青草沙水库风场对水库流态的影响

青草沙水库风场对水库流态的影响严棋;殷一辰;吴雪飞;王先云;廖军;徐青萍【摘要】In summer of 2013,a quite strong water flow appeared in the north passage of Qingcaosha Reservoir.This paper built a numerical model,and analyzed the source of the phenomenon.According to the result of simulation,the main reason was the effect of continuous southwesterly winds blowing over Qingcaosha Reservoir:in condition of calm weather,the water flow across the north and south reclamation area were close one another.While in practical Reservoir operation,under the influence of continuous southwesterly winds,most water run downstream through the north passage,and the water in the south passage run upstream.The data of winds over Qingcaosha Reservoir showed that the most of wind direction was northeast with speed larger than 1 m/s.The condition benefit the water flow into the south passage,and made the water slow-flowed in the north passage.Through the idealized numerical experiments,during even the breeze (1.5 m/s in speed,and North by east 60° in direct ion) would rise to far more water flux in south passage than the water flux in north passage.%针对2013年夏季青草沙水库垦区北通道水流较强的情况,建立数值模型,分析了造成该现象的原因.模拟结果表明,出现该现象的原因主要为水库受持续西南风的作用:水库在无风的情况下,垦区南北水通道过水通量相近,而在实际水库运行过程中,受持续西南风的作用,则会出现水库进水大部分进入垦区北通道流入下游,而垦区南通道出现逆流现象.统计青草沙水库风场可得,2010年～2015年的平均风场风向为东北偏东向,且平均风速均在1m/s以上.该种风力状态有利于水库进水进入垦区南通道,使得北通道容易形成滞流现象.通过理想数值试验表明,水库水动力对风响应较为明显,即使在微风(风速为1.5 m/s,风向为北偏东60.)情况下,垦区北部水流通量远小于垦区南部.【期刊名称】《净水技术》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】10页(P52-60,66)【关键词】风生流;青草沙水库;水通量;数值模型【作者】严棋;殷一辰;吴雪飞;王先云;廖军;徐青萍【作者单位】上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司,上海200082;上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司,上海200082;上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司,上海200082;上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司,上海200082;上海城投水务集团供水分公司,上海200001;上海城投集团有限公司,上海200002【正文语种】中文【中图分类】TU991青草沙水库面积约为66 km3，最高蓄水位为7 m（吴淞基面），有效库容约为4.35亿m3，原水供应规模为719万m3［1］。

作为我国最大的江心河口水库，青草沙水库的水质情况，极大地影响着上海居民的用水质量。

青草沙水库面临的问题主要为冬季的盐水入侵及夏季的藻类爆发。

根据长江口青草沙水域常年盐度观测资料，青草沙水库咸潮期最长连续不可取水天数为68 d（对应1978年～1979年典型枯水年）［2］；朱建荣等根据2008年地形重新计算，修正得出青草沙水库的最长连续不宜取水天数为54 d［3］。

对此，青草沙原水公司实施了冬季蓄水提高水位的方案，从而克服了冬季盐水入侵的问题。

而对于夏季藻类爆发的因素众多，包括光照、水温、营养盐和水力停留时间等。

青草沙原水公司通过进行合理的进出水闸门的调度模式，改变水库中的流场状态，缩短了水库中水流的水力停留时间，从而也减缓了库内藻类的生长及爆发。

因此，青草沙的流场状态，极大地影响着青草沙水库的水质状态。

青草沙流场主要由吞吐流和风生流组成。

其中，吞吐流由取水口和供水口流量的惯性驱动产生，变化基本不大。

风生流则由风应力造成，风应力作用于水库表层水使其流动，在水体垂向黏滞力的作用下带动下层水的流动；随着深度的增加，这种带动作用随黏滞力的减小而减小；此外，水体的流动造成水位变化，使得水位倾斜产生正压梯度力，该力则不随水深变化而变化［3］。

总体而言，风生流在表面以风应力作用为主，随深度加深，风应力作用减弱，正压梯度力逐渐占主导。

前人观察研究表明，对于青草沙水库而言，垦区南侧为水流主通道，上游入库水体大部分通过垦区南通道进入下游，而垦区北通道流速较慢，为缓流区。

然而由2013年夏季的观测资料表明，在观测时段内，垦区北通道水流较强，且入库水体主要通过垦区北通道向下游流动，与前人观察研究结果相反。

针对上述问题，本文通过建立数值模型，模拟2013年夏季和冬季的实际流场情况，分析该现象产生的原因。

本研究采用的数值模型为ECOM-si［4］，其来源于普林斯顿海洋模型POM ［5］，并采用HSIMT-TVD平流格式［6-7］求解温盐输送方程。

模型模拟范围如图1所示，包含了整个青草沙水库。

模型在垂向上采用非均匀的σ层，共11层。

在水平方向上采用曲线正交网格，i方向网格数为468，j方向网格数为89。

最小分辨率在i方向为12 m，在j方向为8.5 m。

图1右为进水口附近的网格分布图，由图可见，该网格具有较好的正交性和平滑性，有利于数值模拟的精确度和稳定度。

由于水库进水口为5个进水闸门，因此所构建网格在进水口也相应地设置了5个网格，此外，网格的构建与岸线也有较高的拟合度。

网格的构建尽可能地契合了实际情况，进一步保证了模型模拟结果的可靠性。

地形数据是三维数值模拟的必要条件，直接决定了模型中正压力的大小，同样也影响着风生流在垂向上的分布等。

青草沙水库地形资料由上海勘测设计研究院有限公司2012年测量所得，水库底形分布如图2所示。

由图2可知，除了水库下游部分区域水深在10 m以上外，水库整体水深均在8m以下。

水库头部水深南深北浅，也有利于进水向垦区南通道输送，垦区北通道则易成为缓流区。

青草沙水库数值模型的边界条件包括径流边界条件及风场动力条件。

径流边界条件由实际水库闸门运行资料及库内外水位差求得，风场动力资料由实际观测所得。

由于青草沙水库内温度及盐度差异较小，由之所产生的密度流可忽略不计，因此本模型中并未考虑水库内的温度和盐度这两个因子。

该模型初始水位由实际资料给出，模型模拟过程中，水库水位的变化由进出口及输水口的流量决定。

本文通过2013年1月～2月（冬季）及7月～8月（夏季）的实际流速观测资料，对该模型进行了率定和验证。

实际观测站点分布如图3所示，分别位于垦区南通道、垦区北通道及输水口附近。

模型动力条件均由实际观测结果所得。

其中，1月～2月的风场资料为华东师范大学崇明东滩气象站观测资料；7月～8月的风场资料为吴淞气象站观测资料，模型模拟时段内风场变化情况如图4所示。

该两个时段内的闸门调度资料由青草沙原水公司提供。

通过率定垂向湍流黏滞系数和底部拖曳系数，使模型模拟的流速结果和实际观测的流速资料相一致。

验证结果如图5及图6所示。

就水库三个验证点，对表层，中层及底层的流速进行比较，模型模拟结果和实际情况相符。

验证结果表明，该模型能较好地模拟青草沙水库的水动力状况。

在前面模型验证中，比较2013年夏季A点和B点的流速，发现相对于B点的速度，A点的速度较为可观，而且相对于B点流态的往复性，A点流速方向大多都指向下游方向，如图7所示。

大部分进水从垦区北部流向下游，这和原有的垦区北部流速缓慢，为滞流区的结论不符。

分析该时段内风场情况（图4），该时段内风以持续强劲的偏南风为主导。

由此可猜测，青草沙水库的风应力对水库流态具有较大的影响，尤其是垦区南北通道的水流状况；持续强烈的南风以及西南风会使得长江水在进闸以后大部分流向垦区北部。

为验证风场对青草沙水库水动力的影响情况，本文设置了4个试验组，如表1所示，试验组一同时考虑到夏季实际闸门调度情况及实际风场情况，试验组二考虑了夏季实际闸门调度情况，未考虑风场情况，试验组三为同时考虑到冬季实际闸门调度情况及实际风场情况，试验组四考虑了冬季实际闸门调度情况，未考虑风场情况。

通过设置库内纵断面，统计长江来水在各断面上的过水通量，从而讨论水库的水动力分布情况。

库内纵断面分布如图8所示。

在模拟过程中，本试验设置模型预跑10 d确保达到稳定状态后，统计第10 d～第43 d各纵断面上的过水通量平均值，单位m3／s。

4.1 模拟结果试验模拟结果如图9所示，在无风的情况下，无论进水口流量的大小，进入垦区南北通道的水量相当，在试验组4中甚至还存在垦区北通道大于南通道的现象。

在无风的情况下，通过断面5的水量很小，然而通过断面4的水流有一大部分会通过断面8，进而通过断面6流向下游，使得通过断面7流向下游的水流减少。

在夏季，受长时间西南偏南风的作用，使得大部分水量进入垦区北通道，进而通过断面2而流入下游。

而青草沙水库南面出现逆流现象。

在冬季，总体风向为东北风，大部分进水都流入垦区南通道，进而通过断面1而流入下游，而青草沙水库北面出现逆流现象。

4.2 青草沙水库常年风速的统计上述试验结果表明，在2013年夏季，受持续性强烈西南偏南风的影响，垦区北通道水流也较为强劲，并且大部分进水通过北通道流入下游，南通道甚至出现了逆流现象。

并且在无风的情况下，水体在垦区南北通道的过水通量也相近。