水库对区域气流影响数值模拟研究

2014-08-15曹刚

山西水利 2014年3期

曹刚

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

修建水库、进行水力发电不仅可以解决世界水源、能源的紧张问题，并且可以发挥防洪、防凌、灌溉、航运、水产增殖和发展旅游业等综合效益。水库在带来巨大的工程效益、社会效益和经济效益的同时，也带来了明显的环境变化。水库建设与周围环境之间存在着十分密切的关系。但由于水库周边水气运动的影响因素众多，相互之间的作用与影响较为复杂，已有的研究成果未形成统一的认识。因此研究水库对区域气流的影响问题具有重要的理论和现实意义。通过数值模拟方法对水库不同的水面温度、水地温差、水面宽度等各个工况的模拟，分别分析这三种要素对区域气流的流动特性和温度变化及影响范围的影响，最后得出水库的修建对区域气流的影响。

1 计算区域及网格划分

为了更合理地模拟水面面积的增大对区域气流的影响，现将数学模型的计算区域进行扩大至接近实际尺寸。主要模拟水面上空在水气温差的作用下形成的自然对流以及水面蒸发气流对区域水平气流的影响，因此计算区域的大小既要满足自然对流气流充分发展，又要满足水平气流在水面上下游充分发展，同时又要避免区域选择过大引起计算工作量的增大。经试算，确定当水面宽度为1000m时，计算区域为20000m×3000m（长×高）。由于模型为规则的矩形，且主要关心地面附近的气流变化，因此将网格设置为非均匀的四边形结构网格，在垂直方向上网格尺寸从地面向上以1.05的比率变化，且总网格数为60个，在水平方向上以50m进行等分通过对模型计算区域及初边界条件进行修改，得出了由库水面蒸发及水地温差引起的自然对流对水平气流的影响及影响范围。

2 数值模拟方案

为了使数学模型能反映实际水气流动的情况，从地面温度、水地温差、水面宽度等方面模拟出当水地温差为4℃，水面宽度为1000m时，地面温度分别为15℃，20℃，25℃，30℃，35℃时的气流运动情况；地面温度为20℃，水面宽度为1000m时，水地温差分别为 2℃，4℃，6℃，8℃，10℃时的气流流动状况；地面温度为20℃，水地温差为4℃时，水面宽度分别为1000m，2000m，3000m，4000m，5000m 时的气流运动状况。以上工况均在风速轮廓为长江三峡坝区实测全年平均风速的情况下进行，即从地面到100m，风速从1.0m/s线性增加到2.0m/s，100~600m之间风速维持在2.0m/s附近，600m以上风速随高度增加较快。

3 模拟结果及影响因素分析

3.1 地面温度影响

以水地温差为4℃，水面宽度为1000m，风速轮廓为实测的情况为研究对象，分别分析当地面温度为15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，且地面以上温度分布遵循每上升1000m温度降低6℃的温度分布规律时高度方向流速分量的分布、温度变化以及对温度影响范围的变化情况。随着地面温度从15~35℃的增大，由水库引起上空高度方向流速分量的最大值从0.0835~0.0916m/s增大，且最大值出现的位置均在水库上风岸附近；相同高度水平方向上由水库引起的水面上空附近温差不断增大，且温差最大值不断增大；对水面下风向影响范围从8750~9850m不断增大。

3.2 水地温差影响

在地面温度为20℃、水面宽度为1000m时，随着水地温差从2~10℃的增大，水库引起的上空高度方向流速分量最大值从0.0849~0.0857m/s逐渐增大，且最大值的位置均出现在水库上风岸附近；相同高度水平方向上由水库引起的水面上空附近温差不断增大，且温差最大值增大；对水面下风向影响范围从7850~9850m不断增大。

3.3 水面宽度影响

在地面温度为20℃、水地温差为4℃时，随着水面宽度从1000~5000m的增大，库水面引起的上空高度方向流速分量最大值从0.0851~0.1068m/s逐渐增大，且最大值均出现在水库上风岸附近；相同高度水平方向上由水库引起的水面上空附近温差不断增大，且温差最大值增大；对水面下风向影响范围从8900~20000m不断增大。

综上可以得出，由于库水面的蒸发及水气温差所引起的高度方向流速分量最大值约为0.1m/s，且引起库面上风岸附近流速降低，下风岸流速稍有增大；库水面会引起区域温度的升高，其影响主要发生在水面上风岸50m以内和下风岸20000m以内，影响高度约为500m，影响范围在空间上呈舌状分布，且在下风向离岸距离越远影响高度越高。