基于FVCOM的鹤地水库环流特性模拟研究 - 赵庄明 - 图文

第54卷第6期2015年11月

ACTA

中山大学学报（自然科学版）

SCIENTIAＲUMNATUＲALIUMUNIVEＲSITATIS

SUNYATSENI

Vol.54No.6Nov.2015

DOI：10.13471/j.cnki.acta.snus.2015.06.026

基于FVCOM的鹤地水库环流特性模拟研究

赵庄明，杨

摘

*

静，綦世斌

（环境保护部华南环境科学研究所，广东广州510630）

要：采用FVCOM模型，考虑径流与风的影响，模拟鹤地水库2013年1月至2014年3月的环流。模拟结果

与2014年3月实测流速值符合良好。对比2013年纯径流、不同定常主导风以及2013年实际径流与风场作用下的环流，结果显示：①不同主导风作用呈现出不同环流结构。在NNE风持续作用下，库区呈现出多个较大的逆时针环流，西岸流普遍比东岸流强；而在S、SSE风下，则出现多个逆时针与顺时针环流交替，且东岸流普遍比西岸流强；②在冬半年，径流弱而风力较大情况下，风成为水平、垂向环流作用主导因素；而夏半年，径流较强劲，此时风向多与径流流向相反，水库水平、垂向环流则主要受径流控制；③库区全年平均主要以逆时针环流为主，并形成较强沿岸流，西岸流比东岸流更强。

关键词：风生环流；FVCOM；径流；鹤地水库；河道型水库中图分类号：TV139.2文献标志码：A文章编号：0529－6579（2015）06－0144－12

CirculationsintheHediＲeservoirBasedonFVCOM

ZHAOZhuangming，YANGJing，QIShibin

（SouthChinaInstituteofEnvironmentalSciences，theMinistryofEnvironmental

ProtectionofPＲC，Guangzhou510630，China）

Abstract：Consideringtheinfluentsofbothrunoffandwinds，CirculationsintheHedireservoirfromJanuary2013toMarch2014weresimulatedusingFVCOM．Simulatedresultsagreewellwiththeobser-vationsduringMarch2014．Comparisonsamongthecirculationscausedbyrunoff，differentdominantwindsandbothrunoffandwindsduring2013showedthat：①Thestructureofthecirculationschangedwiththedominantwinds．UndertheNNEwind，severalanti-clockwisecirculationswereobserved，andthewestcoastflowwasstrongerthantheeastcoast，whileundertheSorSSEwind，clockwiseandanti-clockwisecirculationswerefoundatthesametime，andtheeastcoastalcurrentswerestrongerthanthewest．②Duringthewinterhalfyear，whenrunoffwasweakwhilewindswerestronger，thewindscon-trolledthehorizontalandverticalcirculations；Duringthesummerhalfyear，whenrunoffwasstrongerwithreversewinds，therunoffcontrolledthecirculations．③Themaincirculationswereanti-clockwise

forthewholereservoirintheannuallyaveragelevel，andthecoastalcurrentswerestrong，especially，thewestcoastcurrents．

Keywords：winddrivencirculation；FVCOM；runoff；HediＲeservoir；river-typereservoir水库水动力过程直接影响其化学、生物和生态动力系统过程。其水平和垂向的输移和混合过程影响营养盐

［1］

不均造成的重力流以及科里奥利力等，其中风应力包括风对湖面的摩擦剪应力和风对波浪背面的压力

［5－6］

。湖等，是湖泊、水库中较为重要的动力因素

库等较为封闭的水域中，在风应力作用下常常会形

、污染物［2］和动植物［3－4］的分布。水

库动力因素主要包括风应力、入库出库径流、密度

*

收稿日期：2015－01－22

基金项目：国家环保公益性行业科研专项基金资助项目（201309042）

mail：yangjing@scies.org作者简介：赵庄明（1986年生），男；研究方向：水环境数值模拟；通讯作者：杨静；E-

第6期赵庄明等：基于FVCOM的鹤地水库环流特性模拟研究

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成水平、垂向上的系统性环流，即风生环流。而水库由于受人工调节等作用，其入库、出库径流引起的环流也需同时考虑。

迄今为止，国内外对湖库环流等方面已进行了深入研究。国内较早就有学者采用二维差分模式模

［7］

拟了太湖定常风流场；也有学者采用二维有限

［8］

元模型对玄武湖风生流进行数值模拟。这些浅水二维模式应用广泛，却无法反映流场垂向结构。近年来越来越多学者采用三维模式研究实际湖库的

［9］

水动力特征。如梁瑞驹等采用基于Sigma坐标的三维模型模拟太湖风生流水平和垂向分布；胡维平［10］

等则采用三维模型模拟了典型风场下的湖流，并指出整层平均流场与各层流场之间存在很大差异，在研究诸如藻类、泥沙垂直分布明显的物质输移与分布时，二维模型过于粗略，最好选用垂直方

［11］

向至少三层数值模型。张发兵利用三维水动力模式对定常风下典型湖底地形风生流场进行数值模拟，发现在风场等外部条件相同下，湖底地形将决定湖泊风生流场的基本形态和环流流速。Boris［12］

等则建立了SPEM模型模拟了康斯坦茨湖Mari-nau岛周围风生流；Musteyde等［13］基于Stokes方程建立了一个三维风生湖流数学模型模拟英国Esth-waiteWater湖计算。在径流方面，孙杨等［14］采用三维水动力模型模拟了一次暴雨下大伙房水库径流产生的环流过程。近年来，越来越多的研究开始采用FVCOM、ECOM、Delft3D等模式进行湖库环流计算。鹤地水库作为广东省5个大型饮用水源地之一，其遭受来自上游九洲江及周边污染越来越严重，然而目前对鹤地水库水动力研究相对缺乏。现有的文献仅是从水库防洪调度和流量变化

方面进行宏观研究，对于库区的环流变化时空分布特征等研究很少。如何分离各种动力因素对库流特采用成熟的数值模型模拟以揭示水库水动力物理规律的方法是重要的研究手段。

本文采用三维非结构FVCOM模型，同时考虑径流与风的影响，模拟鹤地水库2013年1月至2014年3月的环流特征。通过对鹤地水库在纯径流作用下、主导风作用下的环流分析和2013年的真实环流模拟，对比库区不同季节下的环流特性和环流的空间分布，揭示和描绘鹤地水库环流的时空分布特征以及主导因素，为将来鹤地水库的营养盐输运过程和生态动力学研究提供基础。

［15］

［16－18］

游，地处北回归线以南，介于东经109°54'－110°

25'，北纬21°42'－22°22'之间，研究区域见图1。水库建于1958年，1960年运行，大坝位于广东省湛江市廉江河唇镇，库区北起文官，南至渠首，横跨广西陆川、博白和广东廉江、化洲四县市，是以防洪、灌溉为主，兼具生活饮用、发电、航运、观光旅游等功能为主的国家级大（I）型水库，是广东省5个大型饮用水源地之一，担负着粤西10多万hm耕地的灌溉和几十万人的生活供水。鹤地水库属于河道型水库，库区最宽可达4.9km；水库最大水深28m，平均水深10.1m，其水文特征如表1所示。鹤地水库正常高水位为39.3m，洪峰来时超过该水位必须向九洲江下游开闸放水。

3［19］

，其中上游其多年平均入库径流量为14.8亿m

3

九洲江入库径流量达9.28亿m。根据建库40a来湛江水文局鹤地水文站的观测统计资料显示，排入3

下游九洲江年均水量仅为3.02亿m，而约10.70

3

亿m水量则排入雷州青年运河用于灌溉、供

2

［19］

水

［20］

。可见鹤地水库对于下游的重要性不言而喻。

然而，由于九洲江上游及库区周边大量农业养殖、生活废水的排入，同时鹤地水库流速缓、自净能力差，致使近年来富营养化程度持续加重，已严重威胁到下游城市的生活供水。

表1

Table1

鹤地水库水文特征

HydrologicalfeaturesofHediＲeserva

项

目

特征值1495131975641.9139.334.0011.287.483.4

水库集雨面积

设计洪水位对应面积

2

水面面积/km

正常高水位对应面积死水位对应面积设计洪水位

征的影响，是采用实测手段难以解决的课题，因此

珠江基面水位变化/m正常高水位死水位

设计洪水位对应库容

3

库容/（亿m）正常高水位对应库容死水位对应库容

2

2.1

方法和数据

物理模型

鹤地水库库区四周为丘陵地，库中岛屿星罗棋布，岸线迂回曲折，形成了众多的库湾和库叉；库尾从石角至文车段为相对较狭窄的河道。研究区域特点是地形复杂，包括宽阔的库区与狭窄的河道段，对于库区，可以采用低分辨率网格，而对于河道段，则必须采用高分辨率网格。

1研究区域

鹤地水库位于广东、广西跨省河流九洲江的中

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图1

Fig.1

鹤地水库地形图

ThetopographyofHediＲeservoir

2

曳系数取0.0025。水平涡粘系数取2.0m/s，垂向采用MY－2.5紊流模型闭合。最小水深设置为0.05m，根据CFL条件及模型调试确定时间步长

本文采用目前应用广泛的三维FVCOM模型模

［23］

拟鹤地水库水动力过程。该模型是由Chen等发展起来的基于无结构网格的有限体积三维原始方程海洋模式。其优点是能够灵活处理空间分辨率及拟合不规则岸线、岛屿；而垂向上采用σ坐标系统则能够拟合起伏地形变化。σ坐标变换在陡坡地形上容易引起虚假的斜压误差流动，但是这种误差可以通过将水平和垂直网格大小限制在一定分辨率下

［24－27］

。FVCOM在垂向上和水而达到计算所需精度

平上分别采用Mellor和Yamada2.5阶紊流模型

（MY－2.5）［28－30］和Smagorinsky紊流模型［31］。FV-COM采用内外模分裂技术进行数值求解。目前FVCOM已经成功用于胶州湾、渤海、长江口等地方的生态过程研究得到了广泛应用

［32］

外模取0.5s，内模取10s。模拟时段从2013年1

月1日0：00－2014年3月31日0：00。由于模型计算量大，所有模拟均提交到高性能并行计算机上进行。2.22.2.1

模型输入数据水库流量

由于各入库河流的径流量受气

候变化影响而导致年度和年内变化差异较大，加之下游水体人工调节等因素，导致库容和水位在年际

［20］

与年内之间差异明显。为了了解鹤地水库水量平衡关系，本文收集了1980－2013年上游文官站每月来水量与下游青年运河每月输水量（资料由湛江市雷州青年运河管理局提供）。2013年及历年月平均鹤地水库上游来水与下游输水量如图2所示，由图可见，来水受降雨影响年内各月份分布不均，多集中于5－9月，而输水量集中于3－10月份；2013年与历年月平均对比可见，来水高峰差异较大，而输水差异不明显。渠首站同时记录有逐时水位值，该水位资料由广东省水利厅汛情发布系统获得（http：//www.gdwater.gov.cn：9001/Ｒe-port/WaterＲeport.aspx）。

本次模拟上游入流边界采用月均实测流量值、下游出流边界包括雷州青年运河大坝及排往九洲江的大坝，由于两者相距不远，均采用渠首的实测水位值，初始水位设置为2013年1月1日1时相应的水位值。

。FVCOM在湖泊水库方面也。

［5，33－34］

为了尽量减小水库回水影响，将模型上游边界

定在距离石角桥14.5km的文车桥处。模式计算区域包括鹤地水库文车桥至渠首段，模型的水深资料

49-77-由鹤地水库库区地形测量图（图1石角F-β-49-77-49-77-α、东村F-β-α、矛峡村F-τ-α、竹仔

49-77-49-77-49-77-山F-Γ-δ、莲塘F-Γ-β、龙潭F-Γ-τ）获得，同时，为了准确了解鹤地水库地形的变化，于2014年3月对文车桥至鹤地水库的地形进行部分测量，以校核水深资料数据。

模式共划分6297个三角形单元和3721个节点，文车桥至石角桥段采用细网格，最小网格边长160m，石角桥以下的库区段采用粗网格，最大网格边长300m。垂向均匀划分10层网格。库底拖

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对于研究鹤地水库环流至关重要。本文风场数据采用NCEP每隔6h的再分析资料。距离鹤地水库中心最近的NCEP格点（约34km）和廉江气象站（约17km）位置如图1所示，为了验证该格点风场数据，将该格点风场与廉江气象站2011年的小时平均风场作对比（本文风向以N向作为°顺时针增加），部分结果如图3所示，NCEP格点的风速与风向均与监测站实测值吻合良好。证明该NCEP格点风场能够代表鹤地水库附近的风场变化。

模型使用风场数据时长为2013年1月1日至2014年3月31日，见图4。为了得到较为接近现实的初始水动力场，模型在较小风速下预先模拟1年时间，得到的流场结果作为初始场代入模型，再按实际风速模拟。2.3模型验证

为了验证模型，于2014年3月3－6日对各主要入库河流（九洲江、丹兜河、兰山河）流量进行实测，测量结果见表2。模型验证时，各入库河流取相应的实测流量值，下游边界取相应的水位实测值。

于2014年3月3－7日通过快艇并采用Ｒiver-SurveryorM9声学多谱勒水流剖面仪（以下简称M9）对鹤地水库若干点（A1－A9）的流速进行现场实测，对每个测点进行定点监测，等待船停稳后将M9固定在船上，并通过连接电脑实时得到水深平均流速数据时间序列。由于水库流速小，为了尽量减少发动机扰动造成的影响，监测期间船只关闭

图2Fig.2

鹤地水库上游来水及下游（青年运河）输水量Therateofinflowupstreamandoutflowdownstream

（theyouthriver）atHediＲeservoir

2.2.2

鹤地水库地处北回归线以南低纬地

区，紧靠热带海岸，属南亚热带季风气候，夏半年（4－9月）受湿热夏季风影响，盛行偏南风，冬半年（10月－次年3月）受干冷冬季风影响，则多吹偏北风，历年平均风速2.75m/s。准确的风场

风场

图3

Fig.3

NCEP格点与20110101－20110211廉江气象站风速、风向对比

ComparisonofthewindsobtainedbyNCEPandLianjiangmeteorologicalstationduringJan．lsttoFeb．11st，2011

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图4

Fig.4表2

Table2断面Q1Q2Q3

20130101－20140331期间鹤地水库附近风速变化

ThechangeofwindvelocitiesnearHediＲeservafromJan.1st，2013toMar.31st，2014

主要入库河流实测流量

3

s－1）流量/（m·

Themeasuredflowrateofmaininflowrivers时间

地点九洲江（文车桥）

丹兜河兰山河

个实测点位的流场趋势。图6显示，总体上除A9

点的流向有所偏离外，其它各个测点模拟的流向与实测值符合良好，但观测发现模拟结果的流速普遍比实测值小，最大误差为A1号点表层，绝对误差为0.038m/s，相对误差为76%，这可能是实测时受瞬时风浪的干扰，导致流速值偏大，这在其它的

［5，35］

。但总体上流速基本湖泊中也出现相似情况

处于同一数量级水平，模拟结果与实测值相符良好。

201403032014030620140306

13.10.11.0

发动机，观测路线依次从渠首至石角桥进行监测，每天走航一次，共测5次。将各点水深平均流速的时间序列进行平均，得到各点位的垂向剖面平均流速流向如图5（a）所示。

根据NCEP再分析资料显示，3月3－7号水面以上10m风速在1.3～3.9m/s之间，主要受NNE风作用，而各个入库河流正处于枯水期，流量影响不大（见表2），水库处于高水位，介于40.23～40.27m之间，因此风的作用影响显著。如图5（b）所示，本次模拟结果基本能够反映各

3

3.1

结果分析

径流对环流影响

根据鹤地水库地形特征将其分为河道段（文车桥至石角桥）、过渡段（石角桥至兰山河口）和库区段（兰山河口至渠首）。为了解入库、出库径流对于库区环流的作用，首先剔除风的影响，只考虑入库出库径流，得到4个季度平均水平环流如图7所示。由图可见，各个季度环流较为相似，主要

图5

Fig.5

2014年3月3－7日鹤地水库水深平均流速观测值与模拟值比较

ComparisonofdepthaveragedcurrentbetweenobservationdataandsimulationsduringMarch3－7，2014

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