分层水库垂向二维水温模型模拟研究-环境工程专业论文.docx

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分层水库垂向二维水温模型模拟研究-环境工程专业论文

PAGE PAGE 4 PAGE PAGE 13 西安建筑科技大学硕士学位论文 湖泊水库水质模型是在河流水质模型发展的基础上建立起来的。其发展经过 多元化的发展:在对水体的研究上,从河流、河口的研究延伸到对湖泊水库、海 湾的研究:在数学模型的空间分布上,从零维、一维发展到二维和 三维:在水质 模型的数学模拟上,由确定性模型发展到随机性模型;在水质影响因子上,从相 对比较简单的生化 需氧量和溶解氧两个指标发展到复杂的生化营养元素(磷、氮 、 硅)生物体与食物链〈叶绿素 a、浮游动物等)等13个水质指标(2)。从上世纪70年 代以来,随着计算机科学技术的广泛发展和普遍应用,加拿大内陆研究中心、美 国陆军团水道试验站、日本琵琶湖研究中心等多家研究机构的专家率先应用数学 模型,对北美的安大略湖(An tario) 、伊利湖(Erie),日本的琵琶湖(Biwa)等世界著名 湖泊的湖流流场进行数值模拟。到现在为止,数学模型在湖库研究中的应用已经 经过了40多年的发展历程,湖泊水质模型已经逐渐成熟完善起来,并取得了很多成 果[匀。 从湖泊水库水质模型的研究情况来看一些国家如美国、加拿大、丹麦、德国、 荷兰 、澳大利亚等走在了世界的前列,特别是美 国,在该领域上占着绝对的主导地 位。 1925年斯崔特·菲尔普斯 (Streeter-Phelps) 建立第一个水质模型一-BOD-DO 模型是最早的一类水环境模型,方程只是简单的考虑氧平衡过程,其中也涉及到一 些非耗氧物质,属于一维稳态模型。由于 当时对水质模型的研究还处于萌芽阶段,因 此在复杂水环境条件下的应用范围受到很大的限制 (4J 由于历史情况和科研条件的限制,与国外相比,国内在这些方面的研究开始 的比较晚。 80 年代以来,我国逐步引进和研究出一些水库水质模型。李嘉、李志 勤[5] (2005 年〉等专业人员进行水库水动力学特性及湾染物运动的研究工作,运 用贴体坐标下的三维 k-e 模型对三峡水库坝前 50km 的流场和浓度场进行了三维数 值模拟和模型验证 ,并将其应用于紫坪铺水库。暨南大学韩博平(6)等教授也建立二 维水动力模型并将其应用于流溪河水库。胡维平 (71等中科院研究员针对太湖污染问 题,采用三维水动力数值模型研究了风生流和风涌增减水,并运用差分方程离散 求解,模拟出太湖风生流存在的垂直切变规律。 1.2.2 水库水流模型研究 国外从 20世纪 60年代起开始这方面的研究 [8) 1961 年, J. M. Raphael 首次 提出具有动力学基础的水库动态热能平衡定量计算方法 。该方法考虑对流、日 射、 蒸发和传导引起的热能收支,首次在哥伦比亚河上一些充分混合水库进行应用, 西安建筑科技大学硕土学位论文 与实测资料相比相当满意。 1960 年前后, Burt 也提出了类似的方法。 70- 80 年代, 国内外研究人员主要应用准二维、准 三维水库水质模型。n Baca 和 Arn饨,1977), 有关学者研制出描述水库水流运动及水温分布的三维模型(如 Simons 等 ,1977)。 罔内在 20 世纪 80 年代中期开始湖泊水动力学数值模拟的研究。不过近 20 多 年以米也取得了一些的成果。叶守泽等 (1)用立面二维模型研究水库的水流特性,认 为分层水库入流和出流只在水库中一定厚度的范围内流动,给出了入流水层厚度 和出流水层厚度的计算经验公式和入 、出流流速三角形分布的计算公式。叶间 [91 用平面二维模型研究了河道型水库的水流条件 ,并在此基础上分析了河道型水库 岸边污染带分布特性,调查 1999 年 3 月中旬湖南省衡阳市发生的自来 水厂水源污 染事件发生的原因。高庆先等(1 0)从二维法水非恒定流的控制方程出发,建立了一 个二维湖泊流体动力学模型 ,对天津于桥水库引水期和非引水期流场的不同情况 进行 了模拟试验。 1.2.3 温度模型研究 水温是一个十分重要的水质参数 ,它与其他水质要素如生化需氧量和富氧过 程等都有着密切的联系,同时也同整个水生态系统有很大的关系。因此,大型深 水水库水温分层现象将严重影响到污染物的传输扩散途径 ,对水质分布产生多方 面的影响。 水库水温的研究经历从观测实验到经验分析再到数学模型的过程。美国和苏 联早在上个世纪 30年代就已经开始水温的监测分析工作,并且在数学模型的建立 和应用等方面均处 于世界前列。上世纪 60年代末,美国的Orlob和Selna、Huber和 Harleman分别独立地提出各自的深分层蓄水体温度变化的垂向 ·维数学模型 ,即 一维WRE模型和MIT模型。随后日本边立模拟分层水库的温度和烛度的数学模型, 前苏联在现场实验研究方面做大量的工作,建 立水介质的热转

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