非守恒粒子轨迹跟踪模型在香溪河的应用李健，姜晓明，王兴奎，李丹勋(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：三峡工程建成后将改变库区的水动力条件，对库区及支流的水生态环境产生重要影响。本文应用三维非结构海洋动力学模型ELcirc及考虑水温和流速因素彫响水藻增殖的粒子轨迹跟踪模型模拟三峡库区支流香溪河的水流及水藻颗粒的输移。釆用室内弯道水槽试验资料对模型进行了验证，计算结果表明本模型可以较为精确地模拟弯道水流运动特性和弯道水流中的物质输移。采用本模型研究了2007年9至10月三峡水库蓄水期香溪库湾的水流及藻类颗粒物质输移，计算结果表明：长江干流水体倒灌入香溪库湾产生冋流，藻类颗粒向上游运动，考虑水藻生长过程的三维粒子轨迹跟踪模型可以较好地模拟水藻颗粒沿垂向分布及水藻生长的水华过程。关键词：环境水力学；ELcirc模型；粒子跟踪模型；香溪河中图分类号：X143文献标识码：A文章编号：Non-conservativeparticletrackingmodelanditsapplicationtoXiangxiRiverLIJian,JIANGXiaoming,WANGXingkui,LIDanxun(StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:TheoperationoftheThreeGorgesProject(TGP)leadstoadramaticchangeinhydrodynamicconditionandaquaticecologicalenvironmentinthereservoirandsometributaries.ToquantifysuchchangesinXiangxiRiver,onetributaryoftheYangtze,thethree-dimensionalunstructured-meshoceanicmodelELcirctogetherwithaparticletrackingmodel(PTM)wereverifiedagainstflumeexperimentdataandappliedtosimulateflowandalgaeparticles'movementfromSeptembertoOctoberin2007whentheTGPreservoirbegantoimpound,theeffectofwatertemperatureandlightattenuationinfluencingthereproductionofalgalwasconsideredinPTM.ThemodelingresultsshowthatbackflowfromtheYangtze'smainstreamintotheXiangxiRiveroccurred,andalgaeparticleswerepushedtotheupperreach.Theverticaldistributionandreproductionofthealgalinthebloomprocesscanbesimulatedusingthenon-conservativePTM.KeyWords:EnvironmentalHydraulics;ELcirc;ParticleTrackingModel;XiangxiRiver0引言三峡工程建成后在长江上游形成河道型水库，将改变库区和支流的水动力条件，随着区域社会经济的发展，大量的点源和非点源造成的污染物排入河流水体中，多种因素作用引起了库区水质的下降，近年来三峡库区支流(如香溪)多次爆发了水华事件，给流域的生态环收稿H期：基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50823(X)5)作者简介:李健(1984-)男,博士生.E-mail:jianli08@mails.tsinghua.cdu.cn式中，(兀丿)为平面笛卡尔坐标(m)；Z为垂向坐标，向上为正(m)；/为时间(s)；%为计算初始水位(m)；〃为自由水位波动(m)；h水深(m)；v分别为法向和切向流速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)；/为柯氏力系数；心爪Km、,分别为水流动量方程中的水平、垂向紊动粘性系数(m2/s)o1.2拉格朗日粒子模型原理粒子运动轨迹的模拟是在基于ELcirc的水动力场计算结果下进行的⑹，模拟粒子群在非结构网格框架内的运动轨迹，粒子在每一时间步内的运动由确定性的对流和随机性的紊动扩散两部分组成，由下式计算：境和当地居民的生活造成了不利影响。河流在复杂边界驱动力的作用下(如水库调度和海洋潮流)，河流水体小的污染物输移也较为复杂。基于拉格朗日法的粒子跟踪模型可以模拟单个粒子或粒子群的运动轨迹，因此广泛地应用于研究和模拟自然界中颗粒物体在水体中的输运轨迹、掺混和交换等问题。ANDREW.V.采用粒子跟踪模型模拟了水体中浮游生物的浮游运动⑴，粒子模拟不仅可以了解浮游生物个体的微观尺度的运动，也可以了解宏观尺度的种群分布状态，模型的关键是浮游生物的行为特征的物理描述。CHENWeibo等采用三维粒子跟踪模型研究了Danshui河II内污染物的运动情况⑷，潮流驱动和风生流动是影响河口污染物运动的主要原因。LIUWencheng等应用粒子跟踪模型研究发现Danshui河口的水体密度差异引起的立面环流使粒子不能沉降至河床...