《密度層化深水庫內波模擬及其環境效應研究》是依託河海大學，由王玲玲擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：密度層化深水庫內波模擬及其環境效應研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王玲玲
- 依託單位：河海大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
深水庫水溫分層對水庫水生態、水環境有極大影響，抑制溫度層化可顯著改善深水庫水體的生態環境條件。本項目擬運用海洋密度分層流研究中的內波理論，將深水庫孔口泄流、風生流等波源激發內波的過程概化為剪下流造波，採用物理模型試驗、數值模擬計算、現場監測和理論分析相結合的方法，對深水庫內波的數學模型建立，內波產生、傳輸、消亡過程的精細模擬方法，內波失穩與破碎的機理與規律，能量耗散機制及其對水體中物質輸移的影響等問題進行研究，揭示內波與深水庫層化水體相互作用機理及其環境效應。在此基礎上，以具有水溫分層特性的三峽水庫香溪河支流庫灣為典型區域，建立深水庫內波數值實驗室，藉助現場水溫和水動力監測資料，率定、驗證數值模型，進一步研究多因素耦合作用所激發內波的生消規律及其與溫度層化水體的相互作用，提出利用內波抑制深水庫水溫層化的方法。成果對改善深水庫生態環境、保障區域經濟可持續發展具有重要意義。
結題摘要
水體的密度分層可阻礙了上下層水體以及物質的交換。內波是層化水體中普遍存在的水動力現象，特別是在夏季的湖庫中，內波破碎所產生的紊動對於加強層化水體的紊動、改善水環境有重要作用。不規則地形是內波破碎的重要因素之一，因此，研究內波與地形的相互作用以及內波破碎機理有重要意義。鑒於此，本項目自主研發了動態擬序渦結構模型和基於浸沒邊界法的直接數值模擬程式對內波的產生、傳播、物質輸運以及破碎機制進行了深入研究，為層化水體水環境的改善提供支撐。 本研究在四年的執行期限內主要取得如下四方面成果：1.通過對傳統算法的改進，提出並研發了適合於複雜地形下密度流模擬的直接數值模擬模型以及動態擬序渦結構大渦模擬模型（DCEM），運用自研模型開展了系列內波產生、傳輸及破碎的機理研究。2. 開展內波物理水槽試驗，採用“重力塌陷法”在水槽內成功造波，對非恆定流速、波面傳輸過程進行系統量測，總結規律，運用試驗成果率定並驗證自研數學模型，表明本項研究所開發的數學模型能夠較好的捕捉內波波形和流場流態。3.建立了基於直接數值模擬和大渦模擬求解方法的三維密度流數值水槽，生成界面內孤立波，數值研究了內波生成、傳輸、在坡面上的破碎規律，以及內波在山脊地形、階梯地形、高斯地形影響下的傳輸特徵。數值模擬研究結果顯示：透射波波幅和波能分別與阻礙係數呈指數遞減，反射波則呈對數遞增的規律；當阻礙係數約為0.8時，入射與透射達到平衡；對於不同的內波破碎類型，波致流速大小不一，但整體上波致流速的最大值均介於1.2~1.5倍的相傳播速度，其中坍塌型破碎波的最大水平波致流速最大，卷躍型破碎波次之，涌浪型破碎波最大水平波致流速最小；通過監測邊界層內流速數據發現內波流場激發引起的邊界層“渦”脫落的頻率介於0.15-0.2Hz之間。4. 建立了三峽水庫香溪河庫灣三維密度分層流精細數值模型，獲得了香溪河庫灣不同季節密度流流型，以靜力穩定度為指標，研究了不同季節水庫水位波動所產生的等溫線波動形態和幅度，表明不同季節中靜力穩定度分布的差異，以及由此引起的溫躍層波動特徵。成果揭示了密度分層及內波對庫灣水動力及水環境的影響，結果還表明當水體靜力穩定度的值介於0.5×10-4~2.0×10-4時，等溫線內波波面振幅隨穩定度增加。當水體靜力穩定度的值超過2.0×10-4時，香溪河庫灣水位變化不容易引起等溫線的波動。
