《Journal of Hydro-environment Research》：Effect of capillary force on the capture of small floating particles in a partially vegetated channel: A numerical study based on a shallow-water hydrodynamic model
编辑推荐：
•采用拉格朗日粒子追踪模型来模拟植被通道中的浮游粒子传输。•考虑了毛细力对粒子捕获和惯性的影响。•粒子捕获效率与植被茎密度呈非线性依赖关系。•植被斑块的配置显著影响粒子的滞留和传输路径。•当考虑毛细力时，动态和运动学粒子追踪方法会得到不同的预测结果。引言河流是将物质从上游山区输送
- •
采用拉格朗日粒子追踪模型来模拟植被通道中的浮游粒子传输。
- •
考虑了毛细力对粒子捕获和惯性的影响。
- •
粒子捕获效率与植被茎密度呈非线性依赖关系。
- •
植被斑块的配置显著影响粒子的滞留和传输路径。
- •
当考虑毛细力时，动态和运动学粒子追踪方法会得到不同的预测结果。
引言
河流是将物质从上游山区输送到海洋的重要通道。河流流动会携带各种类型的浮游粒子。其中一些粒子在生态系统中起着重要作用，例如植被种子和幼虫（Harvey等人，1995年；Nilsson等人，2010年），而另一些则是有害的，例如塑料碎片（Lebreton等人，2017a年）。每年约有115万至241万吨塑料废物被排放到海洋环境中（Lebreton等人，2017b年），在某些河流流域中，微塑料（<5毫米）占主导地位（Strokal等人，2023年）。然而，并非所有塑料粒子都会进入海洋（Meijer等人，2021年）。河岸植被是河流中浮游粒子的重要收集者（Cesarini和Scalici，2022年）。因此，与没有植被的河流相比，有植被的河流在捕获浮游粒子方面可以发挥不同的作用。了解控制植被通道捕获浮游粒子能力的因素对河流管理具有重要意义。
河岸植被通过多种机制捕获浮游粒子（Defina和Peruzzo，2010年；Palmer等人，2004年；White和Nepf，2003年）。对于小的浮游粒子，毛细力是一个重要的捕获机制（Chambert和James，2009年）。当粒子接近植被茎时，粒子与茎之间的毛细力会吸引浮游粒子。捕获概率可以描述为流速的函数（Peruzzo等人，2016年）。随着流速的增加，捕获概率会降低到零。捕获过程还影响粒子在植被斑块内的行进距离。当捕获概率增加时，粒子在植被斑块内的行进距离会减小（Peruzzo等人，2012a年）。
以往的研究主要探讨了单个植被斑块捕获浮游粒子的概率。在真实的河流中，由于河流形态等原因，通常存在多个植被斑块。例如，在有交替沙洲的河流中，植被斑块的空间分布通常跟随沙洲的形态变化（Jourdain等人，2020年；J. Li等人，2022年）。人工改造也会导致河岸植被的分布不同。例如，在过度生长的植被河流中，河流管理者可能会修剪植被以降低洪水风险（Leu等人，2008年）。为了平衡洪水风险和生态效益，河流管理者可能会采取不同的植被修剪策略，例如在一侧河岸去除植被而在另一侧保留植被。植被斑块的分布会导致非均匀和不稳定的流场（F. Li等人，2024年；Zong和Nepf，2011年）。毛细力还会改变浮游粒子排出的水量，并改变作用在它们中的惯性力；因此，它可能会在复杂的流场中改变粒子轨迹并影响捕获过程。然而，植被分布对粒子捕获的影响尚未得到充分研究。
浮游粒子的传输和捕获可以使用欧拉法或拉格朗日法进行建模。通过将粒子表示为密度分布，可以使用对流-扩散方程在欧拉框架内模拟粒子传输。Shi等人（2021年）开发了一种一维欧拉方法来研究河流和沿海环境中浮游粒子的捕获。然而，当明确考虑粒子捕获时，欧拉方法仍然难以应用。这种困难尤其适用于毛细力捕获，因为捕获过程是通过粒子与植被茎之间的相互作用发生的。因此，拉格朗日法更为合适，因为它可以明确跟踪单个粒子的轨迹，并直接确定粒子是否进入植被斑块并与植被茎发生相互作用。在欧拉模型中表示这些特定于粒子的效应需要额外的源/汇项。拉格朗日法可以跟踪不同类型粒子的运动，并已在多个领域显示出有效性，例如生态学和水力学（Huai等人，2019a年；Yang等人，2025年）。Da Cunha等人（2017年）应用拉格朗日法研究了亚马逊河中的果实传输。Kyuka等人（2022年）使用随机行走方法研究了植被种子在河床上的沉积情况，他们的结果与水槽实验相当吻合。拉格朗日法包括两种不同的方法：运动学方法和动力学方法（Ghaffarian等人，2020年）。运动学方法假设粒子跟随流体速度（粒子速度等于局部流速），而动力学方法基于牛顿第二定律解决粒子运动。在某些条件下，这两种方法都被证明是有效的。动力学方法已被用于研究海洋塑料和大型木质碎片的河流传输（Beron-Vera等人，2019年；Persi等人，2019年）。目前，由于简单性，运动学方法使用得更为广泛。以往的研究表明，当粒子具有浮力并遵循阿基米德原理时，这两种方法是等效的（Ghaffarian等人，2020年）。然而，当浮游粒子受到毛细力的影响时，它们不再遵循阿基米德原理，粒子惯性可能导致动力学方法和运动学方法之间的差异（Peruzzo等人，2012年；Peruzzo等人，2016年）。这些差异尚未得到充分探索。
聚苯乙烯粒子常见于水生环境中，代表了一种持久的塑料污染物（Carpenter等人，1972年），因此可以用作代表案例。在这项研究中，我们研究了直径在2.7到10.8毫米之间的聚苯乙烯粒子在水面上漂浮时的传输情况，并考虑了毛细力的影响。本研究探讨了以下问题：1. 当考虑毛细力时，粒子在部分植被通道中的传输过程中如何分布？2. 流动条件和植被斑块配置如何影响粒子传输？3. 在考虑毛细力影响的情况下，运动学方法和动力学方法在模拟粒子传输时是否存在差异？
部分摘要
方法论
粒子传输取决于流场。在这项研究中，使用深度平均水动力模型获得了植被通道中的流场。然后根据计算得到的流场解决了粒子传输问题。粒子被植被斑块捕获的概率是使用Peruzzo等人（2016年）提出的公式计算的。下面提供了方法的详细描述。
植被通道的水动力学
图3显示了流量为30立方米/秒和100立方米/秒时的速度分布。植被斑块内的速度较低，而无植被区域的速度加快。在植被斑块内，速度随着茎密度的增加而减小，进入斑块的流线数量也减少。
在交替排列的情况下，植被斑块上游形成了一个相对较大的减速流动区域。在单线排列的情况下，流动膨胀
粒子滞留和捕获概率的拉格朗日表示
许多研究表明，当考虑捕获和滞留时，沿河流的浮游粒子或植被繁殖体的数量遵循指数衰减曲线。关于浮游粒子顺流分布的先前结果主要来自现场观察，大多数研究没有区分不同的捕获机制。Defina和Peruzzo（2010年）、Defina和Peruzzo（2012年）也指出，不同的捕获机制，如机械
结论
在这项研究中，我们研究了植被通道中小浮游粒子的传输过程，同时考虑了作用在粒子和突出植被茎上的毛细力的影响。构建了具有不同植被斑块排列和植被茎密度的理想化通道，并考虑了基于聚苯乙烯的粒子。
通道沿线的浮游粒子数量遵循一个可以用两个参数描述的指数衰减曲线
CRediT作者贡献声明
Runye Zhu：撰写——原始草稿，可视化，方法论，概念化。Tsubaki Ryota：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。Yuexia Zhou：撰写——原始草稿，概念化。Xiafei Guan：撰写——原始草稿，验证，概念化。Wenlong Cheng：撰写——审阅与编辑。Yingbiao Shi：数据管理，资金获取，撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了浙江水利与河口研究所（a24008）、JSPS KAKENHI资助（项目编号JP24K17354）、中国国家自然科学基金（项目编号12502476）、浙江省自然科学基金（LZJWZ23E090008）以及浙江省科学研究院特别研究计划（ZIHEYS24001）的支持。
Runye Zhu|Tsubaki Ryota|Yuexia Zhou|Xiafei Guan|Wenlong Cheng|Yingbiao Shi
