[發明專利]基于Lu模型的大壩下游河岸帶熱流耦合模擬構建方法

有效

• 申請號: 201710711576.2
• 申請日: 2017-08-18
• 公開（公告）號: CN107665270B
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 任杰;張文兵
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 燕肇琪

基于Lu模型的大壩下游河岸帶熱流耦合模擬構建方法，包括以下步驟：步驟1，構建河岸帶飽和?非飽和滲流場?溫度場全耦合模型，包括建立滲流場，并建立飽和?非飽和熱量運移模型，描述溫度場和滲流場的關系；步驟2，對所述河岸帶飽和?非飽和滲流場?溫度場全耦合模型設置邊界條件，包括對滲流場設置邊界條件以及對溫度場設置邊界條件；步驟3，求解所述河岸帶飽和?非飽和滲流場?溫度場全耦合模型，求解的過程中采用Lu模型來描述土體的等效熱傳導系數與含水率之間的關系，從而得到滲流過程中溫度隨時間的變化規律。解決了現有技術中存在的不能夠準確的模擬大壩下泄低溫水對河岸帶飽和?非飽和熱流耦合的影響機理的問題。

技術領域

本發明屬于水利工程技術領域，涉及一種基于Lu模型的大壩下游河岸 帶熱流耦合模擬構建方法。

背景技術

在河流上筑壩建庫，是開發利用水資源中最常見的工程措施。然而，水 庫建成蓄水后，形成了龐大的水域，改變了原天然河流的水域環境，形成了 特有的溫度場。水庫發電為主的引水主要取自水溫偏低的滯溫層，以利用發 電尾水進行農業灌溉、生態補水、水廠取水等為主的生產生活性用水水溫， 在每年絕大多數月份中比河道自然水溫低。低溫水泄入下游河道，沿程流動 并通過側向潛流交換作用，改變了河岸帶潛流層天然溫度場和水分場的分 布，從而對依存其中的動物群落、作物生長、土壤呼吸等生存環境產生較大 的影響，這對河流的可持續健康發展十分不利。

雖然國內外學者基于水庫水溫或下游河道水溫模型進行了大量的研究， 同時也有學者利用飽和多孔介質水熱耦合運移數學模型分析了水庫下泄低 溫水水位和水溫對地表水-地下水交錯帶溫度場的影響規律，已取得了一些 研究成果，但目前尚缺少水庫下泄低溫水造成的河岸帶飽和-非飽和熱流耦 合特性及模型方面的研究成果。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于Lu模型的大壩下游河岸帶熱-流耦合模擬 構建方法，解決了現有技術中存在的不能夠準確的模擬大壩下泄低溫水對河 岸帶飽和-非飽和熱-流耦合的影響機理的問題。

本發明所采用的技術方案是，基于Lu模型的大壩下游河岸帶熱流耦合 模擬構建方法，包括以下步驟：

步驟1，構建河岸帶飽和-非飽和滲流場-溫度場全耦合模型，包括建立 滲流場，并建立飽和-非飽和熱量運移模型，描述溫度場和滲流場的關系；

步驟2，對河岸帶飽和-非飽和滲流場-溫度場全耦合模型設置邊界條件， 包括對滲流場設置邊界條件以及對溫度場設置邊界條件；

步驟3，求解河岸帶飽和-非飽和滲流場-溫度場全耦合模型，求解的過 程中采用Lu模型來描述土體的等效熱傳導系數與含水率之間的關系，從而 得到滲流過程中溫度隨時間的變化規律。

步驟1中，建立的滲流場具體為河岸帶飽和-非飽和瞬態滲流場，采用 Richards方程進行描述：

式中：θ為含水量，k為土滲透系數，k在飽和區域為初始溫度場T的函 數，k在非飽和區域為土體基質吸力或含水率的函數；h為壓力水頭，H為 總水頭，C為土體容水度，n為多孔介質的孔隙率，S_s為彈性貯水 率，Q_s為滲流源匯項，為拉普拉斯方程，D_T為水動力彌散系數，t為時間。

在河岸帶飽和-非飽和瞬態滲流場中，采用Van Genuchten模型來描述非 飽和帶土壤水分特征曲線：

上式中，h(θ)為土壤基質吸力，k(θ)為非飽和土滲透系數；θ_s和θ_r分別 為土壤飽和含水率和土壤殘余含水率，與土壤質地有關；α和n_v為VG模型 參數，m＝1-1/n_v；k_s為飽和土體滲透率。