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)與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084）摘要：三峽工程建成后將改變庫區(qū)的水動力條件，對庫區(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)彎道水槽試驗資料對模型進行了驗證，計算結(jié)果表明本模型可以較為精確地模擬彎道水流運動特

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月三峽水庫蓄水期香溪庫灣的水流及藻類顆粒物質(zhì)輸移，計算結(jié)果表明：長江干流水體倒灌入香溪庫灣產(chǎn)生回流，藻類顆粒向上游運動，考慮水藻生長過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的水華過程。關(guān)鍵詞：環(huán)境水力學(xué)；ELcirc模型；粒子跟蹤模型；香溪河中圖分類號：X143文獻標識碼：A文章編號：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江上游形成河道型水庫，將改變庫區(qū)和支流的水動力條件，隨著區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展，大量的點源和非點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：基金項目：國家自然科學(xué)基金重點資助項目（50823005）作者簡介：李

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

9、機數(shù)，范圍在1~1之間，粒子從擴散度高的位置向擴散度低的位置移動。由于水動力模型中采用的時間步長較大，粒子跟蹤模型需將其分解為多個子步，以滿足粒子下一時刻的位置處于計算范圍的條件。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的運動軌跡搜索算法計算粒子在下一時刻的空間位置。為了模擬水深方向上受到光照和水動力限制作用影響下的水藻生長過程，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養(yǎng)物質(zhì)濃度很高和水溫差異較小，因此沒有考慮營

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