參數(shù)率定方案對(duì)水溫?cái)?shù)值模擬結(jié)果的影響-論文.pdf

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1、第4期水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)No．42014年8月ANDENGD啞RINGAug．2014參數(shù)率定方案對(duì)水溫?cái)?shù)值模擬結(jié)果的影響劉肖，陳青生，魏小旺(1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098；2．浙江省錢(qián)塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江杭州310016)摘要：建立了立面二維水動(dòng)力一水溫模型，運(yùn)用建庫(kù)前天然河道及鄰近區(qū)域同類型水庫(kù)兩組不同實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定。根據(jù)這兩組計(jì)算參數(shù)分別模擬了驗(yàn)證時(shí)段內(nèi)D水庫(kù)水溫分布，以及A水庫(kù)庫(kù)區(qū)水溫變化過(guò)程。數(shù)值模擬結(jié)果表明，存其他條件保持一致的情況下，天然河道及鄰近區(qū)域同類型水庫(kù)資料均可用于數(shù)值模擬參數(shù)的率定，將兩組驗(yàn)證參數(shù)用于實(shí)際計(jì)算時(shí)，所得結(jié)果表現(xiàn)出

2、相同的規(guī)律，但具體數(shù)值存在一定差異。分析認(rèn)為，鄰近區(qū)域同類型水庫(kù)資料驗(yàn)證更符合實(shí)際情況，故在此類水庫(kù)水溫的數(shù)值模擬中，應(yīng)盡量選擇鄰近區(qū)域同類型水庫(kù)資料作為驗(yàn)證資料，若在條件不足的情況下，相關(guān)的天然河道資料也可以作為參考。關(guān)鍵詞：參數(shù)率定；水庫(kù)水溫；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TV697．21文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009—640X(2014)04—0082—05大型水庫(kù)建成后，庫(kù)區(qū)內(nèi)水深增加，水體流速減小，水體熱量輸運(yùn)過(guò)程隨之發(fā)生變化，使得水溫分布結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，庫(kù)區(qū)水溫分布及下泄水體的水溫不同于天然河道，對(duì)下游的水環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)模擬及預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫進(jìn)行了大量的研究。張

3、士杰等總結(jié)了我國(guó)水庫(kù)水溫研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，并提出了今后的發(fā)展趨勢(shì)；胡平等介紹了目前工程中預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫分布的主要方法，并采用水庫(kù)水溫?cái)?shù)值分析軟件，對(duì)二灘水庫(kù)和錦屏一級(jí)水庫(kù)水溫進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)。數(shù)值模擬方法是預(yù)測(cè)水溫的一種常用方法，而對(duì)所建數(shù)學(xué)模型的參數(shù)率定是數(shù)值模擬過(guò)程中很重要的一個(gè)步驟，參數(shù)的選擇是否合適，直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。然而，水溫預(yù)測(cè)研究工作一般是在水庫(kù)尚未建成前進(jìn)行，往往難以獲得水庫(kù)實(shí)測(cè)資料，一般可以采用鄰近區(qū)域同類型水庫(kù)或者天然河道的相關(guān)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。目前對(duì)兩種模型參數(shù)的率定方式的對(duì)比分析研究較少。本文以西北地區(qū)某A水庫(kù)為例，采用立面二維水動(dòng)力一

4、水溫?cái)?shù)學(xué)模型“，利用天然河道水溫(方案1)及鄰近區(qū)域D水庫(kù)水溫(方案2)兩種不同的驗(yàn)證方案對(duì)模型分別進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)參數(shù)率定，得到兩組不同的模型計(jì)算參數(shù)，在保證其他條件一致的情況下利用這兩組計(jì)算參數(shù)模擬計(jì)算4水庫(kù)水溫，并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。水庫(kù)水溫?cái)?shù)學(xué)模型的建立水庫(kù)水溫分層主要發(fā)生在垂向，水面風(fēng)速、風(fēng)向作為影響水體熱交換重要因素，其分布在河道縱向上需要加以考慮，結(jié)合水庫(kù)規(guī)模(壩前水深、水面面積、水面寬度和回水長(zhǎng)度等)及調(diào)節(jié)性能，對(duì)于本文所研究的狹長(zhǎng)型水庫(kù)確定采用沿橫向積分的立面二維的水動(dòng)力水溫?cái)?shù)學(xué)模型。立面二維水動(dòng)力一水溫?cái)?shù)學(xué)模型主要控制方程如下，方程定義河道走向?yàn)檩S，垂向

5、垂直于河道為。軸，橫向垂直于河道為Y軸。OUBOWB連續(xù)方程：a+a：(、1)_OUBOUUB0WUB動(dòng)量方程：～++——：sin+gc。s一Ota-Oz。。一Ox(2)Pjnd。cP等dxPOx+POz收稿日期：2013—12—09作者簡(jiǎn)介：劉肖(1988一)，女，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事工程水力學(xué)研究。E-mail：liuxiao_1224@163．COID第4期劉肖，等：參數(shù)率定方案對(duì)水溫?cái)?shù)值模擬結(jié)果的影響831OPgcos~一——_：0(3)Poz狀態(tài)方程：P=999．8452594+6．793952×10一9．095290×10T：+1．001685×10一T：一1

6、．120083×10r4+6．536332×10T：(4)自由水面方程：Ot=出一(5)OBDzOcI)OWB@物質(zhì)輸移(溫度)方程：++一Ox一?日OtOxazazl、式中：為水溫；U，W為流速在水平方向和垂直方向上的分量；B為水面在Y方向上的寬度；P為壓力；為重力加速度；tr，為方向和方向上的切應(yīng)力；p為密度；為水位；O／為底坡；Ux為支流流速的分量；g為單位寬度上的流量；q為每單位體積橫向人流／出流中的溫度或組分質(zhì)量流量；為溫度或組分濃度，D為縱向溫度或組分分散系數(shù)，D為垂向溫度或組分分散系數(shù)；5為橫向平均的源／匯項(xiàng)(本文計(jì)算中無(wú)橫向人流／出流及源／匯項(xiàng)，故取值為0)。上游人流

7、邊界給定逐月來(lái)流流量、水溫，出流邊界給定水庫(kù)逐月下泄流量；水氣交界面給定月平均氣溫、風(fēng)速風(fēng)向、云量等。初始條件分兩次設(shè)定，首次計(jì)算初始條件給定計(jì)算起始時(shí)刻水位，初始溫度分布為計(jì)算起始時(shí)刻平均來(lái)流水溫，經(jīng)一個(gè)完整周期的計(jì)算得到穩(wěn)定結(jié)果后，采用首次計(jì)算的結(jié)束時(shí)刻結(jié)果作為正式計(jì)算的初始條件。本文選用有限差分法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解，得出式(1)～(6)中的，，T，P，P和共6個(gè)變量。采用交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)解決壓力梯度和連續(xù)方程的離散困難。2模型驗(yàn)證模型驗(yàn)證的目的主要在