水庫(kù)對(duì)區(qū)域氣流影響數(shù)值模擬研究

曹 剛

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

修建水庫(kù)、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(kù)在帶來巨大的工程效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了明顯的環(huán)境變化。水庫(kù)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(kù)周邊水氣運(yùn)動(dòng)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(shí)。因此研究水庫(kù)對(duì)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(duì)水庫(kù)不同的水面溫度、水地溫差、水面寬度等各個(gè)工況的模擬，分別分析這三種要素對(duì)區(qū)域氣流的流動(dòng)特性和溫度變化及影響范圍的影響，最后得出水庫(kù)的修建對(duì)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(duì)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(duì)流以及水面蒸發(fā)氣流對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)，計(jì)算區(qū)域?yàn)?0000m×3000m（長(zhǎng)×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(gè)，在水平方向上以50m進(jìn)行等分通過對(duì)模型計(jì)算區(qū)域及初邊界條件進(jìn)行修改，得出了由庫(kù)水面蒸發(fā)及水地溫差引起的自然對(duì)流對(duì)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(dòng)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(shí)，地面溫度分別為15℃，20℃，25℃，30℃，35℃時(shí)的氣流運(yùn)動(dòng)情況；地面溫度為20℃，水面寬度為1000m時(shí)，水地溫差分別為 2℃，4℃，6℃，8℃，10℃時(shí)的氣流流動(dòng)狀況；地面溫度為20℃，水地溫差為4℃時(shí)，水面寬度分別為1000m，2000m，3000m，4000m，5000m 時(shí)的氣流運(yùn)動(dòng)狀況。以上工況均在風(fēng)速輪廓為長(zhǎng)江三峽壩區(qū)實(shí)測(cè)全年平均風(fēng)速的情況下進(jìn)行，即從地面到100m，風(fēng)速?gòu)?.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(cè)的情況為研究對(duì)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(shí)高度方向流速分量的分布、溫度變化以及對(duì)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(kù)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(kù)上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫(kù)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(duì)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(shí)，隨著水地溫差從2~10℃的增大，水庫(kù)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(kù)上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫(kù)引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對(duì)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(shí)，隨著水面寬度從1000~5000m的增大，庫(kù)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(kù)上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫(kù)引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對(duì)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(kù)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(kù)面上風(fēng)岸附近流速降低，下風(fēng)岸流速稍有增大；庫(kù)水面會(huì)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(shí)，隨著地面溫度的增大，由水庫(kù)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(kù)上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫(kù)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(duì)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(shí)，隨著水地溫差的增大，水庫(kù)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(kù)上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫(kù)引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對(duì)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(shí)，隨著水面寬度的增大，水庫(kù)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(kù)上風(fēng)岸附近；相同高度水平方向上由水庫(kù)引起的水面上空附近溫差不斷增大，且溫差最大值增大；對(duì)水面下風(fēng)向影響范圍不斷增大。

5 展望

水庫(kù)對(duì)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(kù)周圍的地形、水庫(kù)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(kù)對(duì)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。