大風(fēng)對金山湖水動力影響的數(shù)值模擬研究

解清杰，蘇航，陳志剛，陳軍靜

(江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：為研究大風(fēng)對金山湖水利調(diào)度過程的影響，使用SMS軟件的RMA2二維水動力模型，模擬了東南向45° 8級大風(fēng)作用下金山湖調(diào)水過程的水動力特性，并和無風(fēng)作用時的水動力特性進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：大風(fēng)作用下金山湖注水過程發(fā)生明顯的增水現(xiàn)象，換水過程增水現(xiàn)象較弱；大風(fēng)對金山湖水流流向影響不大，增加了水流沿岸流動的趨勢，增強(qiáng)了注水過程西部湖區(qū)的渦流現(xiàn)象；大風(fēng)增大了金山湖的流速，入流斷面和出流斷面流速的增大比主湖區(qū)大。研究成果為金山湖多閘站聯(lián)合調(diào)度提供了水動力學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：RMA2；SMS；水動力模型；金山湖；增水現(xiàn)象；渦流現(xiàn)象

中圖分類號：TV131.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

金山湖是鎮(zhèn)江城市最大的閘壩型水體，水體特征受閘壩調(diào)控，常態(tài)水位為5.4 ～5.8 m[1]。根據(jù)鎮(zhèn)江市國土資源局官網(wǎng)提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得出，金山湖流域全年以EN—ES風(fēng)最多。其平均風(fēng)速偏大，受海向風(fēng)影響的時間、深度比陸向風(fēng)大而強(qiáng)，瞬間風(fēng)速可高達(dá)30 m/s[2]。本文主要研究在東南向45° 8級大風(fēng)(風(fēng)速19 m/s)作用下，在閘壩調(diào)控金山湖注水與換水時水動力特性的變化。

1金山湖二維水動力數(shù)值模型

SMS是由美國Brigham Young大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的水動力學(xué)軟件[3-4]。RMA2是SMS最重要、最基本的模塊，主要用于計算平面二維亞臨界及自由表面流場的水位、水深及平面流速等。是以雷諾形式N-S方程為基礎(chǔ)、以加權(quán)余量伽遼金有限元為基本求解方法的二維沿水深平均的水動力數(shù)值計算模擬[5]。

1.1　控制方程

水動力模型RMA2的基本方程是質(zhì)量守恒和x，y2個方向的動量守恒，具體形式如下[6]：

連續(xù)性方程為

(1)

動量方程為

(2)

(3)

式中：h為水深(m)；u，v分別為x向和y向流速(m/s)；x，y為坐標(biāo)(m)；t為時間(s)；ρ為流體密度(kg/m3)；E為渦動黏滯系數(shù)[kg/(m·s)]；g為重力加速度(m/s2)；a為底高程(m)；n為曼寧糙率系數(shù)；ξ為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)；Va為風(fēng)速(m/s)；Ψ為風(fēng)向；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度(rad/s)； ?為緯度。

1.2　參數(shù)與邊界條件

模型水溫參數(shù)設(shè)置為15 ℃；水深收斂系數(shù)設(shè)置為0.000 1；時間步長取0.5 h，模擬周期為10 h；曼寧系數(shù)為0.036；渦動黏滯系數(shù)為1 500 kg/(m·s)[7]。

在RMA2中有6種風(fēng)應(yīng)力的計算公式。本文采用Wu公式，其形式如下：

(4)

(5)

式中：Ts為風(fēng)應(yīng)力；ρa(bǔ)為空氣密度；C為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)；W為10 m高空處的風(fēng)速。本文研究的是恒定風(fēng)(東南向45°8級，風(fēng)速19 m/s)的影響，所以模擬中C值為恒定值0.002 035[8]。

圖1　研究區(qū)域布置示意圖 Fig.1　Map of the study area

本文研究以2010年10月27日換水過程與2011年5月23日注水過程鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行模擬。引航道閘控制金山湖引水入流，運(yùn)糧河閘控制金山湖排水，焦南閘為金山湖出流閘。在換水階段，引航道斷面與運(yùn)糧河斷面采用連續(xù)流量邊界條件，焦南壩斷面采用連續(xù)水位邊界條件；注水階段，引航道斷面采用連續(xù)流量邊界條件，焦南壩斷面采用連續(xù)水位邊界條件。研究區(qū)域布置示意見圖1。

1.3　模型驗(yàn)證

計算分別對5月份的注水過程與10月份的換水過程的水位與流速進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗(yàn)證。圖2為測點(diǎn)位置。

圖2　監(jiān)測點(diǎn)位分布示意圖 Fig.2　Layout of monitoring points

1.3.1水位驗(yàn)證

對于模型水位的驗(yàn)證，選取引航道斷面作為2個階段的驗(yàn)證斷面。圖3(a)為換水過程引航道斷面水位模擬值與實(shí)測值的對比，圖3(b)為注水過程引航道斷面水位模擬值與實(shí)測值的對比。2個階段水位模擬值與實(shí)測值均比較吻合，誤差均小于5%。

圖3　引航道斷面水位模擬值與實(shí)測值對比 Fig.3　Comparison of water level at approach channel section between simulated values and measured values

1.3.2流速驗(yàn)證

對于模型流速的驗(yàn)證，實(shí)測流速為水文測驗(yàn)垂線平均值。換水階段選焦南壩斷面為驗(yàn)證斷面，注水階段選引航道斷面為驗(yàn)證斷面。圖4(a)為換水過程焦南大壩斷面流速模擬值與實(shí)測值的對比，圖4(b)為注水過程引航道斷面流速模擬值與實(shí)測值的對比。比較發(fā)現(xiàn)，模型模擬值與實(shí)際測量值擬合效果良好，模型模擬結(jié)果可以比較真實(shí)地反映湖泊實(shí)際情況。

圖4　引航道斷面流速模擬值與實(shí)測值對比 Fig.4　Comparison of flow velocity at approach channel section between simulated values and measured values

2東南向大風(fēng)對閘壩調(diào)控下金山湖水動力特性的影響

2.1　增水現(xiàn)象

圖5給出的是有風(fēng)作用與無風(fēng)作用時引航道斷面的水位比較。從圖中可以看出在東南向45°8級恒定風(fēng)作用下，金山湖流域發(fā)生增水現(xiàn)象。其中，注水過程由于以引航道閘開啟為主，焦南壩開啟程度較小，風(fēng)向?yàn)闁|南向45°，而引航道斷面入流流向?yàn)橛晌鞅毕驏|南流向，與風(fēng)向相反，因此導(dǎo)致引航道斷面水位抬高，而焦南閘出流流量減少，注水總流量增加，大風(fēng)起增水作用，最高時可達(dá)0.52 m；大風(fēng)作用下?lián)Q水過程的增水現(xiàn)象相對較小，最高時僅為0.25 m。這為金山湖在調(diào)水時進(jìn)行水位的調(diào)控建立了一定的水動力依據(jù)。

圖5　有風(fēng)與無風(fēng)作用下引航道斷面水位對比 Fig.5 Comparison of water level at approach channel section in the presence and in the absence of wind

2.2　大風(fēng)對流速的影響

圖6、圖7給出的是引航道斷面和焦南壩斷面的有風(fēng)與無風(fēng)作用下流速對比。從圖中可以看出大風(fēng)對金山湖流域流速有增大作用，這與金山湖的主湖道整體流向以及增水作用有關(guān)。這不僅增加了注水過程的效率，更有利于金山湖換水過程的進(jìn)行，促進(jìn)了污染物質(zhì)的傳遞。其中，大風(fēng)對引航道斷面的影響較平穩(wěn)，對焦南壩斷面的流速影響起伏較大。

圖6　有風(fēng)與無風(fēng)作用下引航道斷面流速對比 Fig.6 Comparison of flow velocity at approach channel section in the presence and in the absence of wind

圖7　換水過程有風(fēng)與無 風(fēng)作用下焦南壩斷面 流速對比 Fig.7　Comparison of flow velocity at Jiaonan section in the presence and in the absence of wind in the water exchange process

2.3　大風(fēng)對流向的影響

圖8、圖9給出的是換水與注水過程有風(fēng)與無風(fēng)作用下的金山湖流域的流速矢量圖。由于金山湖為半封閉式水體，閘壩調(diào)控下的調(diào)水過程以引航道閘為主入流斷面，焦南壩為主出流斷面，再加上金山湖主湖道的地形特點(diǎn)[9]，金山湖的水流流向整體呈現(xiàn)由西往東的態(tài)勢。因此，東南向45°向大風(fēng)對金山湖水流流向的影響較小，加強(qiáng)了湖泊主導(dǎo)流向的水流速度。換水與注水過程中，大風(fēng)加強(qiáng)了沿岸流，對金山湖入流和出流流速影響較大，對主湖道流速影響相對較小。此外，在注水過程中，由于增水作用明顯，造成入流斷面與運(yùn)糧河斷面的水位差加大，因此大風(fēng)加強(qiáng)了西部湖區(qū)的渦流現(xiàn)象。

圖9　注水過程金山湖水流流向 Fig.9　Flow direction of Jinshan Lake in the water injection process

3結(jié)論

本文在分析金山湖水動力和地形特征的基礎(chǔ)上，使用SMS軟件的RMA2二維水動力模型模擬了東南向45°8級大風(fēng)作用下以及無風(fēng)作用下金山湖的水動力特性，并進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論：

(1) 大風(fēng)作用下金山湖注水過程發(fā)生明顯的增水現(xiàn)象，最高時可達(dá)0.52 m，換水過程增水現(xiàn)象相對較小。這為金山湖在調(diào)水時進(jìn)行水位調(diào)控建立了一定的水動力依據(jù)。

(2) 金山湖主湖道流向自西向東，再加上金山湖湖底地形的影響，大風(fēng)對金山湖水流流向影響不大，增加了水流沿岸流動的趨勢，增強(qiáng)了注水過程西部湖區(qū)的渦流現(xiàn)象。

(3) 大風(fēng)對金山湖流速的影響起增大作用，入流斷面和出流斷面流速的增大影響比主湖區(qū)大，提高了金山湖注水與換水調(diào)度的效率。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Numerical Simulation of the Hydrodynamics ofJinshan Lake Affected by Strong Wind

XIE Qing-jie，SU Hang，CHEN Zhi-gang，CHEN Jun-jing

(School of Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang212013, China)

Abstract:To investigate the influence of strong wind on the water transfer process of Jinshan lake, we employed the RMA2 two-dimensional hydrodynamic model of Surface-water Modeling System (SMS) to simulate the hydrodynamic characteristic of water transfer under the action of wind (southeast direction,45°) of scale 8 and compared it with that in the absence of wind action. Results show that when there is strong wind, water level increases obviously in the water injection process, but the phenomenon is weak in the water exchange process; flow direction is not much affected by the strong wind, but the trend of water flowing along the bank intensifies and the eddy flow in the west part of the lake is more apparent in the water injection process; wind increases the flow velocity of the lake, and the increment is more obvious in the inflow section and outflow section than in the main area of the lake.The research result is a basis for the joint dispatching of multiple stations of Jinshan Lake.

Key words: RMA2; SMS; hydrodynamic model; Jinshan Lake;water level increase; eddy flow