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水利工程水温的模拟分析及应用研究1.引言水温是水体的重要环境因子之一，对于水利工程的设计、运行和管理具有重要的影响。
水温的变化不仅与季节、气候、水文等因素相关，还受到水体的流动、水质、生物活动等多种因素的影响。
因此，对水温进行准确的模拟分析并合理应用是水利工程的重要研究内容之一2.水温模拟分析方法（1）物理模型法物理模型法是通过建立水温的数学方程，考虑各种影响因素，进行模拟计算。
其优点是结果准确可靠，可以深入理解水温变化的机理。
常用的物理模型包括热平衡模型、热扩散模型和热对流模型等。
（2）统计模型法统计模型法是通过统计分析大量的观测数据，建立水温与各种影响因素之间的数学关系，进行模拟预测。
其优点是简单、快速，但精度相对较低。
常见的统计模型包括回归模型、神经网络模型和时间序列模型等。
（3）数值模拟法数值模拟法是利用计算机对水温进行模拟计算，通过离散化物理过程和数学方程，较为真实地描述水温的动态变化。
其优点是可以考虑较多的复杂因素，可以模拟多个时空尺度的水温变化。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和计算流体动力学方法等。
3.水温模拟分析的应用研究（1）水库调度优化水库的放水温度对下游水环境和生态系统具有重要影响。
通过水温模拟分析，可以优化调度方案，减少对下游生态系统的不利影响。
（2）水库养鱼管理水温是鱼类生长和繁殖的重要环境因子。
通过水温模拟分析，可以合理调整水库水温，提供适宜的生态环境，促进鱼类的生长和繁殖。
（3）水体富营养化评估水温是影响水体中藻类和细菌生长的关键因素。
通过水温模拟分析，可以定量评估水体的富营养化程度，并制定相应的治理措施。
（4）河流水温变化预测河流的水温变化对水生生物和沿岸生态系统具有重要影响。
通过水温模拟分析，可以预测河流水温的变化趋势，为水生生物保护和生态环境管理提供参考依据。
4.结论水利工程水温的模拟分析及应用研究对于合理设计、运行和管理水利工程具有重要意义。
通过物理模型、统计模型和数值模拟方法，可以较为真实地模拟水温的动态变化。
数学模型在水利工程设计中的应用研究数学模型在水利工程设计中的应用是近年来水利领域的一个热门研究方向。
通过数学模型的建立和求解，可以有效地预测水利工程中的各种水文水资源问题，为工程设计和决策提供科学依据。
本文将围绕数学模型在水利工程设计中的应用展开讨论，探讨数学模型如何改善水利工程设计效果。
一、数学模型在水利水文方面的应用在水利工程设计中，水文是其中一个重要的方面。
通过数学模型，可以对水文过程进行模拟和预测，从而为水利工程的设计提供依据。
首先，数学模型可以用来模拟水文过程中的降雨径流转化关系。
通过对历史降雨和径流数据进行分析，可以建立起降雨和径流之间的数学模型。
这样，在进行设计降雨量和设计洪水的时候，可以通过数学模型来进行计算，提高设计的准确性。
其次，数学模型可以用来模拟和预测水域的水位变化。
在水利工程中，经常需要对水库、河流、湖泊等水域的水位进行监测和控制。
通过对水文过程的数学建模，可以更好地理解和预测水位的变化规律，制定相应的水位调控策略。
二、数学模型在水利水资源方面的应用除了水文方面，数学模型在水利水资源的应用也是非常广泛的。
通过数学模型，可以对水资源的分布和利用进行研究和优化。
首先，数学模型可以用来模拟水资源的分布和转移。
通过对地下水和地表水的数学建模，可以了解水资源的分布情况，从而提供科学依据来进行水资源的开发和利用。
其次，数学模型可以用来进行水资源的优化配置。
在水利工程设计中，经常会碰到水资源分配不均的问题。
通过建立数学模型，可以对水资源进行科学的配置和优化，从而实现资源的合理利用。
三、数学模型在水利工程设计中的挑战和展望尽管数学模型在水利工程设计中的应用带来了很多好处，但是也面临着一些挑战。
首先，数学模型的建立需要依赖于大量的数据和参数。
在实际应用中，数据的获取和参数的确定是一个非常复杂的过程。
这就要求我们在建立数学模型时，要考虑到数据的可靠性和参数的合理性，避免模型的误差。
其次，数学模型的建立和求解需要运用复杂的数学方法和算法。
数学模型在水资源管理中的应用水是生命之源，对于人类的生存和发展至关重要。
然而，随着人口的增长、经济的发展以及环境的变化，水资源的供需矛盾日益突出，水资源管理面临着严峻的挑战。
在这种情况下，数学模型作为一种有效的工具，在水资源管理中发挥着越来越重要的作用。
数学模型是对现实世界中复杂系统的一种简化和抽象表示，它通过数学语言和方程来描述系统的结构、功能和运行规律。
在水资源管理中，数学模型可以帮助我们更好地理解水资源系统的内在机制，预测水资源的变化趋势，评估水资源管理措施的效果，从而为科学决策提供依据。
一、数学模型在水资源规划中的应用水资源规划是水资源管理的重要环节，其目的是在满足社会经济发展对水资源需求的前提下，实现水资源的合理配置和可持续利用。
数学模型在水资源规划中的应用主要包括水资源供需平衡分析和水资源优化配置两个方面。
水资源供需平衡分析是通过建立数学模型，对一定时期内水资源的供给和需求进行预测和分析，以确定水资源的供需缺口。
在模型中，水资源的供给通常包括地表水、地下水、再生水等，而需求则包括农业用水、工业用水、生活用水等。
通过对各种水源和用水部门的分析，可以了解水资源的供需状况，为制定水资源规划提供基础数据。
水资源优化配置是在水资源供需平衡分析的基础上，通过建立数学模型，寻求水资源在不同地区、不同部门之间的最优分配方案。
在模型中，通常以经济效益最大、社会效益最大或环境效益最大为目标函数，以水资源的供给和需求、工程设施的能力、水质要求等为约束条件，通过优化算法求解最优配置方案。
水资源优化配置模型可以帮助决策者在有限的水资源条件下，实现水资源的高效利用和合理分配。
二、数学模型在水资源调度中的应用水资源调度是指根据水资源的时空分布特点和用水需求，对水资源进行合理的调配和管理。
数学模型在水资源调度中的应用主要包括水库调度和跨流域调水调度两个方面。
水库调度是通过建立数学模型，根据水库的来水情况、蓄水能力和用水需求，制定水库的运行策略，以实现水库的防洪、发电、供水等目标。
浅水型富营养化水库三维水动力及水质数值模拟研究与
应用
首先，三维水动力模拟是指通过数学模型来模拟和分析水库内水体的
流动情况。
这些模拟可以提供有关水流速度、水面高度、湍流等参数的详
细信息。
通过对水流动力学规律的研究，可以更好地了解水库内水体的运
动特性，并预测可能出现的问题，如水库内的漩涡、死水区等。
此外，三
维水动力模拟还可以帮助优化水库的设计和管理，例如改善水体的对流换热，提高水华水体混合等。
应用方面，三维水动力及水质数值模拟研究可以为浅水型富营养化水
库的管理和保护提供重要的科学依据。
根据模拟结果，可以制定相应的管
理措施，如合理排放和控制入湖污染物、优化水库的水深和水剖面等。
此外，模拟结果还可以用于评估不同管理措施的效果，以及制定相应的修复
策略。
通过模拟研究和应用，可以更好地了解和管理浅水型富营养化水库，保护水质，维护水体生态系统的稳定性。
总之，浅水型富营养化水库的三维水动力及水质数值模拟研究与应用
具有重要意义。
通过这些模拟，可以更好地了解和分析水库内水体的运动
规律和水质状况，为水库的管理和保护提供科学依据，保护水质和维护水
体生态系统的稳定性。
滩坑水库建成后下游河道水温的预测
杨芳丽;张小峰;谈广鸣;陆俊卿
【期刊名称】《武汉大学学报：工学版》
【年(卷),期】2008(41)1
【摘要】滩坑水电站下游为国家一级保护水生动物鼋的保护区.采用剖面二维水温模型对滩坑水库下泄水温进行了模拟,然后采用一维非恒定水流水温数学模型对建库后滩坑电站下游鼋保护区内水温变化情况进行了预测,对比分析了平水年条件下,不同电站开机组数和不同电站取水口高程条件下水库下泄水温对坝下游河道鼋自然保护区鼋的影响.分析表明可抬高电站取水口高程使下泄水温与天然水温较为接近,以尽量减小由于发电而给下游河道生态造成的不利影响.
【总页数】5页(P40-44)
【关键词】剖面二维;水温模型;下泄水温;一维模型;鼋
【作者】杨芳丽;张小峰;谈广鸣;陆俊卿
【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TV697.21
【相关文献】
1.南瓜坪水库水温计算及其对下游河道水温的影响分析 [J], 王明怀
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3.河道水温模型及糯扎渡水库下游河道水温预测 [J], 王颖;臧林;张仙娥
4.大型梯级水库蓄水运行后对下游河道水温的影响 [J], 雷丽萍
5.龙羊峡水库水温结构演变及其对下游河道水温影响 [J], 宋策;周孝德;辛向文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
湖泊三维水动力—水温耦合模型及其应用研究康玲;靖争【摘要】水温是湖库科学研究中的重要环境因子之一,是认识水体各种理化生现象和动力过程的基础.水温很大程度由太阳辐射决定,最新研究成果表明水体与床体的热交换收支对浅水湖泊垂向水温分布也有很大影响.研究湖泊热循环规律,选择合适的水气热交换计算方法,通过联立CE-QUAL-W2底部热交换模型方程和一种改进的床体热平衡方程求得水体-床体热通量.基于σ坐标变换和相关定解条件建立三维水动力学-水温耦合模型,采用有限差分法对模型方程进行求解.以武汉市东湖为研究对象,根据东湖1978年7月的定点观测资料进行水温模拟,探究东湖水温月变化、日变化过程.【期刊名称】《中国水利》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P22-25,21)【关键词】水动力模型;水温模型;水体-床体热交换;数值解法【作者】康玲;靖争【作者单位】华中科技大学水电与数字化工程学院,430074,武汉;华中科技大学水电与数字化工程学院,430074,武汉【正文语种】中文【中图分类】TV143湖泊是重要的城市水体形态，具有调蓄雨水、维持生物多样性、美化环境等功能。
水温是影响水生动植物生长、繁衍和迁徙的重要因素之一。
然而，随着气候变化和城市化等多因素影响，湖泊的增温极大地改变了水生生物的习性、活动规律和代谢强度，从而影响到水生生物的分布和生长繁殖。
因此，对湖泊热学机理的正确认识和水温时空变化过程的准确预测是解决上述问题的关键。
深水型湖库的水温分布是众多学者研究的焦点之一。
最新研究成果表明，浅水湖泊也可能出现持续数日甚至更久的热力分层现象。
湖泊出现明显热分层会造成一系列生态响应，如湖流分层流动、表底层水质浓度差异、种群结构及富营养化过程发生变化。
对湖泊热循环机理及热分层规律的准确认识，有助于更好地理解水体的物理、化学和生物过程，为改善湖泊水环境提供技术支撑。
由于水体与床体的热交换通常远小于水气界面的热交换，在模型中通常被忽略。
水库水温计算方法综述摘要水库水温分层及其低温下泄水造成的“冷害”是水电工程建设生态环境影响的重点关注问题之一，水库水温研究对于库区的生态环境保护具有重要的现实意义。
本文介绍了主要的水库水温计算方法，回顾了国内外水温模型与软件的发展。
最后，指出了当前水库水温计算中存在的问题和不足，结合已有的研究成果对水温数学模型的应用前景和发展趋势进行了展望。
关键词：水库；水温；计算方法；数学模型ABSTRACTWater temperature stratification within reservoirs underflows and the “chilling injury”caused by the discharged low-temperature water flows pose one of the primary concern for both eco-environmental conservation and hydropower operation. It is therefore, study on impacts on eco-environmental from reservoirs underflows temperature appear to be practically useful. This paper mainly reviews the development in water temperature models and software in home and abroad, then examines the primary approaches for calculation of reservoir water temperature. Finally, the existing problems, application prospect and developing trend of thermal mathematical models are also pointed out.Key words:reservoir; water temperature; computing method; mathematical model检索策略[检索策略]:1)检索数据库：CNKI数据库、万方数据库、维普数据库、SCI数据库。
水库水温数学模型及其应用陆俊卿1,2,张小峰2,强继红3,梅志宏3,杨芳丽2,董炳江2(11环境保护部华南环境科学研究所,广州 510655;21武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;31中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,昆明650051)摘 要:对标准k -E 紊流模型进行浮力修正,建立了剖面二维及三维水库水温计算的浮力流模型并采用已建漫湾水库库区实测水温资料对模型进行了检验。
将检验后的模型应用于瓯江滩坑水库的水温分布预测研究中,其中采用剖面二维模型进行全库水温分布预测,并为坝前三维模型提供进口边界;采用三维模型对近坝段水流结构以及水电站下泄水温进行精确模拟,从而实现下泄水温的精确模拟。
根据计算结果,分析了水库建成后下泄水温与天然水温的差异,对比了各典型年不同电站开机组数和不同电站取水口高程条件下水库下泄水温的差别,为该电站取水口高程和机组运行方式的制定提供了一定的参考依据。
关键词:环境水力学;水库水温;数学模型;浮力流k -E 模型;下泄水温中图分类号:X143文献标识码:ANumerical model for temperature simulation of water in reservoirLU Junqing 1,2,Z HANG Xiaofeng 2,QIANG Jihong 3,MEI Zhihong 3,YAN Fangli 2,DONG Bingjiang2(11South China Institute o f Environmental Science ,Guangzhou 510655;21State Key Laboratory o f Water Resource and Hydro power Eng .Sci .,Wuhan University ,Wuhan 430072;31Kunming Hydroelectric Investigation ,Design and Research Institute ,Kunming 650051)Abstract :Based on the standard k -E model,the vertical 2-D and 3-D buoyant flow model for simulating the water temperature in deep reservoir is developed.The developed model verified by the measured data of Manwan reservoir is used to predict the water temperature in Tankeng reservoir.With the boundary condition provided by vertical 2-D model,3-D water temperature model is adopted to predict the te mperature of discharged water.The simulated water temperature in different typical years is compared with the water temperature under natural condition.The results can assist in the decision of water intake elevation and operation of generating units and reservoir management for protection of the aquatic environment.Key words :environmental hydraulics;water te mperature in reservoir;mathematical model;buoyant flow model;temperature of discharged water收稿日期:2007-03-21基金项目:科技部/973计划0(2003CB415203)作者简介:陆俊卿(1979)),男,博士研究生.E -mail:ljq yl@0 引言水温是水环境中最重要的影响因子之一,水的物理、化学性质以及水生生物、农作物对水温均比较敏感。
水库建设作为开发利用水资源中最常见的工程措施,在带来巨大经济社会效益的同时,也改变了天然河流的径流过程以及热交换过程,引起水体温度分布以及生态环境变化。
由于水库水温对库区水的利用,大坝安全以及坝下游河道的水生物繁殖和生态平衡等方面都有重要影响,因此准确模拟和预测水库的水温分布规律以及水电站下泄水温过程具有重大的工程意义。
为预测水库建设后水库水温的变化情况,国内外许多学者进行了大量的研究取得了一定的成果。
水温预测方法大致可分为两类:经验法和数学模型法。
经验法研究较早,发展较为成熟,具有简单实用的优点。
数学模型第27卷第5期2008年10月水 力 发 电 学 报JOURNAL OF HYDROELEC TRIC ENGINEERING Vol.27 No.5Oct.,2008法在理论上比较严密,能提供更精细的结果,随着计算科学的飞速发展,它越来越成为研究的主要手段和方法[1]。
水库库区水温数学模型可分为垂向一维,剖面二维以及三维模型。
垂向一维水温模型研究较早,应用最为广泛,其代表有WRE模型,MIT模型以及/湖温一号0模型[2]。
垂向一维水温模型综合考虑了水库入流、风以及水面热交换对水库水温分层结构的影响,但是对于库区较长的水库,水温在纵向上的变化不能被忽略,因此对于纵向尺度较大,横向温度差异较小的水库,横向平均的剖面二维水温模型是比较好的选择。
剖面二维的水库水温模型已有一些研究成果,并在实际工程中有一定的应用[3~5]。
严格来讲水库水体的流动以及温度分布均具有三维特性,坝前取水口布置位置以及取水流量均将影响坝前水流紊动特性,对水温分层产生一定影响,并直接影响水库下泄水温过程。
虽然对大体积水体采用三维模型进行模拟往往受到计算机速度和内存的限制,但对水库坝前局部区域采用精细的三维湍浮力流数学模型是必要的,也是可行的。
三维湍浮力流模型在理论和实际应用上均取得一定的进展[6,7],但用于大型水库水温预测研究国内研究较少。
本文在标准k-E紊流模型的基础上进行浮力修正[8,9],建立了剖面二维以及三维耦合浮力流k-E模型。
利用已建漫湾水库实测水温资料对模型进行了检验。
并将检验后模型应用到瓯江滩坑水库的水温预测研究中。
研究中利用紧水滩水库实测资料对模型参数进行率定;利用剖面二维水温模型进行全库水温分布预测,并为坝前局部三维水温模拟提供上游水温边界;利用三维模型对近坝段水流结构以及水电站下泄水温过程进行精确预测。
根据水温计算结果,对取水口高程优化以及机组运行合理调度提供一定的参考意见。
1模型简介111三维浮力流k-E模型11状态方程对于常态下的水体,可忽略压力变化对密度的影响,密度和温度的关系可表示为:Q=(01102027692@10-2+01667737262@10-7@T-01905345843@10-8@T2+01864372185@10-10@T3-01642266188@10-12@T4+01105164434@10-17@T7-01104868827@10-19@T8)@918@105(1)采用Boussinesq假定,即在密度变化不大的浮力流问题中,只在重力项中考虑密度的变化,而控制方程的其它项中不考虑浮力作用。
21水动力学及水温方程直角坐标系下,三维浮力流k-E模型基本方程组的通用形式可表示为:9(Q5) 9t+9(Q u5)9x+9(Q v5)9y+9(Q w5)9z=99x#5959x+99y#5959y+99z#5959z+S5(2)式中:5)通用因变量;F5)输运系数;S5)源项。
通用方程变量说明见表1。
其中:u,v和w分别为纵向(x方向),横向(y方向)和垂向(z方向)的流速(m P s);P为压强(N P m3);Q为水体密度(g P cm3);L为分子粘性系数(m2P s);K s为水面综合散热系数[J P(s#m2#e)];U z为穿过z平面的太阳辐射能量(W P m2);L e为紊动动力粘性系数:L e=Q C L K2E;G k为紊动产生项:G k=L e9U i9X j+9U j9X i9U i9X j;G b为浮力产生项:G b=-B gL eR t9T9z;B为热膨胀系数(e-1):B=-1Q9Q9T。
模型中常用的经验常数取值[9]为:C L=0109;R k=110;R E=113;R T=019;C1E=1144;C2E=119231边界条件入口给定来流量以及来流水温。
给定出口水位,出口边界采用法向速度局部质量守恒,切向速度齐次Neumann条件。
进口k,E可由进口流速求取:k=0100375u2;E=k115P(014H0)其中H0为进口处水深。
水面采用纵向一维水流数学模型计算确定,自由表面条件如下:9u9z=9v9z=9p9z=0。
124水力发电学报2008年表1 通用方程变量说明Table 1 Coefficients of general equations方程5F 5S 5连续100x -动量u L +L e -9P 9x y -动量v L +L e -9P 9y z -动量w L +L e -9P 9z+Q g B$T 湍动能k L +L e P R k G k +G b -Q E 耗散率E L +L e P R E C E 1E k (G k +G b )-C E 2E 2k 温度TL +L e P R T1C P 9U z9z -1C P 9K s T 9z对于固壁边界:采用无滑移条件,且为绝热边界。
41控制方程的离散和求解运用有限体积法和交错网格离散模型基本方程。
在交错网格中,标量性变量和各种常数都储存在网格的中心点上,矢量性变量即速度变量储存在网格边界上。
分别对各个变量在各自的控制容积内积分,变量及源项在控制体表面值由相邻节点插值得离散化的方程组。
离散后的方程组采用三对角矩阵法(TDMA)迭代求解,用压力修正法对速度和压力进行修整,为了避免迭代过程发散,加快收敛,对源项采用线性化并对迭代过程进行欠松弛。
详细离散过程参见文献[10]。
112 剖面二维浮力流k -E 模型直角坐标系下,剖面二维浮力流k -E 模型基本方程组的通用形式可表示为:9(Q 5)9t+9(Q u 5)9x +9(Q w 5)9z =99x #5959x +99z #5959z +S 5(3)式中:5)通用因变量;#5)输运系数;S 5)源项。
