密度层化深水库内波模拟及其环境效应研究

深水库水温分层对水库水生态、水环境有极大影响，抑制温度层化可显著改善深水库水体的生态环境条件。本项目拟运用海洋密度分层流研究中的内波理论，将深水库孔口泄流、风生流等波源激发内波的过程概化为剪切流造波，采用物理模型试验、数值模拟计算、现场监测和理论分析相结合的方法，对深水库内波的数学模型建立，内波产生、传输、消亡过程的精细模拟方法，内波失稳与破碎的机理与规律，能量耗散机制及其对水体中物质输移的影响等问题进行研究，揭示内波与深水库层化水体相互作用机理及其环境效应。在此基础上，以具有水温分层特性的三峡水库香溪河支流库湾为典型区域，建立深水库内波数值实验室，借助现场水温和水动力监测资料，率定、验证数值模型，进一步研究多因素耦合作用所激发内波的生消规律及其与温度层化水体的相互作用，提出利用内波抑制深水库水温层化的方法。成果对改善深水库生态环境、保障区域经济可持续发展具有重要意义。

水体的密度分层可阻碍了上下层水体以及物质的交换。内波是层化水体中普遍存在的水动力现象，特别是在夏季的湖库中，内波破碎所产生的紊动对于加强层化水体的紊动、改善水环境有重要作用。不规则地形是内波破碎的重要因素之一，因此，研究内波与地形的相互作用以及内波破碎机理有重要意义。鉴于此，本项目自主研发了动态拟序涡结构模型和基于浸没边界法的直接数值模拟程序对内波的产生、传播、物质输运以及破碎机制进行了深入研究，为层化水体水环境的改善提供支撑。.本研究在四年的执行期限内主要取得如下四方面成果：1.通过对传统算法的改进，提出并研发了适合于复杂地形下密度流模拟的直接数值模拟模型以及动态拟序涡结构大涡模拟模型（DCEM），运用自研模型开展了系列内波产生、传输及破碎的机理研究。2. 开展内波物理水槽试验，采用“重力塌陷法”在水槽内成功造波，对非恒定流速、波面传输过程进行系统量测，总结规律，运用试验成果率定并验证自研数学模型，表明本项研究所开发的数学模型能够较好的捕捉内波波形和流场流态。3.建立了基于直接数值模拟和大涡模拟求解方法的三维密度流数值水槽，生成界面内孤立波，数值研究了内波生成、传输、在坡面上的破碎规律，以及内波在山脊地形、阶梯地形、高斯地形影响下的传输特征。数值模拟研究结果显示：透射波波幅和波能分别与阻碍系数呈指数递减，反射波则呈对数递增的规律；当阻碍系数约为0.8时，入射与透射达到平衡；对于不同的内波破碎类型，波致流速大小不一，但整体上波致流速的最大值均介于1.2~1.5倍的相传播速度，其中坍塌型破碎波的最大水平波致流速最大，卷跃型破碎波次之，涌浪型破碎波最大水平波致流速最小；通过监测边界层内流速数据发现内波流场激发引起的边界层“涡”脱落的频率介于0.15-0.2Hz之间。4. 建立了三峡水库香溪河库湾三维密度分层流精细数值模型，获得了香溪河库湾不同季节密度流流型，以静力稳定度为指标，研究了不同季节水库水位波动所产生的等温线波动形态和幅度，表明不同季节中静力稳定度分布的差异，以及由此引起的温跃层波动特征。成果揭示了密度分层及内波对库湾水动力及水环境的影响，结果还表明当水体静力稳定度的值介于0.5×10-4~2.0×10-4时，等温线内波波面振幅随稳定度增加。当水体静力稳定度的值超过2.0×10-4时，香溪河库湾水位变化不容易引起等温线的波动。