曹 剛

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

修建水庫、進(jìn)行水力發(fā)電不僅可以解決世界水源、能源的緊張問題，并且可以發(fā)揮防洪、防凌、灌溉、航運(yùn)、水產(chǎn)增殖和發(fā)展旅游業(yè)等綜合效益。水庫在帶來巨大的工程效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時，也帶來了明顯的環(huán)境變化。水庫建設(shè)與周圍環(huán)境之間存在著十分密切的關(guān)系。但由于水庫周邊水氣運(yùn)動的影響因素眾多，相互之間的作用與影響較為復(fù)雜，已有的研究成果未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。因此研究水庫對區(qū)域氣流的影響問題具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。通過數(shù)值模擬方法對水庫不同的水面溫度、水地溫差、水面寬度等各個工況的模擬，分別分析這三種要素對區(qū)域氣流的流動特性和溫度變化及影響范圍的影響，最后得出水庫的修建對區(qū)域氣流的影響。

1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

為了更合理地模擬水面面積的增大對區(qū)域氣流的影響，現(xiàn)將數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)大至接近實(shí)際尺寸。主要模擬水面上空在水氣溫差的作用下形成的自然對流以及水面蒸發(fā)氣流對區(qū)域水平氣流的影響，因此計(jì)算區(qū)域的大小既要滿足自然對流氣流充分發(fā)展，又要滿足水平氣流在水面上下游充分發(fā)展，同時又要避免區(qū)域選擇過大引起計(jì)算工作量的增大。經(jīng)試算，確定當(dāng)水面寬度為1000m時，計(jì)算區(qū)域?yàn)?0000m×3000m（長×高）。由于模型為規(guī)則的矩形，且主要關(guān)心地面附近的氣流變化，因此將網(wǎng)格設(shè)置為非均勻的四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在垂直方向上網(wǎng)格尺寸從地面向上以1.05的比率變化，且總網(wǎng)格數(shù)為60個，在水平方向上以50m進(jìn)行等分通過對模型計(jì)算區(qū)域及初邊界條件進(jìn)行修改，得出了由庫水面蒸發(fā)及水地溫差引起的自然對流對水平氣流的影響及影響范圍。

2 數(shù)值模擬方案

為了使數(shù)學(xué)模型能反映實(shí)際水氣流動的情況，從地面溫度、水地溫差、水面寬度等方面模擬出當(dāng)水地溫差為4℃，水面寬度為1000m時，地面溫度分別為15℃，20℃，25℃，30℃，35℃時的氣流運(yùn)動情況；地面溫度為20℃，水面寬度為1000m時，水地溫差分別為 2℃，4℃，6℃，8℃，10℃時的氣流流動狀況；地面溫度為20℃，水地溫差為4℃時，水面寬度分別為1000m，2000m，3000m，4000m，5000m 時的氣流運(yùn)動狀況。以上工況均在風(fēng)速輪廓為長江三峽壩區(qū)實(shí)測全年平均風(fēng)速的情況下進(jìn)行，即從地面到100m，風(fēng)速從1.0m/s線性增加到2.0m/s，100~600m之間風(fēng)速維持在2.0m/s附近，600m以上風(fēng)速隨高度增加較快。

3 模擬結(jié)果及影響因素分析

3.1 地面溫度影響

以水地溫差為4℃，水面寬度為1000m，風(fēng)速輪廓為實(shí)測的情況為研究對象，分別分析當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?5℃，20℃，25℃，30℃，35℃，且地面以上溫度分布遵循每上升1000m溫度降低6℃的溫度分布規(guī)律時高度方向流速分量的分布、溫度變化以及對溫度影響范圍的變化情況。隨著地面溫度從15~35℃的增大，由水庫引起上空高度方向流速分量的最大值從0.0835~0.0916m/s增大，且最大值出現(xiàn)的位置均在水庫上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值不斷增大；對水面下風(fēng)向影響范圍從8750~9850m不斷增大。

3.2 水地溫差影響

在地面溫度為20℃、水面寬度為1000m時，隨著水地溫差從2~10℃的增大，水庫引起的上空高度方向流速分量最大值從0.0849~0.0857m/s逐漸增大，且最大值的位置均出現(xiàn)在水庫上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對水面下風(fēng)向影響范圍從7850~9850m不斷增大。

3.3 水面寬度影響

在地面溫度為20℃、水地溫差為4℃時，隨著水面寬度從1000~5000m的增大，庫水面引起的上空高度方向流速分量最大值從0.0851~0.1068m/s逐漸增大，且最大值均出現(xiàn)在水庫上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對水面下風(fēng)向影響范圍從8900~20000m不斷增大。

綜上可以得出，由于庫水面的蒸發(fā)及水氣溫差所引起的高度方向流速分量最大值約為0.1m/s，且引起庫面上風(fēng)岸附近流速降低，下風(fēng)岸流速稍有增大；庫水面會引起區(qū)域溫度的升高，其影響主要發(fā)生在水面上風(fēng)岸50m以內(nèi)和下風(fēng)岸20000m以內(nèi)，影響高度約為500m，影響范圍在空間上呈舌狀分布，且在下風(fēng)向離岸距離越遠(yuǎn)影響高度越高。

4 結(jié)論

第一，在水地溫差、水面寬度不變時，隨著地面溫度的增大，由水庫引起上空高度方向流速分量的最大值逐漸增大，且最大值出現(xiàn)的位置均在水庫上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值不斷增大；對水面下風(fēng)向影響范圍不斷增大。

第二，在地面溫度、水面寬度相同時，隨著水地溫差的增大，水庫水面引起的上空高度方向流速分量最大值逐漸增大，且最大值的位置均出現(xiàn)在水庫上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對水面下風(fēng)向影響范圍不斷增大。

第三，在地面溫度、水地溫差相同時，隨著水面寬度的增大，水庫水面引起的上空高度方向流速分量最大值逐漸增大，且最大值均出現(xiàn)在水庫上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對水面下風(fēng)向影響范圍不斷增大。

5 展望

水庫對區(qū)域氣流的影響過程復(fù)雜，影響因素眾多，本文僅考慮在特定的風(fēng)向和風(fēng)速分布情況下地面溫度、水地溫差以及水面寬度等主要影響因素，沒有考慮水庫周圍的地形、水庫水面形狀、水面蒸發(fā)過程、水質(zhì)等因素的影響，與實(shí)際情況有一定的差異。因此，為全面了解水庫對區(qū)域氣流的影響及具體的水體蒸發(fā)過程仍需進(jìn)一步研究分析。