湖泊與水庫湖流及模擬課件

湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 1.1我國湖泊與水庫的主要環(huán)境問題1.2湖泊與水庫的主要污染負(fù)荷1.2.1點源污染負(fù)荷1.2.2非點源污染負(fù)荷1.2.3內(nèi)源污染第二節(jié)水文、水動力學(xué)2.1水文特征2.1.1對河川徑流的調(diào)節(jié)2.1.2換水周期2.1.5水位2.1.3水量平衡2.1.4泥沙與淤積2.2水動力湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 第二節(jié)水文、水動力學(xué) 2.1水文特征2.1.1對河川徑流的調(diào)節(jié)2.1.2換水周期2.1.3水位2.1.4水量平衡2.1.5泥沙與淤積2.2湖泊水庫水動力 2.2.1湖流 2.2.2風(fēng)浪 2.2.3風(fēng)涌水 2.2.4定振波

2.3湖流及其數(shù)學(xué)模擬 2.3.1湖流運動2.3.2湖流流場數(shù)學(xué)模型第三節(jié)水質(zhì)與自凈能力湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 2.3湖流及其數(shù)學(xué)模擬2.3.1湖流運動

影響湖流運動的主要外負(fù)荷:

1、表面影響水面上氣候的影響，由于自然氣候變化很大，因而氣候?qū)λ孀饔煤軓?fù)雜,引起溫水層內(nèi)的熱交換。在有氣流掠過水表面時，更須進(jìn)一步考慮風(fēng)對水面的作用以及風(fēng)成波對溫水層內(nèi)熱混合的劇烈影響。風(fēng)吹水面時，由于切應(yīng)力的存在而對水體做功功率可用下式表示：式中，風(fēng)對水面的做功率，空氣密度，風(fēng)速，水體表面的漂移速度，風(fēng)對水面的剪切摩阻系數(shù)。風(fēng)傳給水體的能量將形成波浪、漂移流和水體下的旋渦等3種運動。2.3湖流及其數(shù)學(xué)模擬2.3.1湖流運動2.3.1湖流運動2、入湖庫河流影響由于進(jìn)入湖、庫河流的水溫和含沙量與湖、庫水體本身的水溫及含沙量常常不一樣，因此流入湖、庫的河水密度與湖、庫中水密度也不一樣。當(dāng)河流水體進(jìn)入湖、庫時，河道水流推動湖、庫中的水體前進(jìn)，直到湖、庫水位升高，受回水影響或由于密度不同而引起浮力足以控制入流為止。如果河流水體較暖，含沙量很小，則進(jìn)入湖、庫水體的密度小于湖、庫水體的密度，水流將沿湖泊水庫表面流動，反之如果河流水體較湖、庫水體溫度低，且含沙量較大，則進(jìn)湖、庫水流將潛入湖、庫底沿湖、庫中原河道作潛沒流動。對于狹長形湖、庫，入湖、庫水流沿橫斷面較均勻分布，而寬闊形湖、庫，河流入湖、庫后除縱向流動外，還有橫向擴散。2.3.1湖流運動2、入湖庫河流影響2.3.1湖流運動3、出湖庫水流影響流出湖、庫水流的動力特征不但與出水口在湖庫平面位置有關(guān)，而且與出水口所在的垂線位置也有很大關(guān)系。出水口的位置和湖、庫內(nèi)水溫分布情況還決定著放水時湖、庫內(nèi)水流特征。當(dāng)湖、庫混合均勻而不分層時，湖、庫出流的流線呈輻射狀從各個方面匯集到出水口。在窄深型湖、庫內(nèi)的水體按溫度分層時，這種分層性在斜溫層尤為明顯。如果出水口位于有溫度梯度的水層中，出湖、庫水流特性就有不同的特點，當(dāng)泄出流量較小時，湖、庫內(nèi)垂向密度梯度產(chǎn)生的浮力可以阻止湖、庫內(nèi)水流的垂向運動，因此流出出水口的水體來自同一層的薄水層；流量更大一些，取水層可能橫切斜溫層；流量很大時，浮力的影響能完全被壓倒，流線從各方匯向出水口。2.3.1湖流運動3、出湖庫水流影響湖流的監(jiān)測實例-1（時、空間的變化）電磁流速儀10cm

8/612:008/618:008/70:008/78:008/712:00流速8/616:008/620:008/70:008/74:008/78:008/712:00(T.P.m)(m3/s)湖水位河口水位順流高瀬橋流量逆流逆流上游下游湖流的監(jiān)測實例-1（時、空間的變化）電磁流速儀10cm8湖流的監(jiān)測實例-2（時間變化）AcousticDopplerProfiler(ADP)霞浦湖AquadoppProfiler

剖面流速儀湖流的監(jiān)測實例-2（時間變化）AcousticDopple12345Depth(m)監(jiān)測結(jié)果25.526.026.527.027.528.028.529.0TemperatureTemperature(℃)201202203204205206207208Temperature-8.0-4.00.04.08.0Velocity(cm/s)20220320420520620712345TimeDepth(m)Velocity(cm/s)VelocitySt.AJulianday

Qian.7.流向：沿灣的軸向12345Depth(m)監(jiān)測結(jié)果25.526.026.52湖流的監(jiān)測實例-3（空間變化）AcousticDopplerCurrentProfiler(ADCP)湖流的監(jiān)測實例-3（空間變化）AcousticDopple縱斷面流速橫斷面流速流向⊙×流速矢量圖流向ADCP的監(jiān)測結(jié)果縱斷面流速橫斷面流速流向現(xiàn)場監(jiān)測的局限性優(yōu)點：反映客觀真實變化的第一手資料缺點：受人力、物力等客觀條件限制，難以全面地把握整體現(xiàn)象?？傮w發(fā)展趨勢：隨著監(jiān)測儀器硬件、軟件的發(fā)展，對于現(xiàn)象時、空間的把握能力越來越高?，F(xiàn)場監(jiān)測的局限性2.3.2湖流流場數(shù)學(xué)模型1、湖流流場數(shù)學(xué)模型連續(xù)方程：動量方程：2.3.2湖流流場數(shù)學(xué)模型1、湖流流場數(shù)學(xué)模型湖流流場的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型以上各式沿水深Z向積分，并經(jīng)簡化后，即可得出二維非恒定流基本微分方程如下：連續(xù)方程：動量方程：式中為自由水面與靜止水面間的豎向位移；u、v分別表示為x、y向的水流分流速；h為水深，；d為靜水時的水深；、分別為底摩阻應(yīng)力在x、y向的分量；、分別為水面處風(fēng)的剪切力在x、y向的分量。Kx、Ky、分別為x、y、z向動量擴散系數(shù)；湖流流場的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型以上各式沿水深Z向積分底摩阻力和水面風(fēng)剪切力底摩阻應(yīng)力

水面處風(fēng)的剪切力

為風(fēng)對水面的剪切摩阻系數(shù)；、分別為x、y向的風(fēng)速；為謝才系數(shù)；為水密度；為空氣密度；底摩阻力和水面風(fēng)剪切力底摩阻應(yīng)力湖流流場數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用研究目的（1）湖流的流場分布、流動規(guī)律

（2）對水質(zhì)的影響霞浦湖：風(fēng)生流、水溫分層和物質(zhì)交換生態(tài)調(diào)水和底泥再懸浮金山湖：調(diào)水方案選擇巢湖：調(diào)水的效果評價太湖：風(fēng)生流、水溫、藍(lán)藻水華的遷移湖流流場數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用研究目的（1）湖流的流場分布、流動規(guī)律-1011.5TemperatureJulianDay19519619719819920020120220320420520620720820921012345Depth(m)23523623723823924024124224324424524624724824925012345Depth(m)-10-50510Velocity(cm/s)51234Depth(m)12345Depth(m)St.A

Qian.8.TemperatureVelocityTemperatureVelocity霞浦湖：風(fēng)生流、水溫分層和物質(zhì)交換-1011.5TemperatureJulianDay19日交換量及其累計湖水交換量AnnualinflowfromcatchmentareaVolumeoftheTakahamairiBay

Qian.9.SeptemberAugustWithDiurnalThermoclineNoDiurnalThermocline日交換量及其累計湖水交換量AnnualinflowVolJuly274:13pm

Qian.5.July274:13pmQian.5.三維湖流模擬

Numericalmethod：●Finite-Control-Volume●SIMPLEMethod

Qian.10.

GOVERNINGEQUATIONS：●Themomentumequationsof

u,v,w

inx,y,zdirections;●Thecontinuityequation;●Theequationoftransportofrelativedensitydifferenced

;●

k-e

model三維湖流模擬Numericalmethod：Qian5m/s氣象條件●Windspeed●Winddirection●Solarradiation●AirTemperature●SurfaceWaterTemperature熱量收支的估計值:S

Qian.11.U*25m/s氣象條件●Windspeed●Solarradia熱量收支的估算：EmpiricalequationofheatcapacityQ(MJ/m2)a1=0.9a2=0.077a3=-0.244

Qian.12.熱量收支的估算：Empiricalequationof

Qian.13.

CellsizeTotalcells

VerticalConstantcells0.3mHorizontalConstantcells500mx500m42,000Non-constantcells350m-1000m

25,200●初期條件●境界條件計算條件：Qian.13.計算結(jié)果①流速分布5m/sDepth:1.0mDepth:4.0m4:00pmDepth:1.0mDepth:4.0m5:00am02km10cm/sDepth:1.0mDepth:4.0m8:00pmN

Qian.14.計算結(jié)果①流速分布5m/sDepth:1.0mDepth51234Depth(m)20120220320451234Depth(m)51234Depth(m)TemperatureatSta.BTemperature(℃)計算結(jié)果②結(jié)果比較

Qian.15.MeasuredSimulatedwithConstantCell512342525.526.527.551234Depth(m)20120220320451234Depth(m)51234Depth(m)VelocityatSta.AVelocity(cm/s)12345-8-404851234Depth(m)SimulatedwithNon-constantCell51234Depth(m)20120220320451234-10-50510Velocity(cm/s)TemperatureVelocity-0.50.00.51.01.5Temperature2352362372382392402412422432442452462472482492501234Depth(m)512345Depth(m)12345Depth(m)23523623723823924024124224324424524624724824925012345Depth(m)計算結(jié)果②結(jié)果比較MeasuredSimulatedMeasuredSimulated

Qian.16.-10-50510Velocity(cm/s)Tempera年交換量AnnualinflowfromcatchmentareaVolumeoftheTakahamairiBayTakahamairiBay

Qian.17.SeptemberAugust年交換量AnnualinflowVolumeofth小結(jié)日分層現(xiàn)象是淺水湖泊普遍存在的，只要光照條件合適，就會存在分層現(xiàn)象；但是因為溫差小，分層弱，風(fēng)的擾動很容易在幾個小時內(nèi)破壞分層，導(dǎo)致湖水的垂向混合；當(dāng)分層存在時，會阻礙上層水和下層水的動量交換，使得受風(fēng)作用的上層湖水與下層的湖水出現(xiàn)相反的二層流的運動，帶來明顯的水交換；這樣的交換日積月累，最終形成較大的年水交換量和物質(zhì)交換量，從而影響湖泊的水質(zhì)變化。小結(jié)日分層現(xiàn)象是淺水湖泊普遍存在的，只要光照條件合適，就霞浦湖：生態(tài)調(diào)水和底泥再懸浮研究目標(biāo)：生態(tài)調(diào)水—湖流—底泥侵蝕—SS升高—水質(zhì)變化生態(tài)調(diào)水的安全評價與對策霞浦湖：生態(tài)調(diào)水和底泥再懸浮研究目標(biāo)：金山湖：調(diào)水方案選擇金山湖：調(diào)水方案選擇巢湖：調(diào)水的效果評價巢湖：調(diào)水的效果評價太湖:風(fēng)生流、水溫、藍(lán)藻水華的遷移太湖:風(fēng)生流、水溫、藍(lán)藻水華的遷移謝謝欣賞THANKYOUFORWATCHING謝謝欣賞THANKYOUFORWATCHING湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 1.1我國湖泊與水庫的主要環(huán)境問題1.2湖泊與水庫的主要污染負(fù)荷1.2.1點源污染負(fù)荷1.2.2非點源污染負(fù)荷1.2.3內(nèi)源污染第二節(jié)水文、水動力學(xué)2.1水文特征2.1.1對河川徑流的調(diào)節(jié)2.1.2換水周期2.1.5水位2.1.3水量平衡2.1.4泥沙與淤積2.2水動力湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 第二節(jié)水文、水動力學(xué) 2.1水文特征2.1.1對河川徑流的調(diào)節(jié)2.1.2換水周期2.1.3水位2.1.4水量平衡2.1.5泥沙與淤積2.2湖泊水庫水動力 2.2.1湖流 2.2.2風(fēng)浪 2.2.3風(fēng)涌水 2.2.4定振波

2.3湖流及其數(shù)學(xué)模擬 2.3.1湖流運動2.3.2湖流流場數(shù)學(xué)模型第三節(jié)水質(zhì)與自凈能力湖泊與水庫第一節(jié)污染負(fù)荷 2.3湖流及其數(shù)學(xué)模擬2.3.1湖流運動

影響湖流運動的主要外負(fù)荷:

1、表面影響水面上氣候的影響，由于自然氣候變化很大，因而氣候?qū)λ孀饔煤軓?fù)雜,引起溫水層內(nèi)的熱交換。在有氣流掠過水表面時，更須進(jìn)一步考慮風(fēng)對水面的作用以及風(fēng)成波對溫水層內(nèi)熱混合的劇烈影響。風(fēng)吹水面時，由于切應(yīng)力的存在而對水體做功功率可用下式表示：式中，風(fēng)對水面的做功率，空氣密度，風(fēng)速，水體表面的漂移速度，風(fēng)對水面的剪切摩阻系數(shù)。風(fēng)傳給水體的能量將形成波浪、漂移流和水體下的旋渦等3種運動。2.3湖流及其數(shù)學(xué)模擬2.3.1湖流運動2.3.1湖流運動2、入湖庫河流影響由于進(jìn)入湖、庫河流的水溫和含沙量與湖、庫水體本身的水溫及含沙量常常不一樣，因此流入湖、庫的河水密度與湖、庫中水密度也不一樣。當(dāng)河流水體進(jìn)入湖、庫時，河道水流推動湖、庫中的水體前進(jìn)，直到湖、庫水位升高，受回水影響或由于密度不同而引起浮力足以控制入流為止。如果河流水體較暖，含沙量很小，則進(jìn)入湖、庫水體的密度小于湖、庫水體的密度，水流將沿湖泊水庫表面流動，反之如果河流水體較湖、庫水體溫度低，且含沙量較大，則進(jìn)湖、庫水流將潛入湖、庫底沿湖、庫中原河道作潛沒流動。對于狹長形湖、庫，入湖、庫水流沿橫斷面較均勻分布，而寬闊形湖、庫，河流入湖、庫后除縱向流動外，還有橫向擴散。2.3.1湖流運動2、入湖庫河流影響2.3.1湖流運動3、出湖庫水流影響流出湖、庫水流的動力特征不但與出水口在湖庫平面位置有關(guān)，而且與出水口所在的垂線位置也有很大關(guān)系。出水口的位置和湖、庫內(nèi)水溫分布情況還決定著放水時湖、庫內(nèi)水流特征。當(dāng)湖、庫混合均勻而不分層時，湖、庫出流的流線呈輻射狀從各個方面匯集到出水口。在窄深型湖、庫內(nèi)的水體按溫度分層時，這種分層性在斜溫層尤為明顯。如果出水口位于有溫度梯度的水層中，出湖、庫水流特性就有不同的特點，當(dāng)泄出流量較小時，湖、庫內(nèi)垂向密度梯度產(chǎn)生的浮力可以阻止湖、庫內(nèi)水流的垂向運動，因此流出出水口的水體來自同一層的薄水層；流量更大一些，取水層可能橫切斜溫層；流量很大時，浮力的影響能完全被壓倒，流線從各方匯向出水口。2.3.1湖流運動3、出湖庫水流影響湖流的監(jiān)測實例-1（時、空間的變化）電磁流速儀10cm

8/612:008/618:008/70:008/78:008/712:00流速8/616:008/620:008/70:008/74:008/78:008/712:00(T.P.m)(m3/s)湖水位河口水位順流高瀬橋流量逆流逆流上游下游湖流的監(jiān)測實例-1（時、空間的變化）電磁流速儀10cm8湖流的監(jiān)測實例-2（時間變化）AcousticDopplerProfiler(ADP)霞浦湖AquadoppProfiler

剖面流速儀湖流的監(jiān)測實例-2（時間變化）AcousticDopple12345Depth(m)監(jiān)測結(jié)果25.526.026.527.027.528.028.529.0TemperatureTemperature(℃)201202203204205206207208Temperature-8.0-4.00.04.08.0Velocity(cm/s)20220320420520620712345TimeDepth(m)Velocity(cm/s)VelocitySt.AJulianday

Qian.7.流向：沿灣的軸向12345Depth(m)監(jiān)測結(jié)果25.526.026.52湖流的監(jiān)測實例-3（空間變化）AcousticDopplerCurrentProfiler(ADCP)湖流的監(jiān)測實例-3（空間變化）AcousticDopple縱斷面流速橫斷面流速流向⊙×流速矢量圖流向ADCP的監(jiān)測結(jié)果縱斷面流速橫斷面流速流向現(xiàn)場監(jiān)測的局限性優(yōu)點：反映客觀真實變化的第一手資料缺點：受人力、物力等客觀條件限制，難以全面地把握整體現(xiàn)象?？傮w發(fā)展趨勢：隨著監(jiān)測儀器硬件、軟件的發(fā)展，對于現(xiàn)象時、空間的把握能力越來越高。現(xiàn)場監(jiān)測的局限性2.3.2湖流流場數(shù)學(xué)模型1、湖流流場數(shù)學(xué)模型連續(xù)方程：動量方程：2.3.2湖流流場數(shù)學(xué)模型1、湖流流場數(shù)學(xué)模型湖流流場的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型以上各式沿水深Z向積分，并經(jīng)簡化后，即可得出二維非恒定流基本微分方程如下：連續(xù)方程：動量方程：式中為自由水面與靜止水面間的豎向位移；u、v分別表示為x、y向的水流分流速；h為水深，；d為靜水時的水深；、分別為底摩阻應(yīng)力在x、y向的分量；、分別為水面處風(fēng)的剪切力在x、y向的分量。Kx、Ky、分別為x、y、z向動量擴散系數(shù)；湖流流場的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型以上各式沿水深Z向積分底摩阻力和水面風(fēng)剪切力底摩阻應(yīng)力

水面處風(fēng)的剪切力

為風(fēng)對水面的剪切摩阻系數(shù)；、分別為x、y向的風(fēng)速；為謝才系數(shù)；為水密度；為空氣密度；底摩阻力和水面風(fēng)剪切力底摩阻應(yīng)力湖流流場數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用研究目的（1）湖流的流場分布、流動規(guī)律

（2）對水質(zhì)的影響霞浦湖：風(fēng)生流、水溫分層和物質(zhì)交換生態(tài)調(diào)水和底泥再懸浮金山湖：調(diào)水方案選擇巢湖：調(diào)水的效果評價太湖：風(fēng)生流、水溫、藍(lán)藻水華的遷移湖流流場數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用研究目的（1）湖流的流場分布、流動規(guī)律-1011.5TemperatureJulianDay19519619719819920020120220320420520620720820921012345Depth(m)23523623723823924024124224324424524624724824925012345Depth(m)-10-50510Velocity(cm/s)51234Depth(m)12345Depth(m)St.A

Qian.8.TemperatureVelocityTemperatureVelocity霞浦湖：風(fēng)生流、水溫分層和物質(zhì)交換-1011.5TemperatureJulianDay19日交換量及其累計湖水交換量AnnualinflowfromcatchmentareaVolumeoftheTakahamairiBay

Qian.9.SeptemberAugustWithDiurnalThermoclineNoDiurnalThermocline日交換量及其累計湖水交換量AnnualinflowVolJuly274:13pm

Qian.5.July274:13pmQian.5.三維湖流模擬

Numericalmethod：●Finite-Control-Volume●SIMPLEMethod

Qian.10.

GOVERNINGEQUATIONS：●Themomentumequationsof

u,v,w

inx,y,zdirections;●Thecontinuityequation;●Theequationoftransportofrelativedensitydifferenced

;●

k-e

model三維湖流模擬Numericalmethod：Qian5m/s氣象條件●Windspeed●Winddirection●Solarradiation●AirTemperature●SurfaceWaterTemperature熱量收支的估計值:S

Qian.11.U*25m/s氣象條件●Windspeed●Solarradia熱量收支的估算：EmpiricalequationofheatcapacityQ(MJ/m2)a1=0.9a2=0.077a3=-0.244

Qian.12.熱量收支的估算：Empiricalequationof

Qian.13.

CellsizeTotalcells

VerticalConstantcells0.3mHorizontalConstantcells500mx500m42,000Non-constantcells350m-1000m

25,200●初期條件●境界條件計算條件：Qian.13.計算結(jié)果①流速分布5m/sDepth:1.0mDepth:4.0m4:00pmDepth:1.0mDepth:4.0m5:00am02km10cm/sDepth:1.0mDepth:4.0m8:00pmN

Qian.14.計算結(jié)果①流速分布5m/sDepth:1.0mDepth51234Depth(m)20120220320451234Depth(m)51234Depth(m)TemperatureatSta.BTemperature(℃)計算結(jié)果②結(jié)果比