温度分层型水库间层异重流运动规律研究

Thermal stratified flows are driven by buoyancy of bottom cold water with excess density. Relative motion acts when Inflow currents flow into the layer with same temperature in a thermal stratified reservoir. Flood induced river may transform into the turbidity currents because greater density of sediment. Both the thermal flow and turbidity current are all stratified flows induced by different density. A special phenomenon of interlayer flow may generate when the inflow of fluvial water with sediment presents a lower density than the ambient bottom cold water, which has an inhibiting effect for sediment vertical diffusion..The stratification of the turbidity current between layers becomes more obvious by such thermal-sediment coupling effect, which also alters the governing process in reservoir sedimentation by transporting and delivering. The sedimentation and surge of the turbidity currents in front of the dam may also cause the break stability of the thermal stratified structure. Turbidity currents studies involve predicting the water environment and desilting with desired accuracy for better planning and design of a reservoir, which belongs to frontier topics in sediment research. Including numerical method based on two phases flow theory, flume experiment and field investigation are used for analyzing the mechanism and maintain condition of interlayer flow. Such study can provides scientific regulation proposals for low water temperature water control and turbidity currents deposition.

在温度分层的水库中，入流在温差引起的浮力作用下趋向于进入其同温层，不同流层间发生相对运动形成温差异重流。而含沙水体入库后由于重力作用而潜入底部，形成浑水异重流。无论温差还是浑水异重流，其均是由于密度差异而引起的水体成层流动。但在温度分层的水库中，若入库浑水密度低于底层低温水时，泥沙扩散及沉降被抑制并形成类似浑水在清水夹层中流动的特殊现象，或称为“间层异重流”。.温差、泥沙耦合间层流动导致清浑水分层流动更为明显，泥沙扩散淤积规律发生改变并影响异重流输沙规律，而泥沙的沉降和异重流坝前的爬升涌高更改变了坝前稳定的温度分层结构。这种相互影响造成了复杂的水沙运动规律，成为科学预测水库环境泥沙必须解决的技术难题。本项目拟采用数值模拟、水槽试验和原型观测的方法，分析“间层流动”的产生机理和维持条件，对分层型水库的低温水控制效果和异重流淤积、排沙问题进行研究，提出水库科学调度建议。

大型水电工程修建形成的巨型深水库，水动力学条件较天然河道差异明显，入库后水体流速急剧减缓，重力取代惯性力逐渐占据主导作用。由于水体蓄热作用，在温度分层的水库中，入流在温差引起的浮力作用下趋向于进入其同温层，不同流层间发生相对运动形成温差异重流。而含沙水体入库后由于重力作用而潜入底部，形成浑水异重流。无论温差还是浑水异重流，其均是由于密度差异而引起的水体成层流动。但在西南山区低含沙河流且温度分层的水库中，若入库浑水密度低于底层低温水时，泥沙扩散及沉降被抑制并形成类似浑水在清水夹层中流动的特殊现象，或称为“间层异重流”。温差-泥沙耦合间层流动导致清浑水分层流动更为明显，泥沙扩散淤积规律发生改变并影响异重流输沙规律，而泥沙的沉降和异重流坝前的爬升涌高更改变了坝前稳定的温度分层结构。这种相互影响造成了复杂的水沙运动规律，成为科学预测水库环境泥沙必须解决的技术难题。.本项目综合采用两相流数值模拟方法构建数学模型、研发了专用试验系统并开展水槽试验、在岷江紫坪铺水库开展了多次全库区水温-泥沙原型观测，完成了项目的预期研究目标。在研究中着重分析了异重流“间层流动”的产生机理和维持条件，对分层型水库的低温水控制效果和异重流淤积、排沙问题进行研究，对耦合作用下坝前三维效应进行分析，提出水库科学调度建议。项目在研究期内共发表论文12篇，其中SCI论文6篇，EI论文2篇，受项目资助参编专著1本，获发明专利授权3项，受邀开展国际学术交流3次，国际会议特邀报告1次，培养硕博士毕业生4人，关于水库原型观测的技术作为成果“流域梯级水电开发水温观测及调控关键技术”的重要组成部分，2019年获中国大坝工程学会科技进步一等奖。成果应用于多个水库和流域梯级调度中，探索实现保障温度分层型水库的低温水控制效果与排沙减淤效益的最大化问题，是工程泥沙、环境泥沙和水力学领域的交叉前沿课题。