温度分层环境下的水库异重流试验研究-姚志坚

第42卷第13期2011年7月人民长江YangtzeRiverVol．42，No．13July，2011收稿日期:2011－03－11基金项目:中央级科研院所公益基金项目“分层环境下污染物输移影响因素研究”(ZX200809－02)作者简介:姚志坚，男，硕士研究生，主要从事河流动力学研究。E－mail:yzj622@sohu．com文章编号:1001－4179(2011)13－0051－05温度分层环境下的水库异重流试验研究姚志坚，张小峰，陆俊卿(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072)摘要:为了了解河道入流污染物在温度分层水库中的输移和扩散，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和浮力频率与异重流分离点水深、间层流厚度的关系。试验结果为大型物理模型研究提供了借鉴，且可以用来指导实际分层水库的运行和调度。关键词:分层水库;异重流;间层流;试验研究中图法分类号:TV143文献标志码:A1研究概况大型深水水库在炎热季节一般会出现温度分层现象，了解河道入流的污染物(溶解盐、余热、泥沙、化学物质等)在分层水库中如何输移和扩散对于维持库区生态环境，调控下游出水水质具有十分重要的作用。因此关于分层型水库异重流现象的研究受到国内外学者的广泛重视。与温度均一的水库不同，分层水库中异重流在运动过程中常出现从底坡分离而侵入水库中层的现象，这种现象被称为间层流。间层流经常以清水水库中“夹心”浑水层的形式出现，丹江口和新安江水库中多次观测到这种现象［1－2］;另外入库水体的含盐量或污染物浓度与水库水体不一致时，也可能形成间层流，如在美国Mead湖夏秋时节由于含沙、含盐量的差异形成的间层流［3］，以及1991年7月15日美国加州萨克拉门托河发生的大量VAPAM泄漏而导致下游Shasta水库污染的事件［4］。在数值模拟方面，陆俊卿等对分层水库异重流进行了大量卓有成效的研究［5－7］。由于温度差异所造成的密度差异有限，且温控(加温、保温)较困难，因此在实验室的小尺度下模拟相对大尺度水库的稳定温度分层环境并对分层强度进行控制一直都是难题。由于水库温度分层模拟的问题得不到解决，分层水库异重流在试验研究方面基本还是空白。本文通过设计水循环和加热方式成功模拟了水库的温度分层环境，在不同水库分层强度下进行了异重流试验，观测到由水温分层引起的间层流现象，探究了分层环境下水库异重流运动的普遍规律。选用分层稳定度E和环境水体的浮力频率N作为表征水库分层强度的参数。在海洋内波运动的研究中［8］，以海水稳定度E作为密度层化是否稳定及稳定性强弱的度量:E＞0，水体为稳定层化，E值越大，层化越稳定;E＜0为不稳定层化;E=0，密度为均匀状态。浮力频率是描述分层水体运动特性的一个重要物理量，流体微团在受到的外部扰动消失后将以N为圆频率在其平衡位置附近做上下振动。同稳定度E一样，人民长江2011年N也是水库水体密度层化的一种度量。显然，对于不稳定层化，N2＜0，N为虚数。E、N由以下公式(1)，(2)给出:E=－1ρ－dρdz(1)N=－gρ－dρd槡z，(dρ=ρb－ρt)(2)式中，z为垂直坐标;g为重力加速度;ρ为由垂向水体密度分布计算得到的温跃层平均密度;ρb为温跃层下边界的水体密度;ρt为温跃层上边界的水体密度;dρ为温跃层上下边界的水体密度差;dz为温跃层的厚度;E、N的单位分别为m－1、s－1。2试验设计及工况试验在图1所示的透明有机玻璃水槽中进行。此水槽横断面为矩形，顶端开口，底部水平。为突出重点，图1所示的为水库模型区，并未显示水槽两边的进水和回水水箱。由于水库沿程宽度不变，所进行的试验可认为是二维的。进口处的水平平台高50．1cm，斜坡段的坡角为25．4°，水面线距水槽底部53．5cm。图1试验水槽(单位:cm)在每次试验之前，先在水槽中形成水温分层。在距水槽底部39．1cm处水平对称地放置6根加热棒，在较冷的均匀水体中加热到设定温度，再加上水库模型上层水体的不断循环而形成水温分层现象，由于水的热传导作用不显著，因此分层流体的高度不大，一般不超过10cm。将加热装置水平对称放置的目的是在水槽较小的深度范围内形成不同等高面上水温均匀的分层流体———温跃层;在温跃层的上边界以上，受热而温度升高的水体浮向上层，水温较低的表层水沉向下层，由于水体的竖直对流和热量交换，将形成温度基本均一的表面同温层;在温跃层下边界以下，水体未被加热，基本保持原来的低温，称为底温层(