大风对金山湖水动力影响的数值模拟研究

大风对金山湖水动力影响的数值模拟研究

解清杰，苏航，陈志刚，陈军静

(江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江212013)

摘要：为研究大风对金山湖水利调度过程的影响，使用SMS软件的RMA2二维水动力模型，模拟了东南向45° 8级大风作用下金山湖调水过程的水动力特性，并和无风作用时的水动力特性进行比较分析。结果表明：大风作用下金山湖注水过程发生明显的增水现象，换水过程增水现象较弱；大风对金山湖水流流向影响不大，增加了水流沿岸流动的趋势，增强了注水过程西部湖区的涡流现象；大风增大了金山湖的流速，入流断面和出流断面流速的增大比主湖区大。研究成果为金山湖多闸站联合调度提供了水动力学依据。

关键词：RMA2；SMS；水动力模型；金山湖；增水现象；涡流现象

中图分类号：TV131.2文献标志码：A

金山湖是镇江城市最大的闸坝型水体，水体特征受闸坝调控，常态水位为5.4 ～5.8 m[1]。根据镇江市国土资源局官网提供的统计数据分析得出，金山湖流域全年以EN—ES风最多。其平均风速偏大，受海向风影响的时间、深度比陆向风大而强，瞬间风速可高达30 m/s[2]。本文主要研究在东南向45° 8级大风(风速19 m/s)作用下，在闸坝调控金山湖注水与换水时水动力特性的变化。

1金山湖二维水动力数值模型

SMS是由美国Brigham Young大学环境模型研究实验室开发的水动力学软件[3-4]。RMA2是SMS最重要、最基本的模块，主要用于计算平面二维亚临界及自由表面流场的水位、水深及平面流速等。是以雷诺形式N-S方程为基础、以加权余量伽辽金有限元为基本求解方法的二维沿水深平均的水动力数值计算模拟[5]。

1.1　控制方程

水动力模型RMA2的基本方程是质量守恒和x，y2个方向的动量守恒，具体形式如下[6]：

连续性方程为

(1)

动量方程为

(2)

(3)

式中：h为水深(m)；u，v分别为x向和y向流速(m/s)；x，y为坐标(m)；t为时间(s)；ρ为流体密度(kg/m3)；E为涡动黏滞系数[kg/(m·s)]；g为重力加速度(m/s2)；a为底高程(m)；n为曼宁糙率系数；ξ为风应力系数；Va为风速(m/s)；Ψ为风向；ω为地球自转角速度(rad/s)； ø为纬度。

1.2　参数与边界条件

模型水温参数设置为15 ℃；水深收敛系数设置为0.000 1；时间步长取0.5 h，模拟周期为10 h；曼宁系数为0.036；涡动黏滞系数为1 500 kg/(m·s)[7]。

在RMA2中有6种风应力的计算公式。本文采用Wu公式，其形式如下：

(4)

(5)

式中：Ts为风应力；ρa为空气密度；C为风应力系数；W为10 m高空处的风速。本文研究的是恒定风(东南向45°8级，风速19 m/s)的影响，所以模拟中C值为恒定值0.002 035[8]。

图1　研究区域布置示意图 Fig.1　Map of the study area

本文研究以2010年10月27日换水过程与2011年5月23日注水过程镇江市环境监测中心的水文监测数据为依据进行模拟。引航道闸控制金山湖引水入流，运粮河闸控制金山湖排水，焦南闸为金山湖出流闸。在换水阶段，引航道断面与运粮河断面采用连续流量边界条件，焦南坝断面采用连续水位边界条件；注水阶段，引航道断面采用连续流量边界条件，焦南坝断面采用连续水位边界条件。研究区域布置示意见图1。

1.3　模型验证

计算分别对5月份的注水过程与10月份的换水过程的水位与流速进行了校准和验证。图2为测点位置。

图2　监测点位分布示意图 Fig.2　Layout of monitoring points

1.3.1水位验证

对于模型水位的验证，选取引航道断面作为2个阶段的验证断面。图3(a)为换水过程引航道断面水位模拟值与实测值的对比，图3(b)为注水过程引航道断面水位模拟值与实测值的对比。2个阶段水位模拟值与实测值均比较吻合，误差均小于5%。

图3　引航道断面水位模拟值与实测值对比 Fig.3　Comparison of water level at approach channel section between simulated values and measured values

1.3.2流速验证

对于模型流速的验证，实测流速为水文测验垂线平均值。换水阶段选焦南坝断面为验证断面，注水阶段选引航道断面为验证断面。图4(a)为换水过程焦南大坝断面流速模拟值与实测值的对比，图4(b)为注水过程引航道断面流速模拟值与实测值的对比。比较发现，模型模拟值与实际测量值拟合效果良好，模型模拟结果可以比较真实地反映湖泊实际情况。

图4　引航道断面流速模拟值与实测值对比 Fig.4　Comparison of flow velocity at approach channel section between simulated values and measured values

2东南向大风对闸坝调控下金山湖水动力特性的影响

2.1　增水现象

图5给出的是有风作用与无风作用时引航道断面的水位比较。从图中可以看出在东南向45°8级恒定风作用下，金山湖流域发生增水现象。其中，注水过程由于以引航道闸开启为主，焦南坝开启程度较小，风向为东南向45°，而引航道断面入流流向为由西北向东南流向，与风向相反，因此导致引航道断面水位抬高，而焦南闸出流流量减少，注水总流量增加，大风起增水作用，最高时可达0.52 m；大风作用下换水过程的增水现象相对较小，最高时仅为0.25 m。这为金山湖在调水时进行水位的调控建立了一定的水动力依据。

图5　有风与无风作用下引航道断面水位对比 Fig.5 Comparison of water level at approach channel section in the presence and in the absence of wind

2.2　大风对流速的影响

图6、图7给出的是引航道断面和焦南坝断面的有风与无风作用下流速对比。从图中可以看出大风对金山湖流域流速有增大作用，这与金山湖的主湖道整体流向以及增水作用有关。这不仅增加了注水过程的效率，更有利于金山湖换水过程的进行，促进了污染物质的传递。其中，大风对引航道断面的影响较平稳，对焦南坝断面的流速影响起伏较大。

图6　有风与无风作用下引航道断面流速对比 Fig.6 Comparison of flow velocity at approach channel section in the presence and in the absence of wind

图7　换水过程有风与无 风作用下焦南坝断面 流速对比 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　大风对流向的影响

图8、图9给出的是换水与注水过程有风与无风作用下的金山湖流域的流速矢量图。由于金山湖为半封闭式水体，闸坝调控下的调水过程以引航道闸为主入流断面，焦南坝为主出流断面，再加上金山湖主湖道的地形特点[9]，金山湖的水流流向整体呈现由西往东的态势。因此，东南向45°向大风对金山湖水流流向的影响较小，加强了湖泊主导流向的水流速度。换水与注水过程中，大风加强了沿岸流，对金山湖入流和出流流速影响较大，对主湖道流速影响相对较小。此外，在注水过程中，由于增水作用明显，造成入流断面与运粮河断面的水位差加大，因此大风加强了西部湖区的涡流现象。

图9　注水过程金山湖水流流向 Fig.9　Flow direction of Jinshan Lake in the water injection process

3结论

本文在分析金山湖水动力和地形特征的基础上，使用SMS软件的RMA2二维水动力模型模拟了东南向45°8级大风作用下以及无风作用下金山湖的水动力特性，并进行比较分析，得出以下结论：

(1) 大风作用下金山湖注水过程发生明显的增水现象，最高时可达0.52 m，换水过程增水现象相对较小。这为金山湖在调水时进行水位调控建立了一定的水动力依据。

(2) 金山湖主湖道流向自西向东，再加上金山湖湖底地形的影响，大风对金山湖水流流向影响不大，增加了水流沿岸流动的趋势，增强了注水过程西部湖区的涡流现象。

(3) 大风对金山湖流速的影响起增大作用，入流断面和出流断面流速的增大影响比主湖区大，提高了金山湖注水与换水调度的效率。

参考文献：

[1]何峰.闸坝型水体水质变化趋势研究——以镇江金山湖为例[D].镇江：江苏大学，2012. (HE Feng. Study on the Water Quality Trend of Dammed Water Body：A Case of Jinshan Lake in Zhenjiang[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2012. (in Chinese))

[2]张世闿，胥明章，沈效鸿,等.镇江市志[EB/OL]. [2013-09-11]. http:∥szb.zhenjiang.gov.cn/htmA/fangzhi/zj/0001.htm.(ZHANG Shi-kai, XU Ming-zhang, SHEN Xiao-hong,etal. Records of Zhenjiang City[EB/OL]. [2013-09-11]. (in Chinese))

[3]USACE. SMS Tutorials Version 10.0[K]. US: USACE, 2008.

[4]陈跃燕.SMS在镇江内江水质模拟与预测中的应用[D].镇江：江苏大学，2007. (CHEN Yue-yan. Application of SMS in Water Quality Simulation and Prediction of Inner-river in Zhenjiang[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2007. (in Chinese))

[5]USACE. Users Guide to RMA2 WES Version 4.5[K]. US: USACE, 2003.

[6]LI Lin-lu, HUANG Wen-rui, LIU Shu-guang,etal. Two-dimensional Hydrodynamic and Pollutant Transport Modeling of Jiangyin-Xuliujing Reach of Yangtze Estuary[C]∥ Proceedings of the 2012 International Conference of Health, Structure, Material and Environment, December 4-5, 2012: 999-1004.

[7]孙东坡.水力学[M].郑州:黄河水利出版社,2009. (SUN Dong-po. Hydraulics[M]. Zhengzhou: Yellow River Conservancy Press, 2009. (in Chinese))

[8]周婕，曾诚，王玲玲.风应力拖曳系数选取对风生流数值模拟的影响[J].水动力学研究与进展, 2009, 24(4): 440-447. (ZHOU Jie, ZENG Cheng, WANG Ling-ling. Effect of Wind Drag Coefficient on the Numerical Simulation of Wind Flow[J]. Journal of Hydrodynamics, 2009, 24(4):440-447. (in Chinese))

[9]张发兵,胡维平,秦伯强. 湖底地形对风生流场影响的数值研究[J]. 水利学报, 2004，(12):34-38.(ZHANG Fa-bing, HU Wei-ping, QIN Bo-qiang. Numerical Study on the Effect of Topography on Wind Drift Current[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, (12): 34-38. (in Chinese))

(编辑：刘运飞)

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