湖底地形对风生流场影响的数值研究

本文利用三维水动力学模型，对定常风条件下，几种典型湖底地形浅水湖泊的风生流场进行了数值模拟，比较了几种典型地形的风生流的垂向平均流场与各分层流场的差异。结果表明：在风场等外部条件相同的情况下，湖底地形将决定湖泊风生流场的基本形态和环流流速，碟形底和斜形底的湖泊所形成的垂向平均流场有明显差异。湖底地形的变化对稳定状态的湖泊次表层、中间层和次底层流场有较大影响，而对表层流场影响不大。湖中有无岛屿将形成截然不同的两种风生流场。     

湖底址形对风生流场影响的数值研究

本文利用三维水动力学模型，对定常风条件下，几种典型湖底地形浅水湖泊的风生流场进行了数值模拟，比较了几种典型地形的风生流的垂向平均流场与各分层流场的差异。结果表明：在风场等外部条件相同的情况下，湖底地形将决定湖泊风生流场的基本形态和环流流速，碟形底和斜形底的湖泊所形成的垂向平均流场有明显差异。湖底地形的变化对稳定状态的湖泊次表层、中间层和次底层流场有较大影响，而对表层流场影响不大。湖中有无岛屿将形成截然不同的两种风生流场。     

太湖风生流特征的数值模拟研究

该文基于对太湖地形和水动力特征的分析,建立了沿垂向平均的太湖二维浅水动力学模型,给出了模型参数和模型的数值求解方法.通过对太湖风生流的模拟,分析了太湖风生环流的基本形态特征,并得到了实测流场的良好验证.进一步对盛行风场下的太湖流场和水动力特征进行数值研究表明,太湖风生流的形成主要由风场、湖泊边界及湖底地形决定;得到了不同湖区的流动规律和水动力特征,并揭示了不同湖区流动差异的形成原因.     

洋沙泡风生流强度数值模拟分析

洋沙泡作为浅水湖泊是白城市主要灌溉及饮用水水源,内源污染是影响其水质的主要原因.为查明风生流对其水环境的主要影响,利用MIKE21建立洋沙泡二维水动力模型,采用单一控制变量法,模拟了风速、风向和引水流量对洋沙泡风生流强度的影响进行分析.结果显示,风速是影响风生流强度的最主要因素,这与其较浅的水深有关,与4m/s风速相比,7m/s风速作用时整个湖泊流速平均增长63.6％,盛行风向作用下风速越大湖流流速越快;引水流量对湖流流速的影响范围有限,仅会影响引水口周边水域的水流流速,但湖泊整体流速减慢了4.9％;风向的改变会直接导致环流流向的变化,西南风和东北风分别作用时,洋沙泡湖流流速并没有明显的差别.研究结果可为洋沙泡日后的水环境治理提供流场分布数据.     

浅水风生波特性实验研究

该文在风浪流水槽中利用可升降假底装置模拟了湖泊的浅水效应,研究了不同水深条件下浅水风生波的波浪频谱、波高、波长以及壅水等特性,并将实验得到的波长、波高及壅水实验结果与已有经验公式计算结果进行了对比分析。结果表明,该实验条件下风生波有明显的浅水效应,且在浅水条件下存在一个临界风速,浅水风生波的波高、波谱变化规律与该临界风速有关。     

大型浅水湖泊风生流场的数值模拟研究

针对大型浅水湖泊水平尺度远大于垂向尺度,水力参数在垂直方向变化要小于水平方向变化,符合浅水流动的特点,采用水深平均的紊流模型模拟大型浅水湖泊的风生流场.在非结构化网格上采用有限体积法离散控制方程,提高了计算精度和效率,运用SIMPLEC算法进行数值求解,克服了为简化计算对二维物理机制常采用-维化数值处理的缺陷,使计算的流场更符合实际流场,并模拟分析了不同风向,风速下博斯腾湖大湖区水流运动特性.     

风应力拖曳系数选取对风生流数值模拟的影响

在风生流的形成中风应力起决定性作用,风应力拖曳系数决定了大气与湖泊间的动量传输率.风应力拖曳系数随风速而变化,与水面粗糙度有关.本文采用五种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行水槽风生流和太湖风生流的数值模拟,与将其视为常数情况相比较,发现风应力拖曳系数取为和风速有关的表达式时,计算结果的精度有较明显提高.对比各表达式模拟结果,采用Large and Pond给出的风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好.     

干旱区湖泊风生流特征研究

以新疆博斯腾湖为例,建立干旱地区湖泊三维水动力数学模型,通过对不同工况计算结果的比较分析,研究博斯腾湖风生流形成过程,环流结构和影响因素。结果可知,大湖区流场主要是由风场作用引起,而风向对大湖区环流结构有显著影响。风速大小的改变对博湖风生流形态的影响不大,风速越大,湖区水域流速越大,环流强度增加便于大湖区水体的交换。     

天然湖泊定常流场数值模拟的预处理方法

天然浅水湖泊流场主要是风应力作用而引起的。本文建立了模拟天然湖泊风生流的数学模型，提出了该模型的预处理方法，应用此方法采用交错网格法，对滇池定常风生流进行了数值模拟，结果表明该方法具有较好的稳定性及较快的收敛速度，对胡泊或各种浅水域风生流的数值具有重要的应用价值。     

淹没堆积体附近水流特性研究

堆积体的存在对其附近水流结构产生明显影响，在通过水槽试验数据验证数值模拟结果良好的基础上，开展淹没堆积体附近流场数值模拟研究。结果表明：堆积体在处于淹没状态时，对堆积体顶部以下的水流仍然起到有效调节作用。在近床面流层，高紊动区是主流扩散所导致的，随着流层上升，高紊动区的分布范围和强度主要受到回流区的控制。涡量较大的区域产生于堆积体表面流场、回流区与主流区的交界范围内，由于这两个区域的涡量较大，因此可能更有利于堆积体颗粒的起动及泥沙输移。     

太湖风生流垂向切变规律的原位观测

浅水湖泊垂向环流存在着上下层反向现象,为了探究太湖湖流垂向切变规律,用声学高频流速仪ADV、ADP及风向风速仪在梅梁湾进行了9 d的连续观测;基于获取的高频同步数据,利用概率统计方法,对各层流场在不同风向、不同风速以及持续同向风场影响下的切变率进行了统计分析,并研究了流场垂向分布特征。结果表明:5月太湖梅梁湾在风向为ESE、ES、E,风速2~5 m/s,同向风场持续作用10~11h时,流场基本达到稳定且切变率最大;表层流场(水下50cm)处,切变率最小,为20%,底层流场(距水-土界面7 cm)处,切变率最大达到60%;流向改变的拐点出现在表层至中层,即水下50~100 cm;风速、风向的出现频率,以及同向风场的持续时间决定了流场反向率大小,流场反向率决定了拐点的位置。     

太湖长兜港固体悬浮物再悬浮的室内模拟

定量研究浅水湖泊动力扰动与沉积物再悬浮的关系,目前仍是湖泊研究中的难点之一。实验利用再悬浮发生装置,对太湖长兜港沉积物风浪扰动进行室内模拟,建立扰动强度与有效波高之间的关系,定量分析风浪对太湖水体中悬浮物的影响及固体悬浮物在水体中的垂向分布,初步得出风浪对太湖沉积物扰动深度一般在毫米级的结论。     

太湖风生流及污染物输移扩散数值模拟

建立高精度的太湖三维风生流数值模型和风生流-污染物耦合数值模型,分析了盛行风作用下的太湖风生流特征和风生流驱动下的太湖污染物输移特征。结果表明:稳定后的太湖风生流场,表层流速大于底层流速,表层流向基本上同风向一致,底层流向则与表层大致相反,具有补偿流的特征;风向能显著影响太湖风生流的形态和结构;在垂向扩散作用下,太湖污染物质量浓度沿水深方向上近似均匀分布;在定常风作用下,太湖北部的湖湾区出现多个小尺度闭合环流,不利于污染物的输移扩散,对太湖水环境会产生不利影响。     

柔性植物影响下水沙运动及物质输运研究进展

水生植物是河流、湖泊、滨海湿地环境中不可缺少的一部分,植物的存在使水动力条件发生了改变,进而影响了泥沙悬浮和污染物的输运。从恒定流和波浪两种水动力条件出发,针对柔性植物影响下的水流阻力、水流结构、紊动特性、特征流速、消波系数、泥沙运动、污染物输运等方面,综述了国内外的主要成果,并指出复杂水动力条件下的植物-水流-泥沙-污染物之间的相互作用规律是今后研究的重点和难点。     

大型浅水湖泊水动力特性数值分析

准确模拟太湖水流动态变化特性及水动力特征对模拟、预测污染物迁移转化规律以及理解水流运动与污染物相互作用机制具有重要的实用价值。以环境流体力学(EFDC)模型为基础,收集2009年-2010年水文、气象数据及湖区地形数据,并考虑引江济太工程对湖区的影响,建立符合太湖湖区水流特性的水动力模型。模型模拟结果表明最大风向、最大风速的组合方式模拟出来的流场情况最接近真实湖体流场,引江济太工程对湖流的影响微小,模型的水动力模拟效果良好。     

Flow characteristics of the wind-driven current with submerged and emergent flexible vegetations in shallow lakes

A pneumatic annular flume is designed to simulate the current induced by the wind acting on the water surface in shallow lakes and the experiments are conducted to investigate the influence of submerged and emergent flexible vegetations of different densities on the flow characteristics(e.g., the flow velocity, the turbulence intensity, the vegetal drag coefficient DC and the equivalent roughness coefficient bn) at different wind speeds. Vallisneria natans(V. natans) and Acorus calamus(A. calamus) widely distributed in Taihu Lake are selected in this study. It is indicated that the vertical distribution profiles are in logarithmiccurves. The stream-wise velocity rapidly decreases with the increasing vegetation density. The flow at the lower layer of the vegetation sees compensation current characteristics when the vegetation density is the largest. The turbulence intensity in the flume without vegetation is the highest at the free surface and it is near the canopy top for the flume with V. natans. The turbulence intensity near the bottom in the flume with vegetation is smaller than that in the flume without vegetation. A. calamus exerts much larger resistance to the flow than V. natans. The variations of DC and bn caused by the vegetation density and the wind speed are also discussed.     

Experiment study of the effects of hydrodynamic disturbance on the interaction between the cyanobacterial growth and the nutrients

The eutrophication of shallow lakes is sensitive to dynamic currents(i.e., disturbances) because of their shallow depths and high contents of nutrients in bed sediments. The relation between the sediment resuspension and the algae bloom is not well understood in the field scale because the interwoven influencing factors cannot be examined individually. By combining the laboratory experiment and the field observation, this paper proposes a sediment-water-algae concept to simulate the effects of hydrodynamic disturbances on the algae growth in the Taihu Lake located in east China. The sediments are sampled from the Taihu Lake while the Microcystis aeruginosa(M. aeruginosa) algae is cultured in the laboratory and then transplanted into the experiment cylinders. The temperature and the light intensity in the experiment are adjusted to be similar with the prevalent in situ conditions. The results indicate that the M. aeruginosa populations under the disturbance condition of the rotational speed ?300 rad/min in the experiment(corresponding to the bottom velocity flow ?0.059 m/s, the shear stress 2?0.069 N/m, or the wind speed ?4 m/s in the field) are higher than those under the disturbance condition of the rotational speed is 400 rad/min(corresponding to the bottom flow velocity 0.079 m/s, the shear stress 0.124 N/m2). It is suggested that a low to moderate disturbance prompts the release of the nitrogen as well as the phosphate nutrients from the bed sediments, amplifying the eutrophication of the Taihu Lake.     

基于GPS的洪泽湖水流流场质点示踪及数值模拟

针对不同水文气象条件下湖泊真实流场描述的难题,通过在洪泽湖主要入口分别投放GPS示踪器,实现了对湖泊表层水流轨迹、方向的实时监测,形成洪泽湖初步流场图。野外示踪实验结果表明:流经湖泊中心区域的水流运动轨迹均为自西向东的曲线;入湖流量较小时水流难以进入湖泊中心流场,入湖流量较大时流速空间分布不均,流场较复杂;小流量入湖条件下水流运动受到湖泊表面风场的影响,流量较大时水流流动的主要影响因素为湖泊自身的流场。同时,构建了不同入湖流量条件下的洪泽湖二维水动力数值模型,水动力模型模拟的流场分布基本符合水流质点GPS示踪实验的结果,两者拟合较好。本次研究揭示了洪泽湖的真实流场,基于GPS的示踪方法可用于分析河流湖泊的水动力空间变化,为泥沙、污染物质的输移和扩散提供了重要参考依据。     

AN APPROACH TO SEPARATING THE CURRENT VELOCITY IN ESTUARINE AND COASTAL WATERS

In the near-shore waters, the actual flow is mainly induced by tide, wind and salinity, and the river water runoff should also be included as a component in the estuary waters. The interactions among these major components are very complicated. Many approaches were proposed to study isolated tide and wind-driven currents or run-off based on the measured velocity, with all its components taken as a whole. In this article, firstly, based on the actual hydrodynamic characteristics of estuarine and coastal waters, an approach is proposed to separate the measured velocity by considering the theoretical current velocity profiles and using the least squares method. The vertical structures of tidal, wind-driven currents, density current and runoff can be obtained as well as their proportions in the measured velocity. Then, this approach is applied to the analysis of velocity data obtained in the North Branch of Yangtze River estuary and of laboratory test data. The results are found to be satisfactory. Finally, this approach is used to separate the measured velocity in the South Branch of Yangtze River estuary, to determine not only the bed friction velocity and roughness height, but also the surface wind stress, and to estimate the wind velocity data above the water surface. The results show that this method is simple in principle, practical in use, and reasonable in obtained results. So it can be used to effectively analyze the field data.