基于MIKE3的水库水温结构模拟研究

MIKE3是一款用于模拟水动力、水质、泥沙的专业工程软件,主要应用于港口、河流、湖泊、河口海岸和海洋,具有先进的前后处理功能和友好的用户界面。介绍了MIKE3数学模型的数学基础和计算方法,并将MIKE3应用于新疆伊犁喀什河上游梯级开发对库区水温的影响研究中,就其中开英布拉克水库的模拟过程做出详细说明。计算结果表明:三维流场、温度场预测较为合理,MIKE3软件对于此类问题有较高的实用价值。

基于MIKE3的丰枯水期防城湾水交换能力研究

为了对防城湾水交换能力有全面的认识,本文基于无结构的三角网格建立高分辨率的MIKE3水动力数值模型,采用Lagrange质点追踪方法,选取水体半交换周期和水体交换律作为评价指标,评价防城湾丰枯水期水交换能力。结果表明:防城湾水交换主要受径流和潮流控制,因防城河的存在,西湾保守物质浓度的空间分布呈现由河口向湾外增加趋势,东湾的保守物质浓度的空间分布呈现由湾口向湾内增加趋势,随着时间的增加,两湾保守物质浓度下降速率降低;西湾水交换时间明显少于东湾,半交换期在丰水期为1.7d,在枯水期为3.6d;东湾在丰水期半交换时间为15.2d,在枯水期为27.8d。

MIKE3在小浪底坝区水沙运动模拟中的应用

水库库区局部水沙运动具有较强的三维性,且水库坝前水沙运动特性及库区冲淤过程十分复杂。为研究水库坝前水沙运动特性及库区冲淤过程,以小浪底坝区为研究对象,采用MIKE3软件建立了小浪底三维水沙数学模型,并利用小浪底水库2013年6月至8月坝前4.5 km内实测冲淤地形及水沙资料对所建模型的适用性与正确性进行了验证。计算结果表明:坝区水位及地形冲淤变化的计算值与实测值基本吻合,因此可认为,采用MIKE3软件模拟小浪底水库坝区的水沙运动及地形冲淤变化是可行的。

MIKE3软件模拟温差异重流的网格划分比较研究

当温度分层型水库发生突发污染事故时,掌握水体的水动力和水温分布特性对判断污染事件的发展和指导决策具有重要意义。MIKE3软件可用于水库水动力和水温的三维数值模拟,为探讨该模型水平向网格剖分和垂向坐标系选取对温差异重流模拟的影响,基于物理模型实验结果,分别建立了三角形、矩形和三角形矩形拼接网格的数值模型,垂向分别采用σ坐标和σ-Z混合坐标两种形式。结果表明,MIKE3软件可有效模拟温差异重流沿床面运动的特性;当异重流主流方向较显著时,建议采用与主流方向一致的矩形网格进行计算区域离散;采用σ-Z混合坐标时可通过增加垂向分层数减弱床面阶梯近似的影响;对于温度分层界面、异重流主流方向与河床底面三者差异较大水体,建议在垂向采用σ-Z混合坐标形式。

利用MIKE3软件研究风场对赛里木湖水动力场的影响

分析赛里木湖水动力场对保护环湖公路免受湖岸失稳造成的破坏有重要意义。本研究基于赛里木湖地形和水文条件,利用MIKE3水动力模型模拟了赛里木湖水动力场变化过程。结果表明,MIKE3模型能很好的模拟赛里木湖水流运动情况,可为当地管理部门确定防冲护岸工程位置提供理论依据。

基于MIKE3流场模型的河流上游明渠弯道水流三维数值模拟研究

通过三维有限元软件MIKE3对不同弯道进行数值模拟研究,其中包括对圆弯道、缓圆缓弯道及对称凸型弯道3种类型的水面超高、比降和平均流速分布进行分析。经过对3种弯道的比较分析得知,缓圆缓弯道和对称凸型弯道的流速大小和变化范围基本相似。在凹岸,近底流速小于圆弯道;在凸岸,弯道进口附近及过弯顶断面后这两种弯道近底流速较圆弯道明显减小,表明插入缓变曲线后的弯道有效减少了过大、过小近底水流流速的出现,对壁岸、床底的淘刷程度将会小于圆弯道。

基于MIKE3的渤海三维温盐数值模拟

基于有限体积法的MIKE3 Flow Model建立了渤海地区水动力和温盐数值计算模型,并考虑了渤海沿岸十六条主要河流径流输入、风、降水、蒸发、太阳辐射(短波辐射、长波辐射、感热、潜热)等因素的影响。输出2010年数据作为结果,水动力和温盐模拟结果验证良好。经分析得到如下结论:模拟得到的2010年渤海温盐全年变化均呈一峰一谷形式。渤海冬季最高温度出现在渤海海峡附近海域,温度约4.5℃;渤海夏季平均海表温度26.34℃,较1970～1996年渤海海区夏季的平均温度区间22.5～26.5℃明显偏高;夏季温跃层集中在5m-15m深度范围内,渤海海峡处跃层深度超过了20m;模拟得到的冬季莱州湾盐度在27.8～30.4PSU的范围,夏季25～29.5PSU;莱州湾和辽东湾在夏季出现低盐区,辽东湾顶的低盐区面积约1364km^2,黄河口处的低盐区面积约448km^2,小清河口附近的低盐区面积约1029km^2;渤海大部分海域夏季盐度分层并不像温跃层那样明显。

人工鱼礁投放对小窑湾海域水动力及水体交换影响的数值模拟

为探究大连小窑湾海域人工鱼礁布设后对周围海域水动力特性及水体交换能力的影响,基于非结构化三角形网格的MIKE3河口与海岸模型,对大连小窑湾海域进行数值模拟,模拟结果与实测数据吻合良好,说明构建的模型合理可靠。研究表明:1)鱼礁布设后,位于鱼礁布设点上的测点因水深减小,流速增加,远离礁区海域测点的流速变化较小,鱼礁区迎流面海域出现上升流,背流面出现下降流,底层海域的上升流效应较表层海域显著;2)人工鱼礁的投放会引起局部流场发生变化,受鱼礁堆阻流作用影响,鱼礁堆迎流面、背流面海域流速减小,主流轴两侧流速增加,鱼礁堆附近海域的流速呈缓急相间分布;3)人工鱼礁投放后,小窑湾湾顶、湾中的水体半交换期缩短,湾口附近海域水体交换能力变化较小,小窑湾整体海域水体交换率略有增加。研究结果可为人工鱼礁合理布局以及规范工程建设提供理论指导。

基于MIKE3的金盆水库三维水温结构模拟研究

根据西安市金盆水库水文水力特征,充分考虑水库入流、出流、水气界面热交换、热扩散、热对流等影响因素,运用MIKE3软件建立了三维水温模型对金盆水库水温结构进行模拟,并基于2010年实测水温数据对模型参数进行了率定,运用2011年实测水温数据对模型进行验证,运用率定后的模型预测上游不同入库水水温及汛期泄洪洞中孔位置的改变对水温结构的影响,计算结果表明,上游入库水温度增加或减小会导致均温层水温相应的增加或减小;泄洪洞中孔位置上移将引起温跃层厚度减小,温度梯度也相应增大,泄洪洞中孔位置下移则会导致温跃层厚度增大,温度梯度减小。该模型能准确预测出金盆水库水温全年变化过程,具有较高的有效性和实用性,可为水源水库调度运行提供科学依据。

罗源湾潮致余流特征及其对物质分布的影响

基于MIKE 3开展了罗源湾的三维数值模拟,以流场和断面垂向流速阐释了罗源湾的潮流分布特征,计算了罗源湾的潮致余流场,采用拉格朗日粒子追踪法模拟了具有粒子特性的物质在湾内的运移并分析了粒子的运动规律,结合潮流和潮致余流特征讨论了罗源湾不同区域的物理自净能力。研究结果表明,罗源湾西北部、东北岸内凹处和内湾口处形成了余环流结构,湾内不同区域的物质分布与潮致余流结构有明显相关性,粒子在罗源湾西北部海域运移缓慢,而湾口及可门水道附近具有较好的自净能力。本研究为进一步探讨罗源湾污染物质分布机制提供了科学依据,为罗源湾的污染控制和环境保护提供了技术支撑,研究方法也为其他海湾的相关研究提供借鉴参考。

城市内湖藻源污染及生态风险控制研究

针对城市内湖富营养化频发,导致水体生态安全遭到严重危害的问题,以西安市汉城湖为例,通过水动力和富营养化模型,借助边界条件的情景模拟,分析水质恶化原因并提出水质改善方案。结果表明:参数率定后模型拟合度高于0.8,较好地模拟了湖体水质的演变规律,湖体藻类生长受外界环境和营养物质影响,且无机磷对其生长起到重要作用;对水质改善措施效果较好的分别为净化补水水质、加大补水量、增加大型植物种植和浮游动物对藻类的捕获。结合实际情况,可通过调节补水水量、采取引水渠道的生态净化措施和生物操纵组合方案,保障汉城湖水质目标。当补水量不充足时,可将其水力停留时间控制在35 d为最优。

湛江雷州半岛西侧排污口环境影响数值模拟研究

文中基于MIKE 3建立湛江雷州半岛海域污染物扩散数值模型,利用实测资料对海域的潮位、潮流进行验证,结果表明模型计算值与实测值吻合较好。由此表明,所建模型能正确反映湛江雷州半岛西侧的潮流运动特征。在此基础上研究排污口的无机氮、COD、石油类和金属铜在达标排放情况下的扩散情况。结果表明四个因子中无机氮对环境影响最大,此时排污口最大排水量约为8.64万m^(3)/d。

气动式清淤方案施工扰动模型研究

气动式清淤方案作为一种环保的清淤方式,工程应用范围广。目前对其工程适应性和优越性的认识大多处于宏观层面,系统的研究较为缺乏。通过在古城水库开展气动式清淤试验,并基于MIKE3软件建立清淤作业施工扰动的污染物源强度与输移扩散数值模型,对清淤方案进行定量评价,为气动式清淤方案设计提供参考。模拟结果表明:污染物源强度与单次清淤厚度、刀片速度、底泥中污染物质量比重等参数具有定量关系;在气动式清淤作业结束之后的8 h内水体经自我恢复后能达到Ⅲ类水质标准,16 h内能基本恢复至Ⅱ类水质标准。由此可看出气动式清淤方案对水库水质影响较小,满足环保要求。

大风对洪泽湖泗阳生态岛湖流影响数值模拟研究

为研究大风对洪泽湖泗阳生态岛工程湖流影响,采用MIKE 3建立了洪泽湖三维水动力数学模型。通过实测资料对模型参数率定,验证结果良好,进而研究了不同工况条件下洪泽湖水动力特性及泗阳生态岛工程对其附近湖流动力影响特性。结果表明:洪泽湖湖区流场变化主要受大风影响,风向及水位的变化均能对湖区壅水及湖流结构产生影响。生态岛的填筑将导致湖区出现局部迎流侧流速增大、背流侧流速减小的现象,但对整个湖区湖流及环流结构基本无影响。研究成果可为洪泽湖泗阳生态岛工程安全运行提供技术支撑。

两种分层方式对温排水三维数值模拟的影响研究

三维数学模型近年来越来越多地被用于研究滨海电厂温排水环境影响问题。海域自由面随潮波动、地形复杂多变,垂向网格的划分方式在一定程度上会影响流场、温度场计算结果。本文以某滨海核电厂为例,采用MIKE 3软件开发斜压三维水动力水温模型,在总分层数即算力保持一致的情况下探究纯sigma分层和垂向混合分层两种分层方式对计算结果的影响。结果表明:两种垂向分层模式对海域潮位的计算精度影响不大,但对有垂向流速梯度的流场刻画会产生一定影响,在近岸海域采用sigma分层模式有利于捕捉垂向流速的变化特征;同时,纯sigma分层方案下,4℃最大温升包络面积约为混合分层的4倍,表明不同垂向分层模式可能会对高温升包络面积计算结果产生较为显著的影响。

基于MIKE 3模型计算航道工程装舱溢流施工流失量

装舱溢流施工后输挖泥沙工程量统计时会包含沉落到航道范围内的泥沙,而落到航道范围外的泥沙无法确定,因此项目验收时根据航道体积计算的输挖工程量会远小于挖泥船实际作业时的工程量。依托盘锦港荣兴港区10万吨级航道工程,采用MIKE 3水动力数值模拟软件,搭建工程区潮流泥沙模型,计算出落到航道范围外的溢流泥沙流失量。结果表明,本方法能计算出整个施工期的装舱溢流施工流失量,对施工方统计实际施工量有重要意义。

金盆水库热分层特性及扬水曝气系统运行效果研究

基于MIKE3软件建立黑河金盆水库三维水温模型,该模型准确的模拟出了2012年水体垂向水温变化及水体热分层结构演变,平均相对误差为1.42%.针对气温、太阳短波辐射及入库流量对水体热分层结构的影响进行了系统的模拟研究.结果显示:气温、太阳短波辐射与水体热分层的稳定性呈现正相关关系,而入库流量则与其呈现显著负相关关系.引入APE水库潜在势能指数来评估金盆水库水体热分层稳定性,并应用该模型,对金盆水库水体2014年9月至11月自然分层状态下APE指数进行模拟,与同时期人工强制混合条件下实测水体APE指数进行对比分析.结果表明,扬水曝气系统的人工强制混合作用能够有效降低水体APE指数,破坏热分层结构,促进水体混合.实验结果可为扬水曝气水质改善系统的科学运行提供依据,实现系统人工诱导混合,高效节能的持续改善水质,保障供水水质安全.

采用Logistic统计法分析片状铝粉的最小点火能

在1.28LMIKE3管内对不同浓度的片状铝粉-空气混合物进行最小点火能测试;基于统计分析的Logistic回归模型,采用用以概率表示粉尘云最小点火能的计算方法,借助SPSS统计分析软件计算得到各浓度下片状铝粉点火概率随能量的分布曲线。研究结果表明:片状铝粉的最小点火能随浓度的增大先迅速减小后保持在一定的能量范围内,其爆炸敏感度比普通球状铝粉更高;与采用其他方法的计算结果相比,以概率表示特定物质的最小点火能更符合实际情况。

瓯江口航道二期治理潜堤工程三维潮流数值模拟

基于MIKE3技术平台,建立了瓯江口工程海域三维潮流数学模型。模型水平采用无结构的三角形网格系统,垂向采用σ坐标,较好地拟合了工程海域复杂的岛屿岸线和地形特征。采用现场实测水文资料,对瓯江口航道二期治理潜堤工程实施后的三维流场进行了模拟,并分析了工程实施后的影响。工程实施后,瓯江北口航道、沙头水道、小门水道、大门岛和小门岛间水域流速略有变化,其他水域则基本不变。附近海区高低潮位变幅为0～2 cm。从对周围水动力影响角度考虑,工程是可行的。

厦门湾海洋塑料垃圾的运动特性及输移机理

作为新型海洋污染物,海洋塑料垃圾入海通量计算过程中涉及的源汇过程、迁移途径、输运过程等尚未完全清楚,需进一步研究完善。以工业高速发展的厦门湾为研究对象,考虑潮流、入海径流、风等因素的影响,基于MIKE3软件的生物仿真模拟技术(Agent Based Modelling),模拟研究了漂浮及悬浮塑料垃圾的分布特征和迁移规律,并提出经验公式对沉积塑料垃圾的通量进行了预测。结果表明漂浮塑料垃圾在不利风、常风向和最大风的作用下集中堆积于岸线处。而悬浮塑料垃圾由海面向下呈现指数式下降的分布特征,且其水平迁移分布与潮流运动密切相关;流速小的区域悬浮塑料垃圾更容易堆积使局部浓度升高。悬浮塑料垃圾的扩散速率也与塑料颗粒的物理性质有关,沉降速度小的塑料颗粒在水中悬浮的时间更长,更容易被传输到距离污染源更远的地方。同时,研究发现沉积微塑料通量的增长规律近似为线性变化,通量大小与厦门塑料产量和厦门湾的水动力特性相关。