基于粒子法的河道底泥—水体界面形变与物质通量输移机理研究

Sediment pollution is a key inner pollution source in city channels, therefore, the studies on the interface between sediment and water are consistantly emphasized around the world. However, high flow velocity will lead to a severe phosphorus pollution released by channel sediment. Compared to the traditional mesh-based method, particle based method is highly recommended to simulate the relationship between water flow and sediment as well as the distributions of phosphorus in channel flow. In this study, a typical particle-based method, namely MPS method (Moving Particle Semi-implicit), will be introduced to study the distribution and degradation phosphorus in water body and the movement of the channel sediment due to the upper water flow. Field study and experimental study will also be introduced to verify numerical results and calibrate the diffusion and degradation coefficients. Higher order gradient and Laplacian model will be derived in MPS method in order to optimize the particle-method-based distribution and degradation model. This study will lay the foundation of the study using particle-based method of hydro-environmental pollutant in China and moreover, improve the development of particle-based method in China.

河道底泥是河道主要的内源污染之一，底泥——水体交界面的形变和物质通量输移研究一直是世界范围内的研究热点。相对于传统的网格法，粒子法由于其拉格朗日观点特性，十分适宜作为研究河道底泥与上覆水体之间的运动规律以及由此引起的河道污染物分布规律的数值模拟方法。本课题拟采用基于移动粒子半隐式法的数值模拟结合现场取样及物理实验手段建立基于多相流粒子法的河道底泥磷释放与水体磷污染模型。并借助推导高阶精度的移动粒子半隐式法梯度算子及拉普拉斯算子优化计算模型。同时，利用依托单位实验室进行物理模型试验率定模型参数，之后，对杭州市东河一段河道进行现场监测，并利用该模型预测该段河道在不同生态调水条件的底泥变化及磷污染物的分布。本研究将为粒子法在我国河道水环境污染预测方面的应用奠定基础，提升国内粒子法研究的水平。

底泥是河道主要的内源污染之一，底泥～水体交界面的形变和物质通量输移规律一直是世界范围内的研究热点。本课题以新兴的基于拉格朗日观点的粒子法（MPS模型，Moving Particle Semi-implicit）作为工具，并结合现场原型观测和物理模型实验等多种手段，开展相应研究。首先，在原始MPS模型的基础上，耦合了多相流模型、流变学模型和水质模型，发展出一套适用于河道底泥～水体界面形变与物质通量输移模拟的PFW-MPS模型。其次，引入了二阶精度梯度算子和四阶精度拉普拉斯算子，提升了新型粒子法模型计算交界面形态和污染物浓度的能力。在构建新型粒子法模型的基础上，项目组选取杭州东河作为现场监测对象，对其开展了3个点位，持续1天时间的高频次水文～水质～水下地形同步监测。监测数据表明，东河流动速度缓慢（平均流速仅0.08m/s），河面扰动较少，水下地形变化不明显，底泥的总磷（TP）释放有限。利用现场监测成果，对新型粒子法模型进行了验证和率定。其后，在单位六堡基地开展了物理模型实验研究，选用了模型沙和天然河道底泥两种典型“底质”，设置了模型沙实验组，高流速底泥实验组和低流速底泥实验组三组物理模型实验，其中模型沙密度仅1060kg/m3，天然河道底泥密度2720kg/m3。对应三组实验，分别设置底泥层厚度10cm，5cm和5cm，上覆水体入流流速0.09m/s，0.05m/s和0.01m/s。后续应用PFW-MPS模型进行了相应的多情景模拟，对比了数值模型计算结果与物理模型实测数据，重点关注底泥～水体交界面的形态变化，以及水体底层～表层TP浓度的变化。结果表明，本研究建立的PFW-MPS模型，在较高的水体流动速度下，可以很好的捕捉底泥～水体的交界面形态，并能较好的模拟底泥TP释放以及上覆水体垂向的TP浓度分布情况。本课题开展了基于粒子法的河道底泥～水体界面形变与物质通量输移机理研究，研究成果在未来类似的工作中，作为传统网格法的优势替代工具，可以发挥其在交界面形态捕捉和物质通量输移模拟的特色，为生态调水、水闸调度、河道清淤等提供技术支撑。