（環(huán)境工程專業(yè)論文）城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究.pdf

城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 摘要 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快 工業(yè)廢水和生活污水的排放量也日益 增大 使我國大部分湖泊都受到了不同程度的污染 湖泊水環(huán)境的保護(hù)工作已刻 不容緩 為了保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng) 合理開發(fā)利用湖泊水資源 防止湖泊富營養(yǎng)化 對湖泊水流與水質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬以掌握湖泊的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水質(zhì)變化規(guī)律是 十分必要的 湖泊水環(huán)境數(shù)學(xué)模型可以模擬湖泊水動(dòng)力特征和水質(zhì)變化規(guī)律 為 湖泊水環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù) 是開展湖泊水環(huán)境保護(hù)工作的一個(gè)重要技術(shù) 手段 金山湖的挖建工程是國家 十五 重大科技專項(xiàng) 鎮(zhèn)江水環(huán)境質(zhì)量改善與生 態(tài)修復(fù)技術(shù)研究及綜合示范 的依托工程之一 本文建立了金山湖二維水流水質(zhì) 耦合模型 利用有限差分法離解方程 模擬了金山湖在東風(fēng)作用下的流場 在此 基礎(chǔ)上模擬了水溫 營養(yǎng)鹽 總磷 總氮 與浮游藻類生長的關(guān)系以及湖水水質(zhì) 變化趨勢 通過模擬得出了金山湖作為一個(gè)城市淺水湖泊 湖流主要以風(fēng)生流為主 湖 泊水體交換主要靠風(fēng)場來完成 驗(yàn)證了浮游藻類最佳生長溫度為2 5 在5 8 月 藻類會(huì)大量繁殖 外源的輸入帶來大量的營養(yǎng)鹽 成為金山湖水質(zhì)惡化的一 個(gè)主要原因 磷在很大范圍成為了金山湖的限制性營養(yǎng)元素 藻類生長與水體中 t n t p 的濃度和風(fēng)場有密切關(guān)系 水體流動(dòng)緩慢時(shí)容易導(dǎo)致藻類爆發(fā) 分析引水對總氮 總磷濃度場的影響 確定引水對金山湖水質(zhì)的改善作用 為淺水湖泊水環(huán)境污染控制及管理提供了理論依據(jù) 關(guān)鍵詞 金山湖 水溫 風(fēng)場 浮游藻類 營養(yǎng)鹽 有限差分法 數(shù)值模擬 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 t h ep a p e ra n a l y z em ei n f l u e n c e so ft 1 1 ew a t e rd i v e r s i o ns c h 鋤eo nc o n c e n 廿a t i o n 6 e l do ft n t p a n dt oc o n f i 衄m e 鋤e l i o r a t i o no fw a t e rd i v e r s i o ni nw a t e rq u a l i t yo f j i n s h a nl a k e t 1 1 e r e f o r et op r o v i d em e o r yr c f 盯e 1 1 c e sf o rp 0 1 l u t i o nc o n t r o li i ls h a l l o w l a k e s k e yw o r d j i l l s h a nl a k e w a t e rt e m p e r a t u r e w i n df i e l d p h y t o p l 幽n n 嘶t i o i l f i l l i t ed i 疵r e n c em e m o d m a m e m a t i c a ls i 工1 u l a t i o n i i i 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 與我一同工 作的同事對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意 如不實(shí) 本人負(fù)全部責(zé)任 論文作者 簽名 鐾絲垂刎年6月j 日 學(xué)位論文使用授權(quán)說明 河海大學(xué) 中國科學(xué)技術(shù)信息研究所 國家圖書館 中國學(xué)術(shù)期 刊 光盤版 電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件或電 子文檔 可以采用影印 縮印或其他復(fù)制手段保存論文 本人電子文 檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致 除在保密期內(nèi)的保密論文外 允 許論文被查閱和借閱 論文全部或部分內(nèi)容的公布 包括刊登 授權(quán)河 海大學(xué)研究生院辦理 做作者 簽名 整簪爭鶿年g 月l 日 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 1 1 研究問題的提出和意義 第一章緒論 1 1 1 研究背景 我國湖泊分布廣泛 類型多樣 成因復(fù)雜 據(jù)初步統(tǒng)計(jì) m 目前約有大小 湖泊2 4 8 8 0 個(gè) 總面積達(dá)8 3 4 0 0 k m 2 約占國土總面積的0 8 總蓄水量約為 7 0 0 0 1 0 8 m 3 小于1 k m 2 的小型湖泊2 2 0 3 2 個(gè) 面積2 7 5 5 k m 2 湖泊是我國重 要的淡水資源之一 為人們提供了水利防洪 用水供水 水產(chǎn)養(yǎng)殖以及氣候調(diào)節(jié) 等多種功能 對社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了不可估量的作用 是人民生活不可缺少 的寶貴資源 湖泊水資源與我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及人民生活休戚相關(guān) 但是 隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快 工業(yè)廢水和生活污水 排放量日益增加 加之人們一個(gè)時(shí)期以來 環(huán)境意識(shí)淡薄 對湖泊水域生態(tài)環(huán)境 系統(tǒng)的容量或承受能力認(rèn)識(shí)和研究不足 大量人類活動(dòng) 如灘涂圍墾及圍湖造田 沿岸開發(fā)利用 特別是盲目和無計(jì)劃的開發(fā)利用 常造成植被破壞 給諸多湖泊 環(huán)境造成了不良影響 全國性的湖泊富營養(yǎng)化 湖泊水質(zhì)惡化 湖泊淤積或萎縮 湖泊生態(tài)系統(tǒng)破壞以及干旱地區(qū)湖泊水質(zhì)咸化等環(huán)境問題不斷出現(xiàn)和發(fā)生 嚴(yán)重 影響了湖泊沿岸人民生產(chǎn) 生活和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 已成為當(dāng)前我國迫切需要解決的 環(huán)境問題 城市湖泊是指位于我國一些大中城市市區(qū)或近郊的小型湖泊 由于它們地處 人口稠密 經(jīng)濟(jì)繁榮的大中城市 具有觀光旅游 調(diào)節(jié)氣候等方面的作用 因而 在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位 我國城市湖泊成因較多 有構(gòu)造湖泊 海成湖泊 河域湖泊 人工湖泊 城市湖泊面臨的主要環(huán)境問題有 水質(zhì)污染問題 富營養(yǎng)化問題 淤積問題 目前 我國大部分城市的污水進(jìn)行了有效的處理 然后再排放到河流或湖泊 中 但大部分城市湖泊已經(jīng)不接納點(diǎn)源污染 城市湖泊在面源污染進(jìn)入 以及引 水所帶來的大量營養(yǎng)物質(zhì)污染水體 導(dǎo)致湖泊水體中藻類浮游植物的過量繁殖 致使湖泊加快走向富營養(yǎng)化的趨勢 如杭卅i 的西湖 南京玄武湖 長春南湖等一 些著名的城市湖泊處于富營養(yǎng)化狀態(tài) 嚴(yán)重影響觀光旅游 城市湖泊的面積較小 水深較淺 湖底較平坦 湖水滯留時(shí)間長 水位變化不大 所以很容易積蓄淤泥 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 湖水的流速普遍較小且無定向的流動(dòng) 湖水的運(yùn)動(dòng)主要受風(fēng)向 風(fēng)速的影響 城 市湖泊水生植物以浮游藻類為主 1 1 2 問題的提出 金山湖是一個(gè)以旅游功能為主的淺水城市湖泊 為了保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng) 合 理開發(fā)利用湖泊水資源 防止湖泊富營養(yǎng)化 對湖泊水流與水質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬以 掌握湖泊的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水質(zhì)變化規(guī)律是十分必要的 湖泊水流對大氣 水土 界面的物質(zhì)交換和水體中各種物質(zhì) 能量的傳輸及轉(zhuǎn)化過程有著直接影響 是湖 泊水質(zhì)模擬研究的基礎(chǔ) 對湖泊流場進(jìn)行正確的模擬之后 才能在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確 地模擬污染物在湖泊中的輸移和擴(kuò)散 從而為湖泊水環(huán)境保護(hù)和改善提供科學(xué)依 據(jù) 指導(dǎo)人們在社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中更加有效及合理地開發(fā) 利用湖泊水資源 保 護(hù)湖泊水環(huán)境 維持生態(tài)平衡 以達(dá)到可持續(xù)性發(fā)展 開展湖泊水環(huán)境系統(tǒng)綜合研究的重要手段之 是建立確定性數(shù)學(xué)模型 該方 法建立在物質(zhì)守恒 能量守恒及對流擴(kuò)散理論基礎(chǔ)上 湖泊水質(zhì)變化預(yù)測是湖泊 水環(huán)境系統(tǒng)模擬研究的最終目標(biāo) 水質(zhì)的富營養(yǎng)化是湖泊水質(zhì)變化的一個(gè)研究重 點(diǎn) 目前可利用水質(zhì)模型模擬的湖泊水質(zhì)因子有理化指標(biāo) 營養(yǎng)鹽指標(biāo)有總氮 總磷 總氨氮等 生物指標(biāo)如葉綠素等 本文立足于 金山湖 挖建工程 利用已有的水流模型和較為成熟的氮 磷 循環(huán)理論 建立二維水流水質(zhì)耦合模型 在綜合考慮風(fēng)場 入湖水質(zhì)等因素下 模擬金山湖水動(dòng)力和水溫 流場 營養(yǎng)鹽 總磷 總氮 和藻類濃度場分布的影 響 分析湖水水質(zhì)變化規(guī)律 1 1 3 研究的意義 城市湖泊作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分 具有排泄雨洪 供水 旅游觀 光等綜合功能 它對于城市生態(tài)建設(shè)是十分重要的 因此 城市中小型淺水湖泊 的水環(huán)境惡化問題不容忽視 5 1 首先 從城市湖泊自身的水動(dòng)力特征分析 湖泊 的流速較緩且相對封閉 湖體的置換周期長 不利于污染水體的稀釋擴(kuò)散 其次 城市湖泊位于人類活動(dòng)密集區(qū) 人類對城市湖泊的破壞力遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離城市的大型 湖泊 其接納的污染負(fù)荷往往大于自身的自凈能力 其生態(tài)脆弱性更為顯著 為了防止湖泊水質(zhì)的富營養(yǎng)化 就必須了解營養(yǎng)物質(zhì)在湖水中的轉(zhuǎn)化規(guī)律 湖泊水體中藻類的生長受到多方面的影響如水體流速 水體溫度 光照 營養(yǎng)鹽 2 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 等 由于氮 磷是藻類生長的必需營養(yǎng)物質(zhì) 對藻類生長 繁殖起著重要作用 所以就得了解這些營養(yǎng)物質(zhì)在湖水中的轉(zhuǎn)化規(guī)律 以及氮 磷與藻類生長 繁殖 的關(guān)系 同時(shí)水體溫度和光照對藻類的生長和繁殖有著很大的影響 因此也必須 考慮到水體溫度變化和光照與藻類生長 繁殖的關(guān)系 1 2 湖泊數(shù)值模擬的研究概況 數(shù)學(xué)模型實(shí)際上就是將現(xiàn)實(shí)世界中所研究的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)理進(jìn)行抽象 而建立的數(shù)學(xué)物理方程 稱之為控制運(yùn)動(dòng)的基本方程 簡稱基本方程或控制方程 數(shù)學(xué)模型并不是直接從運(yùn)動(dòng)的機(jī)理出發(fā) 而是發(fā)揮數(shù)理方程的作用 即預(yù)先將運(yùn) 動(dòng)的時(shí)間和空間離散 再將數(shù)理方程在某離散時(shí)空點(diǎn)上離散為與其相鄰點(diǎn)相關(guān)的 代數(shù)關(guān)系式 按實(shí)際情況給出初值條件和邊界條件 選擇有效的數(shù)值方法 或計(jì) 算格式 求得該時(shí)空點(diǎn)上相關(guān)物理量的值 這樣隨著時(shí)間的推進(jìn)和空間的掃描 獲得物理量的時(shí)空分布 顯然 上述求解過程的計(jì)算量一般都不是人力所能勝任 的 因此 必須依靠計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn) 6 1 2 1 目前湖泊數(shù)值模擬的主要數(shù)值計(jì)算方法 湖泊水動(dòng)力模型數(shù)值計(jì)算方法與其它水流的計(jì)算方法類似 目前較為流行的 離散方法主要有 有限差分法 f d m 有限單元法 f e m 有限體積法 f 特征線 m o c 法 邊界單元法 b e m 和分步法 f s m 等 這幾 種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍 1 有限差分法 f d m 有限差分法適用于各種類型的偏微分方程 是目前應(yīng)用最多最成功的一種方 法 是以泰勒級數(shù)展開為工具 將微分方程中的微分項(xiàng)以差商代替 從而化微分 方程為易于求解的代數(shù)方程 其特點(diǎn)是采用矩形網(wǎng)格概化計(jì)算域 各計(jì)算變量布 置在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上 可分為顯式法 隱式法 半顯半隱法三類 在三維計(jì)算中 為 了保證必要的精度并考慮到計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性 往往對空間的不同方向分別采用顯式 或隱式差分 其中交替方向隱式差分法 a d i 是當(dāng)前較為常用的一種差方法 有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是求解直觀迅速 數(shù)學(xué)概念清晰 編程及基礎(chǔ)資料的整理比較 簡單 占用內(nèi)存少 計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性理論比較成熟 其最大的缺點(diǎn)是對復(fù) 雜的地形適應(yīng)性差 網(wǎng)格布置不靈活 難以概化不規(guī)則的邊界 為了克服其局限 性 許多學(xué)者都致力于不規(guī)則邊界處理問題的研究 如美國的n 0 m p s o nj f 等 3 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 散方法 最初應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域 其基本思想 將計(jì)算區(qū)域劃分成一系列連 續(xù)但互不重疊的控制體積 并使每個(gè)控制體積包圍一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn) 以網(wǎng)格點(diǎn)上的因 變量數(shù)值為未知數(shù) 假定各變量在網(wǎng)格點(diǎn)間的變化規(guī)律 將待解的微分方程對每 一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)積分 得出一組離散方程 結(jié)合邊界條件和初始條件求得數(shù)值解 有 限體積法可以認(rèn)為是一種結(jié)合有限元方法改進(jìn)的有限差分法 在網(wǎng)格點(diǎn)間變量分 布時(shí) 借鑒了有限元的思想 在離散過程中應(yīng)用的仍然是有限差分的方法 有限 體積法的物理意義明確 易于理解 無論計(jì)算網(wǎng)格疏密都能準(zhǔn)確地滿足守恒原理 格式統(tǒng)一 便于編程計(jì)算 具有較好的計(jì)算精度 可以采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 網(wǎng)格剖 分靈活 幾何誤差小 便于處理復(fù)雜邊界條件 對于不同的網(wǎng)格很容易同時(shí)使用 在網(wǎng)格布置時(shí) 往往采用交錯(cuò)網(wǎng)格 將不同的物理量布置在不同的節(jié)點(diǎn)上 此外 由于三維正交網(wǎng)格的生成存在諸多困難 非正交網(wǎng)格下的有限體積法以及無結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格下的控制體積法也得到一定的應(yīng)用 目前國外以有限體積法為基礎(chǔ)編制的計(jì) 算流體力學(xué)程序占了很大比重 如t e a c h 系列 g e n m 系列 p h o e n i c s v e s t f l u e n t 等 4 特征線 m o c 法 在計(jì)算機(jī)普遍應(yīng)用之前 河流模擬的數(shù)值計(jì)算主要是利用特征線理論采用圖 解法等進(jìn)行手工計(jì)算 其最初思路在x t 平面上繪制特征線 在其交點(diǎn)上確定因 變量來依次求解 后來在特征線理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了特征線法 該方法把時(shí)間離 散和空間離散一起處理 其優(yōu)點(diǎn)是能反映問題中信息沿特征傳播的性質(zhì) 算法符 合水流運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制 穩(wěn)定性好 計(jì)算精度高 由于該方法是沿時(shí)間推進(jìn)求解 故較適于雙曲型和拋物型問題 對于求解周期短 變化急劇的問題 如 涌潮 比較適宜 推廣到二維問題 由于二維問題中對應(yīng)于一維問題的特征線是兩族特 征曲面 表現(xiàn)為一個(gè)特征錐面 目前一般是對特征錐面選用幾條特征母線 沿對 應(yīng)的特征關(guān)系式積分來近似求解特征量 因特征線法求解格式復(fù)雜 尤其對高維 問題更是繁瑣 因此目前很少直接用于數(shù)值計(jì)算 但是 特征線法的原理仍是很 重要的 經(jīng)常用于作為了解其它數(shù)值方法的基礎(chǔ) 5 邊界單元法 b e m 邊界元法是繼有限元法之后發(fā)展起來的一種新數(shù)值方法 最初被稱為邊界積 分方程法 在流體力學(xué)中又稱為有限奇點(diǎn)法或者有限基本解法 邊界單元法的實(shí) 5 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 質(zhì)是數(shù)學(xué)物理方程的 e 1 1 函數(shù)法 通過格林公式給出解的積分表達(dá)式 然后利 用定解條件建立邊界積分方程 所得到的邊界積分方程通常不能解析求解 因此 可以利用有限元離散 將其轉(zhuǎn)化為邊界節(jié)點(diǎn)上未知量表示的代數(shù)方程組 求解該 代數(shù)方程組 即可求得邊界節(jié)點(diǎn)所有的未知值 由此可見 邊界單元法可以看作 格林函數(shù)法與有限單元法結(jié)合的產(chǎn)物 但與有限元法在連續(xù)體域內(nèi)劃分單元的基 本思想不同 邊界單元法是在定義域的邊界上劃分單元 用滿足控制方程的函數(shù) 去逼近邊界條件 邊界單元法可以將三維積分轉(zhuǎn)化成二維面積分 再通過格林公 式將面積分變換成線積分 從而將空間三維問題簡化為一維問題處理 有效的減 少了計(jì)算工作量和所需內(nèi)存 對于三維水流計(jì)算中自由表面的處理較為簡單 邊 界元法與有限元相比具有單元未知數(shù)少 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備簡單 精度高等優(yōu)點(diǎn) 但用邊 界元法解非線性問題時(shí) 遇到同非線性項(xiàng)相對應(yīng)的區(qū)域積分 這種積分在奇異點(diǎn) 附近有強(qiáng)烈的奇異性 使求解遇到困難 邊界單元法是計(jì)算橢圓問題的有效方法 但由于需要控制方程的基本解 所以對于復(fù)雜的問題如完整的n s 方程尚未得到 廣泛應(yīng)用 6 分步法 f s m 分步法又稱破開算子法 其基本思想是將待解的偏微分方程分解為相對簡單 的若干部分 對于每一時(shí)間步長 分別求解偏微分方程的不同部分 逐步達(dá)到偏 微分方程的解 對于不同部分采用不同的離散方法 建立不同的離散方程 用數(shù) 值方法分別求解各部分方程 從而得出偏微分方程的解 l0 1 分步法分為空間概念 上的分布 將多維問題分解成一系列一維或低維問題來求解 物理概念上的分 布 將原始的包含若干個(gè)物理性質(zhì)不同的復(fù)合過程分解成若干性質(zhì)單一的物理過 程來求解 和解析上的分布 將原始解析方程進(jìn)行分解 三種類型 分步法是 求解二維水流的一種簡單易行的數(shù)值計(jì)算方法 在處理上具有很大的靈活性 理 論上只要在分步之后 尋找出一個(gè)盡量正確 合理的數(shù)值離散方法 就能取得良 好的計(jì)算結(jié)果 分步法的主要缺點(diǎn)在于處理邊界條件上 在此基礎(chǔ)上 湖泊水動(dòng) 力學(xué)數(shù)值模擬借鑒許多大氣或海洋學(xué)中的先進(jìn)方法 發(fā)展了不規(guī)則網(wǎng)格的有限差 分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù) 有限分析法 邊界分析法 嵌套網(wǎng)格技術(shù)等 使數(shù)值模擬方法 能更加貼近實(shí)際 滲透到了湖泊學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域 6 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 1 2 2 湖泊水動(dòng)力數(shù)值模擬研究綜述 湖泊水動(dòng)力學(xué)一直是湖泊研究的重要方面 它對水氣 水土界面的物質(zhì)交換 和水體中各種物質(zhì) 能量的傳輸及轉(zhuǎn)化過程有著直接影響 在很大程度上決定著 水質(zhì)的宏觀變化過程 是水環(huán)境研究的基礎(chǔ) 發(fā)展一個(gè)能夠適用于湖泊水動(dòng)力特 性研究的通用模型 從而推動(dòng)湖泊環(huán)境學(xué)和水生態(tài)學(xué)研究的演化 是當(dāng)前一個(gè)重 要的熱點(diǎn)課題 研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要方法有兩種 一種是理論分析方法 它首先建立一 個(gè)盡量符合實(shí)際的模式 然后通過物質(zhì)分子間的相互作用 用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法獲 得宏觀性質(zhì)的理論解及其規(guī)律 但由于真實(shí)物質(zhì)間的相互作用常是非線性的 因 此為獲得解析解 常利用簡單流動(dòng)模型假設(shè) 做出若干簡化 這樣結(jié)果的真實(shí)性 也隨之降低 理論工作者在研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上建立了各種類型的主控方 程 提出了各種簡化流動(dòng)模型 給出了一系列解析解和計(jì)算方法 這些研究成果 推動(dòng)了流體力學(xué)的發(fā)展 奠定了今天數(shù)值模擬的基礎(chǔ) 很多方法仍是目前解決實(shí) 際問題時(shí)常采用的方法 1 2 1 另一種是實(shí)驗(yàn)研究 可分為原型觀測和模型實(shí)驗(yàn)兩種 原形觀測由于是對原 型實(shí)體的測量 因此精度高 直觀性好 但是它僅能應(yīng)用于客觀存在的情況 而 不能完全用來預(yù)報(bào)變化結(jié)果 近十年來隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的重大發(fā)展 人們已從 可見光紅外遙感發(fā)展到激光和微波遙感 并從定性發(fā)展到定量 從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng) 態(tài) 但由于航片或衛(wèi)星照片的解譯仍需要有與之相應(yīng)的同步現(xiàn)場實(shí)地地面資料密 切配合 要有現(xiàn)場各類地物的光譜反射率參照以及不同流態(tài)方案比較 需要不同 時(shí)間多張航片或衛(wèi)星照片方能比較解譯 因此費(fèi)用昂貴 在實(shí)際中采用不多 現(xiàn) 場觀測耗費(fèi)人力 物力 財(cái)力較大 同時(shí)也受觀測儀器性能和測試技術(shù)水平的限 制 并且僅憑少量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)難以進(jìn)行深入分析和預(yù)測預(yù)報(bào) 模型試驗(yàn)分為物理模型和數(shù)值模型兩種 物理模型常用的比尺模型 其中包 括局部流態(tài)模擬及水流 泥沙等機(jī)理性實(shí)驗(yàn) 但因模型受到時(shí)間空間尺度限制 以及柯氏力作用和風(fēng)場模擬等困難和大量人力物力投入的限制而發(fā)展緩慢 自計(jì) 算機(jī)問世以后 隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的不斷提高 以及已有理 論和試驗(yàn)成果的積累 使得數(shù)值模型得到更多的發(fā)展和應(yīng)用 事實(shí)上 這兩種模 擬方法和技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn) 物理模型可直觀地觀測到水流流態(tài) 并可較精確地 7 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 二維模式是將三維水流運(yùn)動(dòng)方程沿垂向積分后得到的 因此 二維模式又稱 積分模式或全流模式 它適用于垂直混合強(qiáng)烈 不存在明顯密度分層的淺水湖泊 它是由h a n s e l l 1 9 5 6 第一個(gè)提出的 用于計(jì)算淺水海域的水位變化過程及潮 流 隨后 h 趿s e i l 又用此方法計(jì)算了康斯坦茨湖 l a l ec o n s t a n c e 環(huán)流模式 1 1 l e e n d e r t s e 1 9 6 7 開發(fā)了能計(jì)算河口 海域水流流態(tài)的二維模型 g a l l a 曲e r l i g g e t t e t a l 1 9 7 3 1 6 又建立了二維風(fēng)生環(huán)流的數(shù)學(xué)模型 不過最早從事完整的 湖泊水動(dòng)力數(shù)值模擬研究的是s i m o n s 1 9 7 1 年 他建立了二維安大略湖冬季環(huán) 流的數(shù)值模式 討論了地球自轉(zhuǎn) 非線性加速項(xiàng) 側(cè)邊界條件 底部地形 動(dòng)量 的側(cè)邊界擴(kuò)散及不同底摩擦的特點(diǎn) c h e n g 1 9 7 0 1 7 建立了伊利湖的風(fēng)生環(huán)流 模式 b a u c e ra i l dg r a f 1 9 7 8 1 8 建立了歐洲g e n e v a 曰內(nèi)瓦 湖的模式 h g r a m m i n g 1 9 7 9 1 9 建立了北美e r i e 湖和o n t 撕 湖的水動(dòng)力模式 這些模 式對深入研究湖體內(nèi)部諸要素的相互關(guān)系是非常有意義的 o 血s ha n di m a s a t o 1 9 7 9 e n d o n 1 9 8 6 2 0 使用水動(dòng)力模式和驗(yàn)證手段對日本琵琶湖 l a k eb i w a 進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的工作 基本弄清了琵琶湖各種水動(dòng)力過程的特征及形成機(jī) 制 為保護(hù)琵琶湖的生態(tài)環(huán)境提供了依據(jù) m u 他y 等 1 9 8 6 2 1 設(shè)計(jì)了一種嵌 套網(wǎng)格系統(tǒng) 模擬了安大略湖尼亞加拉河河口羽狀擴(kuò)散的動(dòng)力和傳輸 1 9 9 0 年 c a s u l i 在第八屆國際水動(dòng)力學(xué)計(jì)算大會(huì)上 對二維淺水湖泊水動(dòng)力學(xué)差分計(jì)算方 法進(jìn)行了總結(jié) 討論了各方法的優(yōu)缺點(diǎn) h 似e r 在1 9 9 1 年對水動(dòng)力方程組在不 同湖泊適用范圍進(jìn)行了探討 在我國研究湖泊水動(dòng)力數(shù)值模擬的工作開展的較晚 直到8 0 年代中期才開 始湖泊水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬的研究工作 在太湖水動(dòng)力數(shù)值模擬研究方面 吳堅(jiān) 1 9 8 6 l 2 2 在國內(nèi)首次設(shè)計(jì)了整層積分的二維淺水湖泊水動(dòng)力學(xué)模式 模式采用 了不規(guī)則網(wǎng)格有限差分法 具有能確切地?cái)M合湖岸 河口中 湖底地形及島嶼的 功能 將該模式應(yīng)用于太湖得到了太湖風(fēng)生流 風(fēng)涌增減水等有意義的結(jié)果 王 謙謙 1 9 8 7 2 3 用二維差分模式模擬了定常風(fēng)作用下太湖風(fēng)生流的各種特征 將 太湖形成的穩(wěn)定流場分為3 種類型 反時(shí)針環(huán)流型 s s w w 風(fēng) 順時(shí)針 環(huán)流型 n n e e 風(fēng) 插花型 s e n w 風(fēng) 1 9 9 2 年王謙謙等又建立了一個(gè)嵌 套網(wǎng)格的二維水動(dòng)力模型對太湖和大浦河口 風(fēng)成流 風(fēng)涌水作了數(shù)值模擬 劉 啟峻 1 9 9 3 2 4 以守恒形式的二維水動(dòng)力學(xué)方程組為基礎(chǔ) 采用t a b a t a 迎風(fēng)有 9 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 限元法模擬了太湖 特別是太湖梅梁灣處在各種風(fēng)狀況下的湖水運(yùn)動(dòng)規(guī)律 驗(yàn)證 了太湖穩(wěn)定流場分3 種類型的正確性 吳炳方等 1 9 9 6 2 5 用二維非恒定流模型 分析了洞庭湖湖流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和風(fēng)力對湖流的影響作用 李錦秀 1 9 9 6 2 6 1 在 八 五 期間 利用二維風(fēng)生流數(shù)學(xué)模型 對滇池水流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究 也得出 了一些有用的結(jié)論 發(fā)展至今 二維模型已經(jīng)比較成熟 并廣泛運(yùn)用于實(shí)際工程 計(jì)算 該模式最適宜研究寬深比較大的寬淺型湖泊的研究 且已經(jīng)對風(fēng)生流場作 了大量研究 3 多層積分的準(zhǔn)三維模型 該模式就是將水體沿水深方向 垂向 分成若干層 在每一層對方程積分 將三維問題轉(zhuǎn)化為若干個(gè)二維問題進(jìn)行求解 因此該模式又稱為分層模式 推廣 了二維模式的數(shù)值方法和計(jì)算程序 是三維模式的簡化運(yùn)算 適用于實(shí)際分層流 的計(jì)算 l e e n d 嘶s e 等 1 9 7 3 2 7 最早推出這種模式 他假定各層中的變量在垂向上 變化不大 可以忽略 從而將三維問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)二維問題 并在垂直方向采 用固定分層法 即將計(jì)算水域分為固定的多層 在每層中沿水深積分使之成為二 維問題 并用a d i 格式進(jìn)行數(shù)值離散 s i i l l o i l s 1 9 7 3 2 8 提出了計(jì)算大面積湖 泊環(huán)流的多層模式 在用于對安大略湖進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí) 將湖體沿水深方向分為 4 層 然后將各層分別處理為二維模式 在我國 姜加虎 1 9 9 1 2 明用一個(gè)二維分層積分和一個(gè)二維整層積分的數(shù)值 模擬方案 系統(tǒng)地探討了撫仙湖 滇池環(huán)流形成機(jī)制 分析了具有溫度層結(jié)湖泊 撫仙湖 中內(nèi)波以及上 下層流場的時(shí)空變化特征及其與湖區(qū)風(fēng)場的關(guān)系 楊 具瑞等 2 0 0 0 刪將三維問題 二維化 的分層迭代計(jì)算方法引入滇池湖泊水流 計(jì)算中 對滇池進(jìn)行湖流模擬 得到成功應(yīng)用 王惠中等 2 0 0 1 3 l 建立了一個(gè) 考慮垂直渦黏系數(shù)非均勻分布的太湖風(fēng)生流準(zhǔn)三維數(shù)值模型 采用了交錯(cuò)網(wǎng)格技 術(shù)布置各物理量和改進(jìn)型的a d i 法對穩(wěn)定和不穩(wěn)定風(fēng)場作用下太湖流場進(jìn)行模 擬計(jì)算 多層模式的優(yōu)點(diǎn) 是一種簡化的三維模式 推廣了二維模式 簡單 缺 點(diǎn) 多層模式粗糙 層數(shù)的增加受到一定的限制 層之間受到引入內(nèi)摩擦系數(shù) 且該系數(shù)沒有固定的數(shù)值 很難精確設(shè)定 對不透水層的假定會(huì)使得當(dāng)流動(dòng)存在 明顯的上升或者下降的時(shí)候?qū)е掠?jì)算的失穩(wěn)等等 1 0 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 分層積分的準(zhǔn)三維模式作為三維模式的簡化 與二維模式相比 具有兩個(gè)優(yōu) 占 a 分層模式推廣了二維模式的數(shù)值方法和計(jì)算程序 比較簡單 b 適用于實(shí)際分層流的計(jì)算 但多層模式畢竟比較粗糙 存在許多不足之處 a 層數(shù)的增加受到一定的限制 b 層與層之間必須引入內(nèi)摩擦系數(shù) 該系數(shù)沒有固定的值 很難精確設(shè)定 c 假定層與層之間是不可透水的 當(dāng)流動(dòng)存在明顯的上升或下沉流動(dòng)時(shí) 會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的失穩(wěn) 4 三維模型 d a v i 醯 1 9 8 2 1 9 8 3 開發(fā)了計(jì)算分層流的三維模式 s i m o n s 1 9 8 5 又開發(fā) 了太湖風(fēng)生環(huán)流的三維模式 澳大利亞水科學(xué)中心利用海洋水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模式開 展了日本琵琶湖的水動(dòng)力學(xué)研究 融e s i m i tz i c 1 9 9 3 蚴建立了一個(gè)日本琵琶 湖三維斜壓水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模式 為了克服模態(tài)分裂法和a d i 法的不足 意大利 學(xué)者 n c e n z oc a s u l l i 3 3 1 發(fā)展了半隱半顯差分方法 拋棄了模態(tài)分裂法 直接對 原始標(biāo)量的控制方程進(jìn)行離散 然后用半隱式技術(shù)求解 s t a n d y 和l l y o d 1 9 9 5 刪將c a s u l l i 的半隱半顯差分格式推廣至求解 坐標(biāo)下的三維淺水方程 彌補(bǔ)了 固定分層帶來的在近表面和近底部分辨率不高的缺點(diǎn) 為了建立更完善的三維水 動(dòng)力學(xué)方程 s t a n d y 1 9 9 7 3 5 迸一步將k 湍流模式納入其三維模型 在差分 離散時(shí)采用了有限體積法 成功地模擬了島嶼繞流的尾渦演變 另外 國內(nèi)也有許多這方面的研究 并在湖泊水動(dòng)力數(shù)值模擬中有了很大的 進(jìn)展 主要集中在太湖這種大淺水湖泊 焦春萌 1 9 8 8 3 6 提出了一個(gè)三維水動(dòng) 力學(xué)和懸移物質(zhì)輸移的數(shù)學(xué)模型 模擬了太湖湖體中的動(dòng)力過程和泥沙傳輸過 程 梁瑞駒 濮培民 1 9 9 4 1 4 建立了太湖風(fēng)生流的三維數(shù)值模擬 張利民等 1 9 9 4 3 7 1 建立了一個(gè)深水湖泊的三維水動(dòng)力模型 考慮非均勻局地風(fēng)場影響 對日本琵 琶湖的環(huán)流形成機(jī)制進(jìn)行了比較深入的分析 逢勇等 1 9 9 4 3 8 采用淺水波方程 數(shù)值模式 考慮太湖局地風(fēng)場的影響 模擬了太湖風(fēng)生流 風(fēng)涌水的變化情況 模擬結(jié)果與實(shí)測值符合較好 逢勇 濮培民 1 9 9 6 3 9 1 采用三維水動(dòng)力學(xué)模式 研究了地形因子對太湖環(huán)流的影響 指出洞庭西山和洞庭東山間狹長的過道區(qū)是 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 產(chǎn)生太湖大范圍環(huán)流的重要原因 黃平 1 9 9 7 柏 年對武漢市墨水湖的風(fēng)生流進(jìn) 行數(shù)值模擬 朱永春 蔡啟銘 1 9 9 8 4 1 對太湖梅梁灣進(jìn)行三維水動(dòng)力研究 胡 維平 濮培民 1 9 9 8 4 2 對太湖開展了風(fēng)生流及風(fēng)涌增減水的三維數(shù)值模擬研究 王惠中等 2 0 0 1 f 3 2 建立了一個(gè)考慮垂直渦粘系數(shù)非均勻分布的太湖風(fēng)生流準(zhǔn)三 維數(shù)值模型 劉曉東 2 0 0 2 4 3 建立了一個(gè)四叉數(shù)網(wǎng)格二維水流及物質(zhì)輸運(yùn)的數(shù) 學(xué)模型 李 平等 2 0 0 3 建立了一個(gè)三維水量 二維水質(zhì)的模型 研究了太 湖風(fēng)生流的特點(diǎn) 并采用套網(wǎng)格技術(shù) 對梅梁灣的流場進(jìn)行了精細(xì)模擬 詳細(xì)的 反映了局部流場的狀況 羅瀲蔥 2 0 0 4 4 5 利用實(shí)測資料和三維數(shù)學(xué)模型對太湖 的湖流進(jìn)行了綜合系統(tǒng)的描述 對全面了解太湖湖流特征提供了參考 從理論上 講 三維模式自然更能反映實(shí)際的水流狀態(tài) 尤其適用于對一些深水湖泊的三維 水流研究 些科學(xué)工作者也成功地把三維模式應(yīng)用于實(shí)踐 但是三維模式仍然 處于探索階段 有時(shí)應(yīng)用起來不是很方便 距實(shí)際工程的應(yīng)用也有一定距離 1 2 3 湖泊水質(zhì)數(shù)值模擬研究綜述 水質(zhì)模型是污染物在水環(huán)境中變化規(guī)律及其影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué) 描述 即描述水體中污染物與時(shí)間 空間的定量關(guān)系 它既是水環(huán)境科學(xué)研究的 內(nèi)容之一 又是水環(huán)境研究的重要工具 矧 1 9 2 5 年s 骶e t e r 和p h e l p s 建立了第一 個(gè)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型 s t r e e t e r p h e l p s 模型 在該模型中 假定河流的自凈過程中存 在兩個(gè)相反的過程 即有機(jī)污染物的生化反應(yīng) 其速率與有機(jī)污染物濃度成正比 同時(shí)大氣中的氧不斷進(jìn)入水體 其速率與水中氧虧值成正比 自從此模型應(yīng)用于 水環(huán)境問題的研究以來 經(jīng)過了7 0 多年的發(fā)展 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用越來越廣 泛 目前已成為水污染控制的有效工具 它的研究涉及到水環(huán)境科學(xué)的許多基本 理論問題和水污染控制的許多實(shí)際問題 它的發(fā)展在很大程度上取決于污染物在 水環(huán)境中的遷移 轉(zhuǎn)化和歸宿研究的不斷深入 以及數(shù)學(xué)手段在水環(huán)境研究中應(yīng) 用程度的不斷提高 特別是近幾十年 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和對生物化學(xué)機(jī)理 認(rèn)識(shí)的深入 應(yīng)用水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行河流 湖泊 水庫及河口等的污染控制規(guī)劃 已取得成功 4 7 湖泊水質(zhì)數(shù)學(xué)模型是湖泊水質(zhì)模擬預(yù)測 規(guī)劃管理的重要工具 它以水動(dòng)力 學(xué)為基礎(chǔ) 即以動(dòng)量守恒 質(zhì)量守恒定律建立水動(dòng)力學(xué)方程和污染物濃度方程 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得出污染物的時(shí)空分布 為湖泊水環(huán)境科學(xué)管理提供理論依據(jù) 在 1 2 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 一個(gè)較綜合的湖泊水質(zhì)模型中 有許多影響水體水質(zhì)的因素 如物理的 化學(xué)的 水力學(xué)的 水文學(xué)的 生物學(xué)的 湖沼學(xué)的 以及沉積學(xué)的 由于湖泊易發(fā)生富營養(yǎng)化 富營養(yǎng)化危害大 難以逆轉(zhuǎn) 所以對湖泊水質(zhì)問 題的研究主要集中在對湖泊富營養(yǎng)化問題的研究上 富營養(yǎng)化模型無疑是研究水 質(zhì)動(dòng)態(tài)變化較為有力的工具 它能夠?qū)⒗碚摲治?實(shí)驗(yàn)研究的成果有機(jī)結(jié)合起來 并應(yīng)用到具體的湖泊之中 已逐漸成為一種相當(dāng)獨(dú)立的研究方法 s 從2 0 世紀(jì) 7 0 年代初期開展富營養(yǎng)化研究至今 湖泊富營養(yǎng)化模型取得了飛速的發(fā)展 從 v 0 1 1 e n w e i d e r 提出的簡單總磷模型 4 7 1 到包含幾十個(gè)生態(tài)變量的生態(tài)動(dòng)力模型 目前的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型考慮了系統(tǒng)中生態(tài)過程的時(shí)空變化以及自然界中多因素 之間的相互作用 使得更細(xì)致地模擬富營養(yǎng)化過程成為可能 盡管現(xiàn)行湖泊和水 庫富營養(yǎng)化模型豐富 但是這類模型都包含了很多生態(tài)變量和待定參數(shù) 受資料 的限制 加上對復(fù)雜生態(tài)過程的認(rèn)識(shí)不夠 如何在現(xiàn)有實(shí)測資料的基礎(chǔ)上 根據(jù) 具體模擬對象選擇合理實(shí)用的富營養(yǎng)化模型是難點(diǎn) 總的來說 湖泊富營養(yǎng)化模 型大概經(jīng)歷了以下幾個(gè)主要的發(fā)展階段 1 簡單的回歸模型 2 單一的營養(yǎng) 物質(zhì)負(fù)荷模型 3 浮游植物與營養(yǎng)鹽相關(guān)模型 4 生態(tài) 動(dòng)力學(xué)模型 它是 目前及以后發(fā)展的主流 隨著人們對湖泊生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展 生態(tài)與水動(dòng)力耦合模型 面向?qū)ο竽Ｐ秃蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等具有良好的發(fā)展前 景 1 簡單的回歸模型 簡單的回歸模型主要是建立在對大量水質(zhì)和生物數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上 多 用來描述磷與葉綠素 a 透明度之間的關(guān)系 4 8 1 這類模型的主要優(yōu)點(diǎn)為 可提 供湖泊水質(zhì)的大致變化趨勢 能對湖泊水質(zhì)進(jìn)行快速評價(jià) 為不熟悉數(shù)學(xué)模 型的規(guī)劃人員和決策者提供定量工具 但是 由于建立這樣的模型通常需要大量 的數(shù)據(jù) 而這些數(shù)據(jù)的精度往往很難保證 加之建?？紤]的問題過于簡單 因此 簡單的回歸模型難以作為很好的預(yù)測工具 通常只在數(shù)據(jù)不太理想或者建立復(fù)雜 模型前用作初步的半定量估計(jì) 2 簡單的營養(yǎng)鹽模型 引起富營養(yǎng)化的物質(zhì)主要是碳 氮 磷 在正常條件下 淡水環(huán)境中存在的 碳 氮 磷的比率為1 0 6 1 6 l 根據(jù) e b 追的最小生長定律可以認(rèn)為氮 磷是富 1 3 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 營養(yǎng)化形成的限制物質(zhì) 其中磷是絕大多數(shù)湖泊和水庫富營養(yǎng)化形成的限制因 子 在7 0 年代湖泊學(xué)家們通過建立簡單的磷負(fù)荷模型 評價(jià) 預(yù)測湖泊水體的 營養(yǎng)狀態(tài) 這類模型的典型代表是加拿大湖泊專家v 0 1 1 e 1 1 w e i d e 一7 提出的 v o l l e n w e i d e r 模型 d i l l o n l a e s e n m e r c i e r 等又對v o l l e n w e i d e r 模型進(jìn)行了一 些修正 產(chǎn)生了d i l l o n 模型及l(fā) a e s e n m e r c i e r 模型等 4 6 v 0 1 l e l l w e i d e r 模型假定 湖泊中隨時(shí)間變化的總磷濃度值等于單位容積內(nèi)輸入的磷減去輸出的磷以及在 湖內(nèi)沉積的磷 單一營養(yǎng)物質(zhì)模型在北美和加拿大的湖泊以及世界上很多國家和地區(qū)得到 廣泛應(yīng)用 1 9 7 9 年 我國也將其用到湖泊 水庫的富營養(yǎng)化研究中 陳永燦 4 9 建立了密云水庫總磷 總氮 b o d c o d 完全混合系統(tǒng)水質(zhì)模型 并根據(jù)1 0 年 的實(shí)測資料確定了總磷 總氮的沉降速率s 和b o d c o d 的綜合沉降系數(shù)k 并用建立的水質(zhì)模型對密云水庫在不同污染負(fù)荷下的水質(zhì)及富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行 了預(yù)測 基于v 0 1 1 e r 唧e i d e r 模型思路 陳云波 5 0 分析了滇池水動(dòng)力特性 將完全 均勻混合的質(zhì)量平衡水質(zhì)模型應(yīng)用于滇池有機(jī)污染濃度預(yù)測 給出了各種水文條 件下的水量預(yù)測 入湖污染物負(fù)荷預(yù)測及相應(yīng)的c o d m n 濃度預(yù)測值 v 0 1 1 e n w e i d e r 模型假定水體混合均勻 穩(wěn)定 限制性營養(yǎng)物質(zhì)單一 所以數(shù) 學(xué)式簡單 使用方便 尤其適合對湖泊及水庫的營養(yǎng)物總量變化進(jìn)行長期預(yù)測或 總體營養(yǎng)狀況進(jìn)行初期評價(jià) 但是 由于早期的磷模型相對簡單 存在很多不足 5 1 模型只能求解總磷的平均濃度分布 不能模擬各種形態(tài)磷在水體中的循環(huán) 模型假定水體均勻混合 無法反映大型湖泊污水入湖后 總磷濃度分布的時(shí)空差 異 模擬沒有考慮底層沉淀物與水體的磷交換過程等 近年來 營養(yǎng)鹽模型得到了很大發(fā)展 一定程度上克服了早期磷模型的局限 性 從考查單一的總磷濃度發(fā)展到模擬整個(gè)磷系統(tǒng) 包括顆粒磷d p 溶解的無 機(jī)磷d i p 和浮游生物中的磷p p 的循環(huán) 從簡單的水體完全混合模型發(fā)展到分 層模型 從單純考慮水體本身的營養(yǎng)鹽循環(huán)發(fā)展到考慮沉積物和水體界面的營養(yǎng) 鹽交換過程等 s e o c a i l a l e 5 刁對8 種典型的磷模型的特點(diǎn)進(jìn)行了綜合比較 h a v e l l s 等 5 3 以3 個(gè)典型的淺水湖泊k a s 啪i g a u r a 日本 東湖 中國 和 o k e e c h o b e e 美國 為研究對象 根據(jù)淺水湖泊的特點(diǎn) 沒有穩(wěn)定的分層現(xiàn)象 整 個(gè)水體混合頻繁 相對劇烈的沉降 再懸浮和底泥營養(yǎng)鹽釋放等過程 應(yīng)用3 種 1 4 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 經(jīng)典的磷負(fù)荷模型計(jì)算了湖泊內(nèi)磷負(fù)荷 對一般淺水湖泊磷模型的選取有積極的 借鑒作用 總體來看 單一營養(yǎng)鹽模型具有簡單 使用方便等優(yōu)點(diǎn) 但是它也有自身難 以克服的缺點(diǎn) 只把一種營養(yǎng)鹽視為限制性營養(yǎng)元素 不能模擬水體中兩種營 養(yǎng)鹽含量相當(dāng)?shù)那闆r 難以反映水體中多種養(yǎng)分的相互影響及其對生態(tài)系統(tǒng)的 共同作用 不能反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程等 3 浮游植物與營養(yǎng)鹽相關(guān)模型 浮游植物大量繁殖是湖泊 水庫富營養(yǎng)化的主要表現(xiàn)形式 浮游植物靠吸收 水中營養(yǎng)鹽而生長 因此 模擬浮游植物的繁殖和營養(yǎng)鹽之間的關(guān)系 對于預(yù)測 水體的富營養(yǎng)化具有重要意義 目前 浮游植物與營養(yǎng)鹽相關(guān)模型主要有3 種 一是藻類生物量與磷負(fù)荷量之間的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?二是使用限制因子假定來模擬 浮游植物的生長 三是根據(jù)光合作用的相關(guān)因素來估算浮游植物的初級生產(chǎn)力 a 藻類生物量與磷負(fù)荷量之間的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?7 0 年代世界各地開展了大規(guī)模的湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查 如北美五大湖區(qū) 歐 洲的b a l 鋤t o n 湖 日本的琵琶湖及我國的太湖 滇池等 積累了大量湖泊富營養(yǎng) 化基礎(chǔ)資料 包括湖泊年平均的總磷濃度 葉綠素濃度等 在分析資料的基礎(chǔ)上 建立了一系列藻類生物量與營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷量之間的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?4 引 這類經(jīng)驗(yàn)?zāi)?型簡單直觀 使用方便 但是它們都有混合均勻 穩(wěn)態(tài) 限制營養(yǎng)物質(zhì)單一的假 定 提供的信息量少 不能反應(yīng)藻類生長的機(jī)理 b 使用限制因子假定來模擬浮游植物的生長 在浮游植物動(dòng)態(tài)模擬中 m o n o d 方程和d r o o p 方程是兩個(gè)基本的動(dòng)力學(xué)方 程 它們將營養(yǎng)鹽可利用性型生物生長直接聯(lián)系起來 5 4 m o n o d 方程表達(dá)了穩(wěn)態(tài)狀況 營養(yǎng)鹽限制條件下藻類生長速率與細(xì)胞外部 營養(yǎng)鹽之間的關(guān)系 5 5 1 該方程尤其適合研究以磷作為限制性元素的水體 r o b e f t 等在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上修正了m o n o d 方程 建立了溫帶水庫 以美國德州e a g l e m o u n t a i nl 放e 為模擬對象 的藻類生長率和d 玳 溶解無機(jī)氮 之間的關(guān)系式 5 6 o d u g d a l e 使用源自酶動(dòng)力學(xué)的m i c h a e l i s 0 e n t e n 方程 m m 方程 描述穩(wěn) 態(tài)條件下藻類對營養(yǎng)鹽的吸收 由于該模型未考慮營養(yǎng)鹽過度吸收現(xiàn)象 也未考 1 5 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 多年動(dòng)態(tài)變化關(guān)系 7 2 r o n a l d o 等建立了e l l o b o 模型 把水庫內(nèi)營養(yǎng)鹽的循 環(huán)簡單化處理 較好的模擬了b r o a 水庫中浮游植物 浮游動(dòng)物和魚類的相互關(guān) 系 7 3 h b e r g e r 等針對分層水體發(fā)展了d y r e s m 水質(zhì)模型 7 4 7 5 1 將水體簡化為 垂向一維模型 很好的模擬了水體的熱分層 消層 進(jìn)出流以及水體和大氣的熱 交換等物理過程 并在此基礎(chǔ)上模擬了水體的生態(tài)循環(huán)過程 國內(nèi)學(xué)者圍繞太湖 滇池 東湖等湖泊做了大量的工作 7 6 劉玉生等在研究滇池碳 氮 磷時(shí)空分布 藻類動(dòng)力學(xué) 浮游動(dòng)物動(dòng)力學(xué)以及沉積物與營養(yǎng)鹽釋放的基礎(chǔ)上 把生態(tài)動(dòng)力學(xué) 模型與箱模型以及二維水動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合 建立了適合滇池特定的富營養(yǎng)化模 型 7 7 1 朱永春應(yīng)用三維水動(dòng)力學(xué)和物質(zhì)輸移模型 探討了在水動(dòng)力作用下太湖藍(lán) 藻水華的遷移 聚積規(guī)律和垂直分布特征 7 8 1 因?yàn)椴粡?qiáng)調(diào)模型的普遍性 所以 模型可以針對研究水體的富營養(yǎng)化狀況和水體動(dòng)力學(xué)特性等 充分應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù) 和以往的研究經(jīng)驗(yàn) 建立相對簡單 實(shí)用的模型 對同等類型水體的富營養(yǎng)化研 究有很好的借鑒作用 雖然目前已創(chuàng)建了一大批三維動(dòng)態(tài)模型 但它們?nèi)源嬖谠S多不足之處 a 它們?nèi)狈φ嬲鷳B(tài)系統(tǒng)所具有的適應(yīng)性和靈活性 b 目前的模型是建立在湖泊生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有生態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上的 但由于 環(huán)境污染 人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沖擊作用 這就限制了這些模 型預(yù)測的準(zhǔn)確性 c 當(dāng)這些模型使用于一項(xiàng)新的研究時(shí) 必須進(jìn)行參數(shù)測定 取樣頻率和取 樣時(shí)間對參數(shù)值測定有較大的影響 模型校正的數(shù)據(jù)必須符合實(shí)際 并且取樣頻 率要能反映生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過程 d 對生態(tài)規(guī)律和生態(tài)知識(shí)的了解程度也限制了模型的適用性 不同營養(yǎng)負(fù) 荷的湖泊之間物理 化學(xué)和生物變化過程有很大的差異 即使是同一湖泊內(nèi)不同 區(qū)域和不同時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的變化過程也有較大的差異 e 缺乏統(tǒng) 詳細(xì)的湖泊水化學(xué)方面的數(shù)據(jù) 這給湖泊模型的校正 驗(yàn)證造 成很大困難 使創(chuàng)建的湖泊富營養(yǎng)化生態(tài)一動(dòng)力學(xué)模型適用性不高 1 2 4 湖泊數(shù)學(xué)模型的研究現(xiàn)狀評價(jià) 在過去的2 0 年間 湖泊水動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展相對來說比較成熟 而湖泊的 富營養(yǎng)化模型雖然取得了很大的進(jìn)步 經(jīng)歷了由單一因素 局部過程 生理生態(tài) 1 8 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 水平 均質(zhì)性向復(fù)雜困素 系統(tǒng)過程 生態(tài)系統(tǒng)水平 時(shí)空異質(zhì)性發(fā)展的總體態(tài) 勢 但是總的來說還相對薄弱 仍然處于不斷探索的階段 目前模型的缺點(diǎn)在于它們的結(jié)構(gòu)太固定 而真正生態(tài)系統(tǒng)具有一個(gè)靈活和適 應(yīng)性的結(jié)構(gòu) 這個(gè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)組成成分的特點(diǎn)相符 針對這些問題 在未來 研究中主要有兩種解決辦法 第一 創(chuàng)建一些比較復(fù)雜的具有代表性的模型如 c l e a r 它們經(jīng)過很小的改變和一些決定性參數(shù)的修正就可以廣泛應(yīng)用于科學(xué) 研究當(dāng)中 第二 從湖泊生態(tài)系統(tǒng)的知識(shí)出發(fā) 運(yùn)用以前獲得的研究經(jīng)驗(yàn) 創(chuàng)建 難度適中 適合某一特殊研究的模型 因?yàn)閷τ趶?fù)雜的環(huán)境系統(tǒng) 模型可能只對 系統(tǒng)中某些變量的模擬效果較好 而對其它環(huán)境因子的模擬并不符合要求 無法 達(dá)到預(yù)期的效果 例如在太湖水環(huán)境研究方面 前人廣泛應(yīng)用了各種模型 其中 大部分模型主要針對水體中營養(yǎng)物質(zhì) 如氮 磷 的循環(huán)進(jìn)行模擬 雖然對沉積 物污染物釋放規(guī)律也有一定的研究 并取得了一些可借鑒的成梨7 9 8 1 但是由于 湖泊沉積物一水界面的物質(zhì)交換非常復(fù)雜 影響因素也很多 在模型實(shí)際應(yīng)用的 過程中 沉積物對水體水質(zhì)影響的研究不夠深入 模型通常被簡化或被忽略 從 而影響模擬的精度 此外 由于浮游植物的生長生理特征與水體中營養(yǎng)物質(zhì)的關(guān) 系密切 作為浮游植物代表性參數(shù)的葉綠素a 是不容忽略的 因此有必要對現(xiàn)有 模型軟件進(jìn)行改編和優(yōu)化 進(jìn)一步考慮底泥釋放對上覆水體水質(zhì)的影響 并提高 對浮游植物的觀測和研究 深入開展葉綠素a 對湖泊富營養(yǎng)化影響的數(shù)值模擬研 究 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 本文以金山湖為研究對象 根據(jù)長江中下游湖泊的發(fā)展形態(tài)以及前人對太 湖 玄武湖 西湖 洞庭湖等湖泊水質(zhì)監(jiān)測和富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究結(jié)果 利用 已有的水流模型和較為成熟的氮 磷循環(huán)理論 建立二維水流水質(zhì)耦合模型 在 綜合考慮風(fēng)場 入湖水質(zhì)等因素下 模擬金山湖水動(dòng)力和水溫 流場 營養(yǎng)鹽 總 磷 總氮 和藻類濃度場變化趨勢的影響 以及總氮 總磷濃度場的分布 風(fēng)場 水溫與水體藻類生長的關(guān)系 論文的主要內(nèi)容如下 1 利用矩形網(wǎng)格將金山湖計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分 在原有的二維水量模 型的基礎(chǔ)上加入水質(zhì)計(jì)算部分 根據(jù)模型中的氮 磷循環(huán)原理及浮游植物生長動(dòng) 1 9 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 第二章城市湖泊二維水量一水質(zhì)耦合模型的建立與求解 2 1 基本方程的建立 2 1 1 二維水流運(yùn)動(dòng)基本方程 城市湖泊水深較淺 基本方程采用靜壓假定下的沿水深平均的二維淺水方 程 表達(dá)式如下 塑 墮型 型 o 2 1 氆 瓠 a 扣塞 v 考 噌掣一g 學(xué) s 睜豺 五沼2 扣塞 v 考 二掣一g 學(xué) s 眵豺 五池3 j 成c d l 心i 心 c o s 口 s 唧 成c d i 心l 心 s i l l 口 2 4 式中 h 一水深 單位為m z b 一湖泊底部的標(biāo)高 t 為時(shí)間坐標(biāo) x y 為空間坐標(biāo) 位于水平面上 u v 分別為x y 方向沿垂線平均的水平流速分量 州s 五一c o r i o l i s 系數(shù) n 一曼寧系數(shù) g 一水平渦動(dòng)黏性系數(shù) g 一重力加速度 州s 2 p 一風(fēng)的密度 j 蚶s w 分別為x y 向風(fēng)應(yīng)力 c d 一風(fēng)拖拽系數(shù) w a 一水面以上1 0 m 處的風(fēng)速 2 1 2 污染物擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)基本方程 湖泊是一個(gè)比較封閉的水生生態(tài)系統(tǒng) 以藻類為核心的湖泊水質(zhì)模型包括 浮游藻類 亞硝酸鹽氮 硝酸鹽氮 有機(jī)磷 生化需氧量 溶解氧 無機(jī)磷 有 機(jī)氮 氨氮總?cè)芙夤腆w以及懸浮物等污染物 各種水質(zhì)參數(shù)之間都有錯(cuò)綜復(fù)雜的 關(guān)系 對一個(gè)水質(zhì)參數(shù)可用通用方程來描述 其方程如下 半筍 亟筆盟 塑筍 丟 見五等 若 五籌 一屹 q s 2 5 優(yōu) 融卵 嬲卿卿 鯽 2 l 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 式中 c 廣物質(zhì)沿垂向平均濃度 代表不同的水質(zhì)指標(biāo) 見 環(huán)分別為x y 方向各污染物的擴(kuò)散系數(shù) 如是各污染物綜合降解系數(shù) s i 為各水質(zhì)因子的源匯項(xiàng) 水質(zhì)方程是遷移擴(kuò)散方程 各水質(zhì)組份具有相同的控制方程 只是生化項(xiàng)不 同 本文模型中只考慮浮游藻類 氨氮 亞硝酸鹽氮 硝酸鹽氮 有機(jī)磷 無機(jī) 磷 2 1 3 水溫基本方程 曇c 胛 丟c 胛 v 參c 田 曇c 等罷 導(dǎo)c 等琴 一9 9 c 2 射 吩一溫度普朗特?cái)?shù) 一般取o 9 以 兄 分別為x y 方向的物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù) g 妒為熱源項(xiàng) 其中熱源項(xiàng)為 熱傳導(dǎo)通量純 當(dāng)水體表層