数值模拟值

从表2可以看出，铁甲水库入库口水流运动特征表现为旋转流和往复流，其中往复流形式比较明显，水流运动为同向整体运动。结合表1，说明铁甲水库水流往复流运动离岸越远越明显。并且从流速的大小可以看出，该区域水流运动比较强，最大的流速可以达到3.45m/s，平均流速为2.34m/s。从数据模拟计算值和实际值的比对中可以看出，模拟值和实际值基本一致，所以上文分析的铁甲水库入库口水动力特征数值模拟结果具有较高的可信度。

5 结 语

本文利用数值模拟模型对铁甲水库入水口水动力特征进行了数值模拟，为该区域后续泥沙和污染物运输扩散提供了可靠的理论依据，可以有效防止水库水域污染的进一步恶化，对铁甲水库水环境治理、规划以及保护具有重要作用，同时为预测该区域水环境未来任何时间的水动力特征提供了一个良好的应用工具。