Page 123 - 水利学报2021年第52卷第6期

用，导致河道水流流向往复不定，水动力特征十分复杂。由于河网水流运动过程通常采用一维水动
力模型模拟，仅能输出沿河道方向的断面平均流速，无法据此判断油粒子运动至河网节点后流动方
向，导致现有油粒子模型不能直接在河网地区应用。因此，在复杂河网水系采用油粒子模型开展溢
油污染模拟，关键在于解决油粒子漂移至河网节点后的迁移和分配问题。
本文以一维河网水动力模型为基础，针对油品在该类水体的扩展、输移和风化特征，开发适用
于河网水系溢油污染模拟的油粒子模型。一方面，使用随机走动法模拟溢油的惯性扩展、黏性扩展
［8］
和表面张力扩展等机械扩展过程，解决了油粒子模型不能模拟溢油自身扩展阶段的难题 。另一方
面，通过定义河网节点出流河道流向因子，判断油粒子运动至节点后的流动去向，实现了油粒子模
型与一维河网水动力模型的结合。

2 材料与方法

2.1 模型构建 本研究在“数字流域系统” 基础上进行油粒子模型开发工作，该系统的模型库包
［9-10］
括流域水文模型、污染负荷模型、水动力模型和水质模型。由于河网地区各类水体的水深均较浅，
系统采用一、二维耦合的水动力模型对水流运动过程进行模拟 ［11］ ，为油粒子模型提供流速信息。
溢油进入水体后，其行为和归宿包括两个过程：空间上的传输以及同时发生的油品风化。空间
传输由自身扩展和输移两个阶段构成：扩展指油膜由于内部张力而导致的面积增大；输移过程指在
环境动力要素的作用下溢油的迁移运动，包括水平方向的漂移、扩散过程。油品的风化引起溢油组
成性质的改变，包含蒸发、乳化、分散、溶解、光氧化、生物降解、吸附沉降、水体混合扩散以及
生物体内的代谢作用等。
2.1.1 对流过程 对流过程考虑水流流速和风漂流流速对油粒子漂移的综合影响。其对流过程的基
本方程如下 ［12］ ：
dS i
dt = αU + U w （1）
c
式中：S 为油粒子位置；U 为水流表面流速，m/s；U 为风漂流流速，m/s；α为水流运动对油膜漂移
w
i
c
的影响因子，通常取 1.1 ~ 1.2。
（1）一维河网模型。一维河网模型水流流速采用一维河网水动力模型计算得到，风引起的油膜漂
移速度大小表示为：
U = βw cosφ （2）
w
10
式中：β为风漂流系数，通常取 3% ~ 4%；w 为水面上 10 m 处风速，m/s；φ为风向与水流流向的夹角。
10
河网是由纵横交错的河道构成的水系，从物理结构上看，河道交汇处形成了若干节点。根据河
道水流流向与河网节点的关系，可以将与节点相连的河道分为入流河道和出流河道。其中入流河道
指的是水流流入节点的河道，水流流出节点的河道称为出流河道。由于河网地区地势低平，河道比
降小，加上受潮汐和水利工程调控的影响，造成河道水流流向不定，因此与节点相连的河道是入流
河道，还是出流河道，需要根据河网水动力模型的计算结果进行动态判断。
对于出、入流河道交汇形成的节点，在河网数值模拟中通常将其作为零维模型对象处理，由于
零维模型无法模拟水动力过程，导致油粒子随水流运动至河网节点后，立即随出流河道的水流继续
运动，因此节点大小和属性不会对油粒子漂移和归宿产生影响。同时，由于出流河道数量可能不止
一条，为了预测油粒子通过节点后的运动轨迹，除了利用一维河网水动力模型预测流速之外，还需
要判断油粒子运动至河网节点后的去向。
由于河网水系的河流宽度普遍较窄，溢油可以在较短的时间内在宽度方向上扩散均匀，加之绝
大部分溢油漂浮于水面，则油粒子在节点处的流向概率与出流河道的宽度及其流速成正比。此外，
考虑到这类地区的河道水深通常相差不大，因此，模型假设油粒子流入某条河道的概率与该条河道
的出流流量大小成正比，即以与节点相连的各出流河道流量为权重判断油粒子流向。具体计算方法

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