水库水动力学特性及污染物运动研究与应用

摘要

本文为开发实际水库突发性污染事故预警系统，在总结前人对水库研究成果的基础上，对水库水动力学特性、库区污染物运动规律及水库运行方式对水库水动力学特性和污染物运动影响进行了系统研究与分析，并将研究成果在紫坪铺水库中加以应用。主要研究内容及成果有：　　(1)通过对一系列概化水库水动力学特性的模拟与分析，针对水库特有的水流特性提出了以纵向流速分布为主要考虑因素的水库水动力学分区，从纵向将水库分为：入流近区、充分发展的流动区和出流近区三个区域。　　(2)研究了水库横向收缩系数、坝前水体宽深比和库底坡度三种几何形状因素对水库不同水动力学区域分布的影响。　　(3)研究了运行流量和出水口垂向位置变化对水库水动力学分区的影响。　　(4)通过对水库不同水动力学区域内横断面自由水面、垂线及垂线上相同相对水深点纵向流速变化分析，针对工程需要，提出了在坝前水深不变的情况下，由两个纵向流速分布已知的流量，用速度—流量插值方法获取水库在另一流量下的纵向流速分布。　　(5)选择了污染物运动三维数学模型和数值求解方法，用Fonmn编制了污染物运动模拟程序，并用理论解验证了本文选择的污染物运动模型、数值求解方法及编制程序的可靠性。　　(6)结合水库水动力学特性变化，系统研究了水库不同水动力学区域内污染物运动情况。　　(7)结合水库水动力学特性变化，系统研究了运行流量及出水口垂向位置变化对不同水动力学区域内污染物运动的影响。　　(8)系统研究了运行流量及出水口不同垂向位置对污染物下泄影响。　　(9)将水库水动力学特性及污染物运动规律分析成果应用到紫坪铺水库，并根据紫坪铺水库特有的水动力学特性和污染物运动情况，针对不同污染物和不同排放地点提出了应急目标和应急运行措施，开发了紫坪铺水库突发性污染事故预警系统子系统——三维水质预警系统。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1选题背景与意义

1.2紊流模型及其在环境水力学中的应用和发展

1.3水库水流特性及污染物运动研究现状

1.4论文研究的主要内容及研究路线

1.4.1研究内容

1.4.2研究路线

1.5小结

2紊流模型及实验验证

2.1 k-ε紊流模型及数值计算

2.1.1模型基本方程组

2.1.2数值计算

2.2实验装置和实验工况

2.1.1实验装置和仪器

2.1.1实验工况

2.2模型验证

2.3本章小结

3水库水动力学特性研究

3.1概化水库水动力学特性的数值模拟与分析

3.1.1模拟工况介绍

3.1.2概化水库水动力学特性模拟

3.1.3概化水库模拟结果分析

3.2几何形状对水库水动力学分区影响分析

3.2.1横向收缩系数对水库水动力学分区影响

3.2.2坝前水体宽深比对水库水动力学分区影响

3.2.3水库底坡对水库水动力学分区影响

3.3运行方式对水库水动力学分区影响分析

3.3.1运行流量对库区水动力学分区的影响

3.3.2出水口垂向位置对库区水动力学分区的影响

3.4库区流速分布研究及应用

3.4.1流速分布研究回顾

3.4.2水库流速分布特点

3.4.3水库流速分布流量插值方法的提出与应用

3.4.3水库流速分布流量插值方法的提出与应用3.4.3.1水库流速-流量关系分析

3.4.3水库流速分布流量插值方法的提出与应用3.4.3.2实际水库中流速分布研究及速度-流量插值方法的应用

3.5本章小结

4污染物三维运动模型及数值求解

4.1污染物运动控制方程与数值计算方法

4.1.1控制微分方程

4.1.2数值计算方法和离散方程的推导

4.1.3边界处理与方程组求解

4.2浓度计算程序

4.2.1程序结构

4.2.2污染物运动模型及程序验证

4.3本章小结

5库区污染物运动及水库运行情况对污染物运动影响分析

5.1水库不同水动力学区域内污染物运动研究

5.2运行流量对库区污染物运动影响研究

5.2.1运行流量对入流近区污染物运动影响

5.2.2运行流量对充分发展的流动区污染物运动影响

5.2.3运行流量对出流近区污染物运动影响

5.3运行情况对污染物下泄影响分析

5.3.1运行流量对污染物下泄影响分析

5.3.2出水口垂向位置对污染物下泄影响分析

5.4小结

6库区水动力学特性及污染物运动分析在紫坪铺水库预警系统中的应用

6.1紫坪铺水库水动力学特性分析

6.2紫坪铺水库污染物运动模拟与分析

6.3紫坪铺水库应急运行建议

6.4紫坪铺水库三维水质预警子系统简介

6.5小结

7结束语

7.1研究成果

7.2论文创新

7.3研究展望

参考文献

作者在读期间科研成果

声明

致谢