1、模擬和預測環(huán)境流體中物質(zhì)的混合和輸運過程是環(huán)境管理中的一個重要環(huán)節(jié)。河流的動力特點和物質(zhì)輸運能力直接關(guān)系到河流的自凈能力。三峽水庫建成后，重慶主城區(qū)河段處于水庫變動回水區(qū)的中上段，其水動力條件和物質(zhì)輸運能力將發(fā)生巨大變化。本文主要內(nèi)容是針對重慶主城區(qū)河段的水環(huán)境管理、城市防洪和飲用水的采集等實際問題進行了環(huán)境流體動力學研究，這對于三峽工程的環(huán)境安全也是極為重要的研究，并且為三峽庫區(qū)水環(huán)境的研究提供了一個有力的服務工具。因而本研究具有重要

2、的科學意義和實際意義。 本文工作主要以長江、嘉陵江重慶河段的水環(huán)境動力研究為目的，針對這類山區(qū)河流地形變化劇烈，水位漲落大，流速變化大的特點，建立相應的三維非定常流數(shù)值模型，并利用該模型研究重慶水環(huán)境變化的規(guī)律。前三章的內(nèi)容是河流數(shù)值模擬的理論部分，后三章內(nèi)容是數(shù)值模型在河流研究中的應用，包括西江航道整治的研究、重慶兩江匯流段水動力的研究和重慶主城區(qū)河段水環(huán)境的研究。在前兩個模型的成功應用的基礎(chǔ)上，本文建立了重慶主城區(qū)河段模型并

3、成功應用于模擬重慶兩江河段的流場、濃度場和漂浮物運動。 第一章提出本文工作的目的和方法，論述河流數(shù)值模擬的難點和回顧有關(guān)研究現(xiàn)狀。 第二章討論淺水流理論和水質(zhì)模型。淺水波假設(shè)符合大多數(shù)河流問題，其理論主要有Airy理論和Boussinesq理論兩類。穩(wěn)定而精度高的數(shù)值方法可以較為真實地反映物理現(xiàn)象和過程。應用有限體積法，建立了河流水質(zhì)模型－嘉陵江石門段水質(zhì)模型并完成了水質(zhì)模擬。 第三章建立了一個三維非定常流的河流

4、數(shù)值模型。水平面采用正交貼體網(wǎng)格，垂向采用σ坐標，引進了靜水壓近似和Boussinesq近似后，采用內(nèi)外模式分裂法求解動量方程和連續(xù)方程，耦合求解流場和濃度場，紊動模型采用Mellor－Yamada模型。在數(shù)據(jù)的處理上，模型建立了專門的可視化軟件。 第四章建立了西江四灘的懸浮物模型并應用于該河段的航道整治工程結(jié)果的預測。西江懸浮物模型模擬了復雜邊界條件下的非定常水沙運動，以及河床沖淤過程。模擬的結(jié)果體現(xiàn)了模型在地形復雜，水流多變

5、的河流研究中的應用能力，表明模型適用于處理運動邊界、動床邊界和懸沙運動，適于模擬彎道環(huán)流、繞流等流態(tài)。西江模型的建立和應用可以為動力條件相似的重慶河段的研究打下了基礎(chǔ)。 第五章針對重慶河段復雜的兩江匯流問題，建立兩江匯流段水動力模型。模型對匯流問題的研究、干濕現(xiàn)象和濱江路問題的研究證明了模型處理復雜地形和非定常流的能力。同時，這些問題的研究有利于認識重慶河段的水流條件和動力特點。 在前面模型建立和應用的基礎(chǔ)上，第六章建立

6、了從長江干流上起茄子溪下至銅鑼峽，長43km，嘉陵江自井口到朝天門長達25km的重慶河段數(shù)值模型。由于研究的問題具有大時間和空間尺度的性質(zhì)，模型要求有較強的適應能力。模型采用Eulerian法模擬了流場、濃度場，Lagrangian方法模擬了漂浮物的運動，模擬了從天然情況下到三峽水庫蓄水后的，不同季節(jié)和不同流量下的兩江重慶段流場、濃度場及漂浮物運動，模擬結(jié)果揭示了天然狀態(tài)下匯流比是影響兩江水動力的主要因素，水庫蓄水后變動回水的影響明顯等