石佛寺水库二维水动力数值模拟-《江苏农业科学》(2020年13期).docx

龙源版权所有 石佛寺水库二维水动力数值模拟作者：胡艳海 周林飞来源：《江苏农业科学》2020年第13期 摘要：石佛寺水库是辽河干流上唯一一座控制性水利工程，将其作为研究对象，基于水动力软件MIKE 21，建立了石佛寺水库二维非稳态水动力模型。利用质量平衡进行模型可靠性分析，结果表明，不合理洪水过程线是有效的，即模型是可靠的;利用2018年水库实测流量资料进行模型主要参数的率定，采用偏差统计法进行误差分析，结果表明，绝对值偏差为72 m3/s，相对误差为7.5%，模型计算误差在允许范围内，满足精度要求;实现了水库流场变化规律的模拟计算。利用所建立的模型，进行石佛寺水库水动力情况的模拟与分析，进一步验证了模型的可靠性，可为水库的日常管理、生态治理、水质改善等提供技术支持。该模型的建立为水库水质模型提供了运行载体，是水质参数运移、消散、衰减过程研究的基础。 关键词：石佛寺水库;水动力模型;数值模拟;参数;率定 中图分类号： S271文献标志码： A文章编号：1002-1302（2020）13-0265-06 收稿日期：2019-08-13 基金项目：辽宁省水利科学技术项目（编号。 作者简介：胡艳海（1993—），男，辽宁凌源人，硕士研究生，主要从事水文学及水资源研究。E-mail：2207567047@。 通信作者：周林飞，博士，副教授，主要从事水环境研究。E-mail：zlf924@163.com。目前，在水库研究中水动力学过程发挥着重要的作用，对水体与气体、水体本身、水体与沉积物之间的能量转化、物质传输以及能量交换等一系列过程产生一定程度的影响，是水库变化规律研究的前提[1]。从20世纪80年代开始，平面二维水动力模型逐渐变得成熟，研究者不断对数值模拟的方法进行改善与革新。在大型数字计算机以及地理信息系统技术的不断快速发展过程中，平面二维水动力模型（MIKE 21 flow model），以完全圣维南方程为基本前提来求解两维水流的水力學方法，可提供有效的参数和完整的设计条件。该模型利用有限体积算法灵活完成复杂地形的处理工作，在短时间内能够反映水库的水动力流场的变化运移情况。本研究以石佛寺水库为研究背景，建立其二维非稳态水动力模型，并经过模型参数的率定和水动力模型可靠性的验证，最终得到合理可行的水库水动力模型，为进一步和水质模型的建立和耦合提供前提条件。 辽河河源位于河北省平泉县七老图山脉的光头山，该河流河源段由东辽河与西辽河2段组成，其干流主要流经河北省、内蒙古自治区、吉林省、辽宁省4个省份，流域全长和流域面积分别为1 345 km和21.9万km2。石佛寺水库根据地形分类，属于河道形平原水库，是辽河干流上唯一一座同时兼顾防洪、生态和供水三大功能的大型控制性水利工程，其中防洪是水库的最主要功能，主要体现在对下游人口、基础设施和耕地的保护，水库行政区处于辽宁省沈阳市新城子区境内，与沈阳市区相距47 km。石佛寺水库主要水利枢纽有泄洪闸、主坝和副坝。枢纽工程等级为Ⅱ等工程，永久性建筑物等级为2级，共布置泄洪闸16孔，闸孔总宽度为248.5 m。水库开工于2003年5月，完工于2005年10月，并于2009年开始进行生态蓄水。 1MIKE 21水动力计算原理 MIKE 21 flow model（FM，平面二维非稳态数学模型）凭借着其自身强大的卡片设置功能，干、湿节点和干、湿单元的设置功能，以及非常优秀的前、后处理功能，被广泛地应用于二维水动力学现象的研究中。该模型常被推荐为水库、湖泊、河流、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。 1.1计算原理 MIKE 21 flow model（FM）是基于三向不可压缩和雷诺（Reynolds）值分布的纳维耶斯托克斯（Navier-Stokes）方程，同时服从于静水压力的假定和布辛涅斯克（Boussinesq）假设。由于各水力要素沿垂向变化速率远不及水平方向的变化显著，因此，考虑将沿垂向积分的二维非恒定流浅水方程作为模型的控制方程。连续方程见式（1）;x、y方向的动量方程如式（2）和式（3）所示[2]。 1.2计算方法 二维水动力数值模拟的计算方法有以下3种形式：有限差分法、有限单元法和有限体积法。基于各计算方法有着较为明显的优缺点，用户全面综合的考虑计算速度、要求的计算精度以及相应的研究对象等多方面因素进行计算方法的选择和应用，本研究针对计算区域的空间离散选择有限体积法（finite volume method），将该连续统一体细分为互相不重叠的单元，单元可以是任意形状的多边形，本研究只考虑非结构化的三角形和四边形混合形式[3]。 2石佛寺水库水动力模型的建立 2.1数据收集与前处理 2.1.1数据收集模型研究区域起始于辽河干流石佛寺水库入