環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值方法目錄TOC\o"1-2"\h\u5678環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值方法 16701.模型簡(jiǎn)介 197352.泥沙輸運(yùn)模型 2129492.1懸移質(zhì)輸移方程 2219502.2沖刷對(duì)泥沙濃度的影響 4190003.結(jié)論 5摘要：富營(yíng)養(yǎng)化是目前我國(guó)大部分河湖和水庫(kù)面臨的問(wèn)題，營(yíng)養(yǎng)鹽增多，浮游植物生長(zhǎng)旺盛，給水質(zhì)惡化帶來(lái)了不可忽視的作用。本文主要通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)學(xué)理論、數(shù)值模擬等方法，研究了環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值方法。關(guān)鍵詞：環(huán)境；流體動(dòng)力學(xué)；模型1.模型簡(jiǎn)介為了研究水動(dòng)力、泥沙對(duì)水體浮游植物生長(zhǎng)、水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響，需要選擇一個(gè)能夠?qū)⑷S水動(dòng)力、水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽、以及富有植物生長(zhǎng)耦合的強(qiáng)大的模型系統(tǒng)。目前比較成熟水體富營(yíng)養(yǎng)化模型如表2-1所示，從表中可以看出，EFDC模型和Delft3D模型等均具有較好的功能?？紤]到模型代碼的二次開(kāi)發(fā)性，因此在本次研究中選用了已有完整代碼的EFDC模型。表1水體富營(yíng)養(yǎng)化模型功能比較狀態(tài)變量EFDCDelft3DCE-QUAL-ICMQual2KWASP7AQUATOX營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)√√√√√√碎屑√√√√√√溶解氧√√√√√√pH值√√沙/淤泥/粘土√√√√水力學(xué)√√熱量交換√√√√鹽度√√√√浮游植物√√√√√√附著植物√√√√√大型水生植物√√環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)代碼（EFDC）由弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫(kù)和河口等區(qū)域的三維水動(dòng)力和水質(zhì)模擬。該模型曾成功運(yùn)用于弗吉尼亞詹姆斯河、約克河河口和整個(gè)切薩皮克灣河口系統(tǒng)，目前被廣泛地運(yùn)用于環(huán)境科學(xué)的研究中。模型可作為一種工程工具進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估和管理，也可作為一種科學(xué)工具來(lái)研究實(shí)際或理想情況下的環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)。EFDC模型在平面上采用笛卡爾或曲線(xiàn)正交坐標(biāo)，在垂向上采用經(jīng)過(guò)伸縮變換的σ坐標(biāo)，水動(dòng)力計(jì)算中可求解紊流運(yùn)動(dòng)的三維垂向靜壓運(yùn)動(dòng)方程，也能求解鹽分、溫度、懸沙、染色示蹤劑的輸運(yùn)方程，此外還能求解歐拉觀點(diǎn)下溶解和懸浮物質(zhì)的輸運(yùn)-變換方程以及拉格朗日觀點(diǎn)下粒子的輸運(yùn)-變換方程。EFDC水動(dòng)力模型可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部的水質(zhì)模型，從而對(duì)包含藻類(lèi)生物量、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、溶解氧在內(nèi)的多個(gè)水質(zhì)變量進(jìn)行計(jì)算（Hamrick，1992；CercoandCole,1995）。2.泥沙輸運(yùn)模型水生系統(tǒng)中的許多物質(zhì)具有疏水性，這意味著它們會(huì)大量吸附在懸浮的泥沙顆粒表面。因此，污染物的遷移是水沙運(yùn)動(dòng)有著密切的聯(lián)系。泥沙在水體中，由于自身的重力作用，一方面發(fā)成沉降作用，另一方面又同時(shí)發(fā)生沖刷，沉降和沖刷作用的大小，則決定了水體中泥沙的濃度。由于本次研究主要考慮泥沙對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的作用，因此主要考慮懸浮在水體中的懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)。2.1懸移質(zhì)輸移方程由于一般河流內(nèi)懸沙濃度較小，不足以影響水流的密度，因而在懸移質(zhì)控制方程中不考慮密度的變化，除了隨水體對(duì)流擴(kuò)散外，還存在沉降作用，三維模型控制方程如下：（2-1）式中，為泥沙濃度，為水流三維方向上的流速，為紊動(dòng)Schmidt數(shù)，為泥沙從床面變成懸移質(zhì)的凈通量。當(dāng)時(shí)取值為1，時(shí)取值為0，反映泥沙在垂向方向的沉降。（2-2）為沖刷量，為沉降量。假設(shè)泥沙顆粒的沉降和垂直湍流擴(kuò)散之間是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的一維平衡，則懸移質(zhì)在垂直方向分布可以近似為：（2-3）其濃度由下一層網(wǎng)格點(diǎn)濃度通過(guò)指數(shù)關(guān)系求得，為泥沙顆粒的沉降速度，分別為水體中第n層網(wǎng)格點(diǎn)與下一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)。懸移質(zhì)泥沙的沉降通量可以描述為泥沙沉降速度和上覆水體中泥沙濃度的乘積。然而，動(dòng)水中泥沙受到流體湍流的影響，為了量化這一影響，引入沉積概率：（2-4）這個(gè)概率隨著流動(dòng)、湍流和剪切應(yīng)力的增加而減小。對(duì)于有效直徑小于200μm的粘性顆粒，Krone(1962)發(fā)現(xiàn)其沉積概率的變化可近似為：（2-5）式中和分別為實(shí)際剪切應(yīng)力和臨界剪切應(yīng)力。對(duì)于直徑大于200μm的非粘性顆粒，Gessler(1968)研究表明，沉積的概率可以用高斯分布描述，或用誤差函數(shù)表示：（2-6）式中：，為剪應(yīng)力變化的標(biāo)準(zhǔn)差，Gessler確定其約為0.57。2.2沖刷對(duì)泥沙濃度的影響沖刷速率與水流產(chǎn)生的剪應(yīng)力直接相關(guān)，同時(shí)隨泥沙特性而改變。由于這些關(guān)系的復(fù)雜性導(dǎo)致沖刷速率往往在時(shí)空上呈現(xiàn)劇烈的變化。目前還沒(méi)有適用于各種條件的泥沙沖刷速率計(jì)算的統(tǒng)一公式，可將以cm/s為單位的沖刷速率E繪制成深度(cm)和剪切應(yīng)力的函數(shù)(N/m2)，從而通過(guò)實(shí)際測(cè)量擬合經(jīng)驗(yàn)公式得到。由于沖刷速率僅用于離散剪應(yīng)力，因此使用線(xiàn)性插值來(lái)計(jì)算指定剪應(yīng)力下的沖刷速率，即：（2-7）其中下標(biāo)m表示剪應(yīng)力小于的值，m+1表示剪應(yīng)力大于的值。隨著底部泥沙的沖刷，一部分泥沙被懸移到上覆水體中，作為懸移質(zhì)被輸送，其余被沖刷的泥沙以滾動(dòng)和/或躍移的方式在靠近河床的薄層中移動(dòng)，這被稱(chēng)為推移質(zhì)。每一種輸運(yùn)模式的比例取決于顆粒尺寸和剪切應(yīng)力。對(duì)于細(xì)顆粒(通常具有粘性)，沖刷既以單個(gè)顆粒的形式發(fā)生，也以顆粒聚集體的形式發(fā)生。單個(gè)粒子作為懸移質(zhì)移動(dòng)，而聚集體傾向于向下游靠近床層的方向移動(dòng)。但在床面附近的高剪切應(yīng)力層中，隨著它們向下游移動(dòng)，聚集體通常又可分解成小顆粒，然后作進(jìn)入水體作為懸移質(zhì)移動(dòng)。因此，可以假設(shè)小于200μm的細(xì)粒泥沙完全作為懸移質(zhì)被輸送。而較粗的、非粘性顆粒(這里定義為直徑大于約200μm的顆粒)可以以懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩種形式運(yùn)輸，兩者的比例取決于顆粒直徑和剪應(yīng)力。對(duì)于特定尺寸的顆粒，懸移質(zhì)(或泥沙懸移)起動(dòng)時(shí)的剪應(yīng)力定義為(N/m2)?？捎蓈anRijn(1984a)公式進(jìn)行計(jì)算：（2-8）式中，，為無(wú)量綱顆粒直徑，d為泥沙顆粒直徑。對(duì)于τ，泥沙既以推移質(zhì)也以懸移質(zhì)的形式運(yùn)輸，懸移質(zhì)的占比隨著增加的增加而增加。由于泥沙沖刷隨著剪應(yīng)力的增加而逐漸增加，因此很難精確地定義泥沙沖刷開(kāi)始時(shí)的臨界速度或臨界剪應(yīng)力。從更定量和更明確的角度來(lái)看，沖刷的臨界剪應(yīng)力可以定義為在此剪應(yīng)力下出現(xiàn)一個(gè)很小但可以精確測(cè)量的沖刷速率。在以前的大多數(shù)研究中，這個(gè)速率被設(shè)為10-4cm/s，這意味著大約15分鐘會(huì)產(chǎn)生1毫米的沖刷。3.結(jié)論本文介紹了EFDC模型的基本原理、控制方程和方程的離散方法。對(duì)于水動(dòng)力模型，主要介紹了包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、輸運(yùn)方程、狀態(tài)方程和MY2.5階紊流模型在內(nèi)的控制方程組，以及運(yùn)動(dòng)方程、輸運(yùn)方程的離散方法和外模式、內(nèi)模式的求解。在泥沙輸運(yùn)模型中介紹了懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)方程以及水流剪切力對(duì)泥沙沉降和起懸的影響。參考文獻(xiàn)[1]王華,逄勇.藻類(lèi)生長(zhǎng)的水動(dòng)力學(xué)因素影響與數(shù)值仿真[J].環(huán)境科學(xué),2008,29:884-889.[2]王俊,汪金成,徐劍秋,等.2018年漢江中下游水華成因分析與治理對(duì)策[J].人民長(zhǎng)江,2018,49(17):7-11.[3]吳曉輝,李其軍.水動(dòng)力條件對(duì)藻類(lèi)影響的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)