長(zhǎng)江、嘉陵江重慶主城區(qū)段的環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、模擬和預(yù)測(cè)環(huán)境流體中物質(zhì)的混合和輸運(yùn)過程是環(huán)境管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。河流的動(dòng)力特點(diǎn)和物質(zhì)輸運(yùn)能力直接關(guān)系到河流的自凈能力。三峽水庫建成后，重慶主城區(qū)河段處于水庫變動(dòng)回水區(qū)的中上段，其水動(dòng)力條件和物質(zhì)輸運(yùn)能力將發(fā)生巨大變化。本文主要內(nèi)容是針對(duì)重慶主城區(qū)河段的水環(huán)境管理、城市防洪和飲用水的采集等實(shí)際問題進(jìn)行了環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)研究，這對(duì)于三峽工程的環(huán)境安全也是極為重要的研究，并且為三峽庫區(qū)水環(huán)境的研究提供了一個(gè)有力的服務(wù)工具。因而本研究具有重要

2、的科學(xué)意義和實(shí)際意義。 本文工作主要以長(zhǎng)江、嘉陵江重慶河段的水環(huán)境動(dòng)力研究為目的，針對(duì)這類山區(qū)河流地形變化劇烈，水位漲落大，流速變化大的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的三維非定常流數(shù)值模型，并利用該模型研究重慶水環(huán)境變化的規(guī)律。前三章的內(nèi)容是河流數(shù)值模擬的理論部分，后三章內(nèi)容是數(shù)值模型在河流研究中的應(yīng)用，包括西江航道整治的研究、重慶兩江匯流段水動(dòng)力的研究和重慶主城區(qū)河段水環(huán)境的研究。在前兩個(gè)模型的成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，本文建立了重慶主城區(qū)河段模型并

3、成功應(yīng)用于模擬重慶兩江河段的流場(chǎng)、濃度場(chǎng)和漂浮物運(yùn)動(dòng)。 第一章提出本文工作的目的和方法，論述河流數(shù)值模擬的難點(diǎn)和回顧有關(guān)研究現(xiàn)狀。 第二章討論淺水流理論和水質(zhì)模型。淺水波假設(shè)符合大多數(shù)河流問題，其理論主要有Airy理論和Boussinesq理論兩類。穩(wěn)定而精度高的數(shù)值方法可以較為真實(shí)地反映物理現(xiàn)象和過程。應(yīng)用有限體積法，建立了河流水質(zhì)模型－嘉陵江石門段水質(zhì)模型并完成了水質(zhì)模擬。 第三章建立了一個(gè)三維非定常流的河流

4、數(shù)值模型。水平面采用正交貼體網(wǎng)格，垂向采用σ坐標(biāo)，引進(jìn)了靜水壓近似和Boussinesq近似后，采用內(nèi)外模式分裂法求解動(dòng)量方程和連續(xù)方程，耦合求解流場(chǎng)和濃度場(chǎng)，紊動(dòng)模型采用Mellor－Yamada模型。在數(shù)據(jù)的處理上，模型建立了專門的可視化軟件。 第四章建立了西江四灘的懸浮物模型并應(yīng)用于該河段的航道整治工程結(jié)果的預(yù)測(cè)。西江懸浮物模型模擬了復(fù)雜邊界條件下的非定常水沙運(yùn)動(dòng)，以及河床沖淤過程。模擬的結(jié)果體現(xiàn)了模型在地形復(fù)雜，水流多變

5、的河流研究中的應(yīng)用能力，表明模型適用于處理運(yùn)動(dòng)邊界、動(dòng)床邊界和懸沙運(yùn)動(dòng)，適于模擬彎道環(huán)流、繞流等流態(tài)。西江模型的建立和應(yīng)用可以為動(dòng)力條件相似的重慶河段的研究打下了基礎(chǔ)。 第五章針對(duì)重慶河段復(fù)雜的兩江匯流問題，建立兩江匯流段水動(dòng)力模型。模型對(duì)匯流問題的研究、干濕現(xiàn)象和濱江路問題的研究證明了模型處理復(fù)雜地形和非定常流的能力。同時(shí)，這些問題的研究有利于認(rèn)識(shí)重慶河段的水流條件和動(dòng)力特點(diǎn)。 在前面模型建立和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，第六章建立

6、了從長(zhǎng)江干流上起茄子溪下至銅鑼?shí){，長(zhǎng)43km，嘉陵江自井口到朝天門長(zhǎng)達(dá)25km的重慶河段數(shù)值模型。由于研究的問題具有大時(shí)間和空間尺度的性質(zhì)，模型要求有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。模型采用Eulerian法模擬了流場(chǎng)、濃度場(chǎng)，Lagrangian方法模擬了漂浮物的運(yùn)動(dòng)，模擬了從天然情況下到三峽水庫蓄水后的，不同季節(jié)和不同流量下的兩江重慶段流場(chǎng)、濃度場(chǎng)及漂浮物運(yùn)動(dòng)，模擬結(jié)果揭示了天然狀態(tài)下匯流比是影響兩江水動(dòng)力的主要因素，水庫蓄水后變動(dòng)回水的影響明顯等