《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Effects of debris density and morphology on grate inlet clogging and drainage performance: A VOF-DEM study
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研究区域：具有浅水排水系统的城市道路集水区，其中漂浮杂物导致的格栅进水口堵塞经常加剧洪水。研究重点：研究人员采用一种经物理实验验证的耦合流体体积法-离散元方法（VOF-DEM）模型，模拟了三种典型城市杂物（泡沫，300 kg/m3；叶片，1000 kg/m3；
研究区域：具有浅水排水系统的城市道路集水区，其中漂浮杂物导致的格栅进水口堵塞经常加剧洪水。研究重点：研究人员采用一种经物理实验验证的耦合流体体积法-离散元方法（VOF-DEM）模型，模拟了三种典型城市杂物（泡沫，300 kg/m3；叶片，1000 kg/m3；塑料袋，1500 kg/m3）在浅水排水条件下的输移和堵塞行为。目的是研究材料特定属性（密度和形态）如何控制堵塞动力学和排水性能。该地区新的水文学见解：结果揭示密度决定运动模式：低密度泡沫漂浮并广泛迁移，直接堵塞最小；近水密度叶片悬浮并在格栅间隙和角落积聚；高密度塑料袋迅速沉降并覆盖格栅表面，减少有效过流面积。形态与密度协同作用增强堵塞稳定性。堵塞降低排水效率，平均水位回水为3.2 mm，流速降低0–15.4%，表现出空间异质性。本研究建立了一个将材料属性与水力响应联系起来的多尺度框架，为该地区的防堵塞格栅设计、针对性维护和暴雨进水口风险评估提供定量参考。
论文解读：杂物密度与形态对格栅进水口堵塞及排水性能的影响
随着城市化进程加速和极端降雨事件频发，城市内涝问题日益严峻。作为城市排水系统“第一道防线”的道路雨水进水口（格栅进水口，grate inlet），其排水效率直接影响地表径流的快速输送能力。然而，大量漂浮杂物（如叶片、塑料袋、泡沫块等）随径流迁移并堵塞雨水进水口，导致局部积水甚至系统性排水失效。据统计，超过60%的城市内涝事件与雨水进水口堵塞直接相关。现有研究多集中于清水条件或简单的预设堵塞情景，忽视了不同堵塞材料（如密度、形态）的物理特性及其与动态水流的耦合机制，且现有淹没模型很少纳入堵塞形成的随时间变化特性，也未区分不同杂物类型（如叶片与塑料袋），导致风险评估过于简化。为填补这一空白，研究人员开展了基于VOF-DEM（Volume of Fluid-Discrete Element Method，流体体积法-离散元方法）耦合模型的研究，以揭示杂物属性对堵塞及排水性能的影响机制。该论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。
为开展此项研究，研究人员主要采用了经物理实验验证的VOF-DEM耦合数值模型。在数值理论方面，基于Model A框架，引入VOF（Volume of Fluid，流体体积法）方法以捕捉气液界面（如表面张力效应），并耦合DEM（Discrete Element Method，离散元方法）使用多球体（multi-sphere）方法构建复杂几何形状的杂物模型（泡沫为方形壳结构，叶片为薄圆盘簇，塑料袋为袋状粘结结构）。模拟域设置为4 m × 3 m，初始静水深度0.11 m，格栅进水口尺寸为0.5 m × 0.3 m。通过网格独立性测试确定了0.030 m的网格分辨率，并进行了时间步长收敛性分析（流体时间步长Δtf=1×10-3s，DEM时间步长Δtdem=5×10-6s）。物理实验平台用于验证数值模拟的排水流量及堵塞分布结果，实验考虑了三种杂物类型在不同工况下的排水过程。
研究结果如下：
- 1.
排水过程的数值模拟
研究人员通过VOF-DEM耦合模型模拟了浅水排水条件下雨水格栅的排水过程，探讨了有无杂物存在时，杂物尺寸效应和几何形状对堵塞动力学的调控作用。模拟结果定量揭示了对象力学性能与水力条件之间的动态耦合反馈机制。
- 2.
堵塞对排水特性的影响
研究人员分析了堵塞与未堵塞条件下积水表面的流场特性。结果表明，堵塞显著改变流速分布，在堵塞物附近形成明显的低速区，流速在上游和侧向急剧下降，下游则易产生回流或涡旋，导致流速分布紊乱且出水口流速显著降低。侧面视角观察显示，堵塞时水面下降受阻，非均匀下降伴随局部波动或停滞，水流绕过障碍物导致涡旋和再循环区，延长排水时间。气液两相分布对比表明，堵塞条件下相分布高度不均匀且动态不稳定，界面破碎，气相卷入液相。沿监测线的液体体积分数空间梯度在堵塞条件下更陡（0.32 cm-1vs 0.23 cm-1），堵塞影响范围向上游延伸约0.6 m。水位等高线在堵塞时发生扭曲，上游凸出加密，下游凹陷不连续。水位 elevation 变化监测显示，堵塞时各点水位下降速率减慢，同一时刻水位更高；流速总体降低（平均0–15.4%），且波动剧烈。中心区域水面起伏振幅在堵塞条件下显著小于未堵塞条件（如10 s时仅为未堵塞的1/1.64）。同一纵向断面上不同横向位置的监测点显示，离出水口或积水中心较近的区域受堵塞影响更显著。
- 3.
堵塞材料特性引起的物体运动对排水的影响机制
研究人员分析了排水过程中不同时刻杂物的分布状态，发现杂物时空分布变化直接响应流场结构、水力梯度和颗粒-流体相互作用。不同形状杂物因质量、形状和接触面积差异表现不同运动特征：泡沫（300 kg/m3）质量低，始终漂浮水面，移动快、范围广；叶片（1000 kg/m3）密度近水，多悬浮水中，易翻转，易被截留在格栅间隙/角落积聚；塑料袋（1500 kg/m3）密度较高，趋向下沉沿底迁移，易覆盖格栅表面。这些运动特征差异破坏局部流场结构，影响整体排水系统性能。三种杂物在x和y方向的位移变化也反映了其密度相关的运动稳定性。
讨论部分总结：堵塞材料密度对其运动和沉积行为的影响可归纳为：密度驱动的浮沉与迁移趋势（泡沫低密上浮广移，叶片近水密度悬浮积聚于格栅间隙，塑料袋高密下沉覆盖表面以减少过流面积）；形态与密度的协同效应增强堵塞稳定性（泡沫虽低堵但直接堵弱，叶片不规则大比表面积易缠结成稳堵，塑料袋软而高密易贴合结构或互锁增强堵塞）；材料属性调节局部流场和排水性能（泡沫主要影响水面流速分布，叶片堵塞导致流速降和涡旋增水头损失，塑料袋覆盖过流断面直接降流量）。需注意本研究未对所有杂物类型进行完全重复测试和统计不确定性分析。
结论部分翻译：本研究系统揭示了堵塞材料属性（密度和形态）对排水系统性能的影响机制和规律。主要结论如下：(a) 材料属性是控制运动行为和堵塞机制的核心因素。低密度材料（如泡沫）主要进行漂浮迁移，在模拟流速（0.1–0.3 m/s）下以平均0.15 m/s速度在水面快速移动，覆盖30%–50%的模拟积水面积（4 m × 3 m），直接堵塞风险低但扰动表面流场。近水密度材料（如叶片）趋于悬浮和积聚，在排水出水口周围20–30 cm的格栅间隙和角落形成结构性堵塞。高密度材料（如塑料袋）迅速沉降并覆盖底部，显著减少有效过流面积。形态特征（如不规则性）通过贴合结构表面或与其他杂物互锁进一步增强堵塞的稳定性和严重性。(b) 堵塞显著降低排水效率并使流场失稳，影响具有空间异质性。堵塞材料的存在大幅增加流阻，导致水位下降明显延迟，平均回水上升3.2 mm，平均流速降低（0–15.4%），流速波动加剧。这些效应靠近排水出水口或积水中心更显著，出水口1 m内回水可达5–8 mm，流速降15%–25%；出水口2–3 m处回水仅1–2 mm，流速降5%–10%。(c) 堵塞材料输移与流场演化之间存在动态耦合与反馈效应。在非恒定流条件下，堵塞材料的迁移、滞留和重新分布直接改变局部流径和流速分布，显著动能通过湍流、涡旋和摩擦耗散为热，阻碍波动传播并防止相干大振幅波形成，从而衰减水面波动；反之，流场变化影响堵塞材料运动，形成持续降低排水性能的反馈回路。基于材料属性、运动行为、堵塞机制和流场响应的多尺度关系，该研究整合了堵塞材料类型、空间分布及其与流场的动态相互作用，为理解复杂堵塞现象、优化排水设施设计与维护以及监测堵塞过程提供了理论基础和定量参考。基于研究结果，提出了两项工程建议：(i) 对于易发生叶片堵塞的区域，优先清捞区应在格栅进水口上游1.2 m内；(ii) 对于塑料袋杂物，增大格栅缝隙宽度或在上游安装简易拦污栅可显著减少有效过流面积覆盖并提高排水可靠性。
