[发明专利]基于Lu模型的大坝下游河岸带热流耦合模拟构建方法

说明书

基于Lu模型的大坝下游河岸带热流耦合模拟构建方法，包括以下步骤：步骤1，构建河岸带饱和‑非饱和渗流场‑温度场全耦合模型，包括建立渗流场，并建立饱和‑非饱和热量运移模型，描述温度场和渗流场的关系；步骤2，对所述河岸带饱和‑非饱和渗流场‑温度场全耦合模型设置边界条件，包括对渗流场设置边界条件以及对温度场设置边界条件；步骤3，求解所述河岸带饱和‑非饱和渗流场‑温度场全耦合模型，求解的过程中采用Lu模型来描述土体的等效热传导系数与含水率之间的关系，从而得到渗流过程中温度随时间的变化规律。解决了现有技术中存在的不能够准确的模拟大坝下泄低温水对河岸带饱和‑非饱和热流耦合的影响机理的问题。

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及一种基于Lu模型的大坝下游河岸 带热流耦合模拟构建方法。

背景技术

在河流上筑坝建库，是开发利用水资源中最常见的工程措施。然而，水 库建成蓄水后，形成了庞大的水域，改变了原天然河流的水域环境，形成了 特有的温度场。水库发电为主的引水主要取自水温偏低的滞温层，以利用发 电尾水进行农业灌溉、生态补水、水厂取水等为主的生产生活性用水水温， 在每年绝大多数月份中比河道自然水温低。低温水泄入下游河道，沿程流动 并通过侧向潜流交换作用，改变了河岸带潜流层天然温度场和水分场的分 布，从而对依存其中的动物群落、作物生长、土壤呼吸等生存环境产生较大 的影响，这对河流的可持续健康发展十分不利。

虽然国内外学者基于水库水温或下游河道水温模型进行了大量的研究， 同时也有学者利用饱和多孔介质水热耦合运移数学模型分析了水库下泄低 温水水位和水温对地表水-地下水交错带温度场的影响规律，已取得了一些 研究成果，但目前尚缺少水库下泄低温水造成的河岸带饱和-非饱和热流耦 合特性及模型方面的研究成果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Lu模型的大坝下游河岸带热-流耦合模拟 构建方法，解决了现有技术中存在的不能够准确的模拟大坝下泄低温水对河 岸带饱和-非饱和热-流耦合的影响机理的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于Lu模型的大坝下游河岸带热流耦合 模拟构建方法，包括以下步骤：

步骤1，构建河岸带饱和-非饱和渗流场-温度场全耦合模型，包括建立 渗流场，并建立饱和-非饱和热量运移模型，描述温度场和渗流场的关系；

步骤2，对河岸带饱和-非饱和渗流场-温度场全耦合模型设置边界条件， 包括对渗流场设置边界条件以及对温度场设置边界条件；

步骤3，求解河岸带饱和-非饱和渗流场-温度场全耦合模型，求解的过 程中采用Lu模型来描述土体的等效热传导系数与含水率之间的关系，从而 得到渗流过程中温度随时间的变化规律。

步骤1中，建立的渗流场具体为河岸带饱和-非饱和瞬态渗流场，采用 Richards方程进行描述：

式中：θ为含水量，k为土渗透系数，k在饱和区域为初始温度场T的函 数，k在非饱和区域为土体基质吸力或含水率的函数；h为压力水头，H为 总水头，C为土体容水度，n为多孔介质的孔隙率，S_s为弹性贮水 率，Q_s为渗流源汇项，为拉普拉斯方程，D_T为水动力弥散系数，t为时间。

在河岸带饱和-非饱和瞬态渗流场中，采用Van Genuchten模型来描述非 饱和带土壤水分特征曲线：

上式中，h(θ)为土壤基质吸力，k(θ)为非饱和土渗透系数；θ_s和θ_r分别 为土壤饱和含水率和土壤残余含水率，与土壤质地有关；α和n_v为VG模型 参数，m＝1-1/n_v；k_s为饱和土体渗透率。