非守恒粒子軌跡跟蹤模型在香溪河應(yīng)用（

1、1非守恒粒子軌跡跟蹤模型在香溪河的應(yīng)用李健姜曉明王興奎李丹勛（清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）摘要：三峽工程建成后將改變庫(kù)區(qū)的水動(dòng)力條件，對(duì)庫(kù)區(qū)及支流的水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。本文應(yīng)用三維非結(jié)構(gòu)海洋動(dòng)力學(xué)模型ELcirc及考慮水溫和流速因素影響水藻增殖的粒子軌跡跟蹤模型模擬三峽庫(kù)區(qū)支流香溪河的水流及水藻顆粒的輸移。采用室內(nèi)彎道水槽試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明本模型可以較為精確地模擬彎道水流運(yùn)動(dòng)特

2、性和彎道水流中的物質(zhì)輸移。采用本模型研究了2007年9至10月三峽水庫(kù)蓄水期香溪庫(kù)灣的水流及藻類(lèi)顆粒物質(zhì)輸移，計(jì)算結(jié)果表明：長(zhǎng)江干流水體倒灌入香溪庫(kù)灣產(chǎn)生回流，藻類(lèi)顆粒向上游運(yùn)動(dòng)，考慮水藻生長(zhǎng)過(guò)程的三維粒子軌跡跟蹤模型可以較好地模擬水藻顆粒沿垂向分布及水藻生長(zhǎng)的水華過(guò)程。關(guān)鍵詞：環(huán)境水力學(xué)；ELcirc模型；粒子跟蹤模型；香溪河中圖分類(lèi)號(hào)：X143文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：Nonconservativeparticletrackingmo

3、delitsapplicationtoXiangxiRiverLIJianJIANGXiaomingWANGXingkuiLIDanxun(StateKeyLabatyofHydroscienceEngineeringTsinghuaUniversityBeijing100084)Abstract:TheoperationoftheThreeGgesProject(TGP)leadstoadramaticchangeinhydrodyn

4、amicconditionaquaticecologicalenvironmentinthereservoirsometributaries.ToquantifysuchchangesinXiangxiRiveronetributaryoftheYangtzethethreedimensionalunstructuredmeshoceanicmodelELcirctogetherwithaparticletrackingmodel(PT

5、M)wereverifiedagainstflumeexperimentdataappliedtosimulateflowalgaeparticles’movementfromSeptembertoOctoberin2007whentheTGPreservoirbegantoimpoundtheeffectofwatertemperaturelightattenuationinfluencingthereproductionofalga

6、lwasconsideredinPTM.ThemodelingresultsshowthatbackflowfromtheYangtze’smainstreamintotheXiangxiRiveroccurredalgaeparticleswerepushedtotheupperreach.Theverticaldistributionreproductionofthealgalinthebloomprocesscanbesimula

7、tedusingthenonconservativePTM.KeyWds:EnvironmentalHydraulicsELcircParticleTrackingModelXiangxiRiver0引言三峽工程建成后在長(zhǎng)江上游形成河道型水庫(kù)，將改變庫(kù)區(qū)和支流的水動(dòng)力條件，隨著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的點(diǎn)源和非點(diǎn)源造成的污染物排入河流水體中，多種因素作用引起收稿日期：基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（50823005）作者簡(jiǎn)介：李

8、健(1984)男，博士生.Email:ghua.3散兩部分組成，由下式計(jì)算：()()2xhXttXtutRKt???????（5）()()2yhYttYtvtRKt???????（6）()()2vzvKZttZtwtRKttZ???????????（7）式中，(XYZ)是粒子在Δt時(shí)刻和Δt1時(shí)刻的三維空間位置，(uvw)是水動(dòng)力模型計(jì)算得到的三維流速(ms)，Kh、Kv分別為水平和垂向擴(kuò)散系數(shù)(m2s)，(RxRyRz)為均勻分布的隨

9、機(jī)數(shù)，范圍在1~1之間，粒子從擴(kuò)散度高的位置向擴(kuò)散度低的位置移動(dòng)。由于水動(dòng)力模型中采用的時(shí)間步長(zhǎng)較大，粒子跟蹤模型需將其分解為多個(gè)子步，以滿(mǎn)足粒子下一時(shí)刻的位置處于計(jì)算范圍的條件。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的運(yùn)動(dòng)軌跡搜索算法計(jì)算粒子在下一時(shí)刻的空間位置。為了模擬水深方向上受到光照和水動(dòng)力限制作用影響下的水藻生長(zhǎng)過(guò)程，本文在三維粒子模型的基礎(chǔ)上考慮了光照和流速影響下的粒子增殖模塊，由于在水華期間水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度很高和水溫差異較小，因此沒(méi)有考慮營(yíng)

10、養(yǎng)物質(zhì)濃度和水溫對(duì)水藻生長(zhǎng)的影響。水藻細(xì)胞顆粒的增殖過(guò)程的計(jì)算式為：()()nnIUpttptfft?????????（8）式中，pn是水藻細(xì)胞顆粒在相應(yīng)時(shí)刻的數(shù)目，α為水藻細(xì)胞顆粒的增值率（cellm3h），fI和fU分別為光照和流速對(duì)水藻細(xì)胞顆粒增殖的限制因子，數(shù)值在01之間，計(jì)算公式[9][10]分別如下：()002.72[exp()exp()]eeKZdzKzIemmIIfeeKzII??????????（9）6.60.7UUf