分层水库污染物输移机理研究

分层水库中由于密度不均匀产生的密度流动对水库水温分布、泥沙输移、污染物扩散均有直接的影响，研究中忽略水体密度流动的差异性，会产生和实际流动不相符的结果，也难以对一些流动机理作出科学的解释。本研究将通过理论分析、概化模型试验及数值模型试验三种手段对分层水库污染物输移扩散机理等基础理论问题进行深入系统研究，建立稳定分层环境下污染物输移研究概化模型系统及能反映水库密度流动各向异性特性的三维数学模型，深入研究分层水库水流特性、污染物输移特性及不同水库调度方式下污染物输移行为响应机理。研究成果可望阐明分层水库污染物输移机理，揭示不同水库调度方式对分层水库污染物输移影响机制，提出突发性污染事故下分层水库最优化调度方式，建立污染物出库时间的经验表达式，从而为我国水库水污染应急预警、分层取水及水库调度等提供理论依据和研究手段。

水库的密度流流动决定了水库水温分布、水质、污染物浓度分布，对水库水环境及下游河道生态环境有着重要的影响。因此系统研究水库密度流、掌握污染物质在分层水库中的输运规律具有重要的现实意义。本研究将通过理论分析、概化模型试验及数值模型试验三种手段对分层水库污染物输移扩散机理等基础理论问题进行深入系统研究，建立稳定分层环境下污染物输移研究概化模型系统及能反映水库密度流动各向异性特性的三维数学模型，深入研究分层水库水流特性、污染物输移特性及不同水库调度方式下污染物输移行为响应机理。.1、采用概化模型试验对温度分层水库中异重流的运动特性进行了研究。通过设计的水循环和加热方式成功模拟了水库温度分层环境，观测到异重流在运动过程中从底坡分离而进入水库中层沿水平方向运行的现象-间层流，对比分析了均匀、弱分层以及强分层水体情况下的异重流发展运动过程。对不同工况下的试验数据进行回归分析，得到表征水库分层强度的分层稳定度E和浮力频率N与异重流分离点水深、间层流厚度的关系。.2、基于矩形网格对非线性RNG 模型进行浮力修正建立了各向异性的非线性RNG 湍浮力流模型。该模型有以下特点：(1)采用非线性 模式求取雷诺应力，结合RNG模型及浮力修正，能更好地模拟密度流的各向异性的特性。(2) 采用改进的HH-SIMPLE法和预留网格法实现了水库自由表面的处理。采用有限体积法对方程进行离散。对数学模型中至关重要的边界条件：进口、出口、固壁、压力、不规则边界、固体区域及自由面等各种边界条件如何在程序中实现作了详细的讨论和总结。.3、通过水库温差异重流，温差剪切流、斜坡异重流等室内实验资料对模型进行验证，并对模型的精度及适用性作出评价。结果表明：本文建立的非线性RNG 模型能较好地模拟流场和温度场强烈耦合的水库温差异重流，在温度分层预报上优于原有的浮力修正的标准 模型，能较准确地预测异重流潜行时间，可用于水库温度分层，异重流潜行过程模拟预测中。.4、结合密度流流动特性，通过对概化分层水库中污染物运动进行模拟，分析了分层水库中污染物运动规律。研究中假定污染物不改变水体密度，重点对来流条件及水库分层条件对污染物输移的影响进行分析。研究结果能为水库水质、水生环境管理与调度、水库应急预警方案的制定提供参考。