TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播，波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。

研究背景

湖泊的熱分層和熱力循環是制約湖泊各種理化過程(如溶解氧分布、底泥營養鹽釋放、上下層水流混合和對流等動力現象 ) 的重要因素，是湖泊最重要的物理過程，同時對生物的新陳代謝和物質分解具有重要的作用，深刻影響湖泊的生態系統。 因此，研究湖泊的熱分層現象具有重要的意義 。

傳統的研究方法通過經驗公式和監測數據結合的方式，做到定性或定量的研究湖泊熱分層的影響因素，但是這種方法無法獲取湖泊全部水域的參數信息，參數的預測受制于經驗模型也不夠精確。隨著相關數值軟件的穩定發展，使用數值模擬方法研究湖泊的熱分層逐漸成為一種非常重要的手段。

德國蒙斯特洛科湖水深約14米，全年少雨，幾乎沒有進水流量。此外，該湖泊與萊茵河僅一壩相隔，由于萊茵河需要滿足航運的需求且水深僅4米，因此不能輕易的向湖內補水，避免沉積物堆積影響正常航運。以上原因導致湖泊垂直方向的水體混合不足。2016年至2019年期間蒙斯特洛科湖多次發生因水體中溶解氧含量下降導致水生生物死亡的事件。

下圖是蒙斯特洛科湖 的地理位置

本 案例旨在利用TELEMAC-MASCARET的TELEMAC3D三維水動力模塊構建湖泊垂直熱力交換的模型，研究無進水流量或流量很少時的水體混合現象。 進而為湖泊的水質研究提供水動力學模型基礎。

模型構建

立方溫躍層模型

在構建真實的湖泊模型之前，需要通過簡單的模型確定參數的設置。無外流場驅動的熱分層模型敏感性極高，對于算法參數設置的要求嚴格。具體地說，模擬求得的溫度場存在誤差噪聲。當噪聲較大時，會因溫度差生成驅動流，模擬足夠的時長后，虛假的流場會攪渾整個水域，而這并不是真實的物理現象。

為了消除誤差噪聲的影響，需要測試不同的算法。在這一階段采用最簡單的10*10*14米的55層立方水體模型，初始溫度均勻，在最頂部設置溫度邊界條件為30攝氏度，實現對湖泊溫躍層的模擬。

設置不同的對流算法，經測試驗證“弱特征形式”對流算法的溫度噪聲最小，“強特征形式”次之。

下圖是立方模型，使用“弱特征形式”求解的溫度分布

錐底大尺度模型

經過立方溫躍層模型的測試得到了合適的對流算法。還需要考慮底部地形造成的溫度誤差。這一步采用125*1000*14米共55層的錐底大尺度模型測試。

錐底模型使用“弱特征形式”算法求解的溫度分布

上圖可以看出，由于“弱特征形式”算法求解的溫度分布受地形影響嚴重，因而最后選擇“強特征形式”算法。

蒙斯特洛科湖模型

縱向設置55層，采用“強特征形式”算法，結合在湖泊內的兩個監測點測量的垂直溫度數據對湖泊模型進行校準，模擬14天內的溫度變化。

經過校準，模擬與測量的曲線相對比，吻合度良好。

模型結果

為了進一步檢驗校準后湖泊三維水動力模型的敏感性，在湖泊的左端設置14度的水流從湖的表面流入，流量為1m3/s，模擬水體在2小時內的混合過程。

下圖展示了14度的暖水在湖面上緩慢流過的過程。直到水流到達對岸，深層的水也沒有被攪動。

入水流速為1m3/s，2小時后水體混合情況

當表面的入水流量增大到100 m3/s后，某些區域的深層的水體被攪動，溫度分層也因為攪動而變得均勻。

入水流速為1m3/s，1.4小時后水體溫度分布情況

本案例使用TELEMAC-MASCARET中Telemac3D模塊，研究了湖泊的溫度垂直分層現象，并且模擬了外部弱流驅動下的流體混合過程。基于這個高靈敏的模型，可以進一步研究湖泊的各種理化過程，如水質情況。

研究結論

本案例是將環境仿真技術應用于湖泊熱分層現象的研究。模擬的結果證明了TELEMAC-MASCARET具備構建靈敏且穩定模型進而對湖泊水動力、熱分層和熱力循環現象進行模擬預測。區別于傳統的方法，環境仿真技術可以獲得更加全面的湖泊熱力學信息。

近期培訓通知

TELEMAC水動力專題培訓

  培訓時間  

2021年9月15日-18日

報名截止時間：2021年9月15日

本次培訓名額有限，報名從速。

  培訓地點  

河海大學：南京市鼓樓區西康路 1 號嚴愷館 702

  擬定培訓內容  

     1、TELEMAC-MASCARET 軟件理論知識

     2、TELEMAC-MASCARET 軟件安裝編譯

     3、TELEMAC-MASCARET 軟件的上機實踐和應用實例

          1）TELEMAC 2D: 水動力模型

          2）TOMAWAC: 波浪譜模型

          3）ARTEMIS: 波浪解析模型

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