（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)濟的發(fā)展和城市化進程的加快 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)境的保護工作已刻 不容緩 為了保護湖泊生態(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 對湖泊水流與水質進行數(shù)學模擬以掌握湖泊的水流運動規(guī)律和水質變化規(guī)律是 十分必要的 湖泊水環(huán)境數(shù)學模型可以模擬湖泊水動力特征和水質變化規(guī)律 為 湖泊水環(huán)境保護工作提供科學依據(jù) 是開展湖泊水環(huán)境保護工作的一個重要技術 手段 金山湖的挖建工程是國家 十五 重大科技專項 鎮(zhèn)江水環(huán)境質量改善與生 態(tài)修復技術研究及綜合示范 的依托工程之一 本文建立了金山湖二維水流水質 耦合模型 利用有限差分法離解方程 模擬了金山湖在東風作用下的流場 在此 基礎上模擬了水溫 營養(yǎng)鹽 總磷 總氮 與浮游藻類生長的關系以及湖水水質 變化趨勢 通過模擬得出了金山湖作為一個城市淺水湖泊 湖流主要以風生流為主 湖 泊水體交換主要靠風場來完成 驗證了浮游藻類最佳生長溫度為2 5 在5 8 月 藻類會大量繁殖 外源的輸入帶來大量的營養(yǎng)鹽 成為金山湖水質惡化的一 個主要原因 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 的濃度和風場有密切關系 水體流動緩慢時容易導致藻類爆發(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) 關鍵詞 金山湖 水溫 風場 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 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作 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均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意 如不實 本人負全部責任 論文作者 簽名 鐾絲垂刎年6月j 日 學位論文使用授權說明 河海大學 中國科學技術信息研究所 國家圖書館 中國學術期 刊 光盤版 電子雜志社有權保留本人所送交學位論文的復印件或電 子文檔 可以采用影印 縮印或其他復制手段保存論文 本人電子文 檔的內(nèi)容和紙質論文的內(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 授權河 海大學研究生院辦理 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 成因復雜 據(jù)初步統(tǒng)計 m 目前約有大小 湖泊2 4 8 8 0 個 總面積達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 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 對社會和經(jīng)濟的發(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)濟可持續(xù)發(fā)展以及人民生活休戚相關 但是 隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城市化進程加快 工業(yè)廢水和生活污水 排放量日益增加 加之人們一個時期以來 環(huán)境意識淡薄 對湖泊水域生態(tài)環(huán)境 系統(tǒng)的容量或承受能力認識和研究不足 大量人類活動 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)湖泊水質咸化等環(huán)境問題不斷出現(xiàn)和發(fā)生 嚴重 影響了湖泊沿岸人民生產(chǎn) 生活和經(jīng)濟的發(fā)展 已成為當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)濟中占有重要的地位 我國城市湖泊成因較多 有構造湖泊 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)不接納點源污染 城市湖泊在面源污染進入 以及引 水所帶來的大量營養(yǎng)物質污染水體 導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 湖水的運動主要受風向 風速的影響 城 市湖泊水生植物以浮游藻類為主 1 1 2 問題的提出 金山湖是一個以旅游功能為主的淺水城市湖泊 為了保護湖泊生態(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 對湖泊水流與水質進行數(shù)學模擬以 掌握湖泊的水流運動規(guī)律和水質變化規(guī)律是十分必要的 湖泊水流對大氣 水土 界面的物質交換和水體中各種物質 能量的傳輸及轉化過程有著直接影響 是湖 泊水質模擬研究的基礎 對湖泊流場進行正確的模擬之后 才能在此基礎上準確 地模擬污染物在湖泊中的輸移和擴散 從而為湖泊水環(huán)境保護和改善提供科學依 據(jù) 指導人們在社會與經(jīng)濟發(fā)展中更加有效及合理地開發(fā) 利用湖泊水資源 保 護湖泊水環(huán)境 維持生態(tài)平衡 以達到可持續(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)學模型 該方 法建立在物質守恒 能量守恒及對流擴散理論基礎上 湖泊水質變化預測是湖泊 水環(huán)境系統(tǒng)模擬研究的最終目標 水質的富營養(yǎng)化是湖泊水質變化的一個研究重 點 目前可利用水質模型模擬的湖泊水質因子有理化指標 營養(yǎng)鹽指標有總氮 總磷 總氨氮等 生物指標如葉綠素等 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 建立二維水流水質耦合模型 在綜合考慮風場 入湖水質等因素下 模擬金山湖水動力和水溫 流場 營養(yǎng)鹽 總磷 總氮 和藻類濃度場分布的影 響 分析湖水水質變化規(guī)律 1 1 3 研究的意義 城市湖泊作為城市基礎設施的重要組成部分 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散 其次 城市湖泊位于人類活動密集區(qū) 人類對城市湖泊的破壞力遠大于遠離城市的大型 湖泊 其接納的污染負荷往往大于自身的自凈能力 其生態(tài)脆弱性更為顯著 為了防止湖泊水質的富營養(yǎng)化 就必須了解營養(yǎng)物質在湖水中的轉化規(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 對藻類生長 繁殖起著重要作用 所以就得了解這些營養(yǎng)物質在湖水中的轉化規(guī)律 以及氮 磷與藻類生長 繁殖 的關系 同時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 繁殖的關系 1 2 湖泊數(shù)值模擬的研究概況 數(shù)學模型實際上就是將現(xiàn)實世界中所研究的物質運動的物理機理進行抽象 而建立的數(shù)學物理方程 稱之為控制運動的基本方程 簡稱基本方程或控制方程 數(shù)學模型并不是直接從運動的機理出發(fā) 而是發(fā)揮數(shù)理方程的作用 即預先將運 動的時間和空間離散 再將數(shù)理方程在某離散時空點上離散為與其相鄰點相關的 代數(shù)關系式 按實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 算格式 求得該時空點上相關物理量的值 這樣隨著時間的推進和空間的掃描 獲得物理量的時空分布 顯然 上述求解過程的計算量一般都不是人力所能勝任 的 因此 必須依靠計算機來實現(xiàn) 6 1 2 1 目前湖泊數(shù)值模擬的主要數(shù)值計算方法 湖泊水動力模型數(shù)值計算方法與其它水流的計算方法類似 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 其特點是采用矩形網(wǎng)格概化計算域 各計算變量布 置在網(wǎng)格節(jié)點上 可分為顯式法 隱式法 半顯半隱法三類 在三維計算中 為 了保證必要的精度并考慮到計算的經(jīng)濟性 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 是當前較為常用的一種差方法 有限差分法的優(yōu)點是求解直觀迅速 數(shù)學概念清晰 編程及基礎資料的整理比較 簡單 占用內(nèi)存少 計算的收斂性和穩(wěn)定性理論比較成熟 其最大的缺點是對復 雜的地形適應性差 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 最初應用于空氣動力學領域 其基本思想 將計算區(qū)域劃分成一系列連 續(xù)但互不重疊的控制體積 并使每個控制體積包圍一個網(wǎng)格點 以網(wǎng)格點上的因 變量數(shù)值為未知數(shù) 假定各變量在網(wǎng)格點間的變化規(guī)律 將待解的微分方程對每 一個網(wǎng)格點積分 得出一組離散方程 結合邊界條件和初始條件求得數(shù)值解 有 限體積法可以認為是一種結合有限元方法改進的有限差分法 在網(wǎng)格點間變量分 布時 借鑒了有限元的思想 在離散過程中應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 無論計算網(wǎng)格疏密都能準確地滿足守恒原理 格式統(tǒng)一 便于編程計算 具有較好的計算精度 可以采用非結構網(wǎng)格 網(wǎng)格剖 分靈活 幾何誤差小 便于處理復雜邊界條件 對于不同的網(wǎng)格很容易同時使用 在網(wǎng)格布置時 往往采用交錯網(wǎng)格 將不同的物理量布置在不同的節(jié)點上 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構 網(wǎng)格下的控制體積法也得到一定的應用 目前國外以有限體積法為基礎編制的計 算流體力學程序占了很大比重 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 在計算機普遍應用之前 河流模擬的數(shù)值計算主要是利用特征線理論采用圖 解法等進行手工計算 其最初思路在x t 平面上繪制特征線 在其交點上確定因 變量來依次求解 后來在特征線理論的基礎上發(fā)展了特征線法 該方法把時間離 散和空間離散一起處理 其優(yōu)點是能反映問題中信息沿特征傳播的性質 算法符 合水流運動的物理機制 穩(wěn)定性好 計算精度高 由于該方法是沿時間推進求解 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于一維問題的特征線是兩族特 征曲面 表現(xiàn)為一個特征錐面 目前一般是對特征錐面選用幾條特征母線 沿對 應的特征關系式積分來近似求解特征量 因特征線法求解格式復雜 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 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 在流體力學中又稱為有限奇點法或者有限基本解法 邊界單元法的實 5 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 質是數(shù)學物理方程的 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 將其轉化為邊界節(jié)點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 少了計算工作量和所需內(nèi)存 對于三維水流計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)準備簡單 精度高等優(yōu)點 但用邊 界元法解非線性問題時 遇到同非線性項相對應的區(qū)域積分 這種積分在奇異點 附近有強烈的奇異性 使求解遇到困難 邊界單元法是計算橢圓問題的有效方法 但由于需要控制方程的基本解 所以對于復雜的問題如完整的n s 方程尚未得到 廣泛應用 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 對于每一時間步長 分別求解偏微分方程的不同部分 逐步達到偏 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物理性質不同的復合過程分解成若干性質單一的物理過 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 尋找出一個盡量正確 合理的數(shù)值離散方法 就能取得良 好的計算結果 分步法的主要缺點在于處理邊界條件上 在此基礎上 湖泊水動 力學數(shù)值模擬借鑒許多大氣或海洋學中的先進方法 發(fā)展了不規(guī)則網(wǎng)格的有限差 分數(shù)值模擬技術 有限分析法 邊界分析法 嵌套網(wǎng)格技術等 使數(shù)值模擬方法 能更加貼近實際 滲透到了湖泊學研究的各個領域 6 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 1 2 2 湖泊水動力數(shù)值模擬研究綜述 湖泊水動力學一直是湖泊研究的重要方面 它對水氣 水土界面的物質交換 和水體中各種物質 能量的傳輸及轉化過程有著直接影響 在很大程度上決定著 水質的宏觀變化過程 是水環(huán)境研究的基礎 發(fā)展一個能夠適用于湖泊水動力特 性研究的通用模型 從而推動湖泊環(huán)境學和水生態(tài)學研究的演化 是當前一個重 要的熱點課題 研究流體運動規(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 個盡量符合實際的模式 然后通過物質分子間的相互作用 用統(tǒng)計力學的方法獲 得宏觀性質的理論解及其規(guī)律 但由于真實物質間的相互作用常是非線性的 因 此為獲得解析解 常利用簡單流動模型假設 做出若干簡化 這樣結果的真實性 也隨之降低 理論工作者在研究流體運動規(guī)律的基礎上建立了各種類型的主控方 程 提出了各種簡化流動模型 給出了一系列解析解和計算方法 這些研究成果 推動了流體力學的發(fā)展 奠定了今天數(shù)值模擬的基礎 很多方法仍是目前解決實 際問題時常采用的方法 1 2 1 另一種是實驗研究 可分為原型觀測和模型實驗兩種 原形觀測由于是對原 型實體的測量 因此精度高 直觀性好 但是它僅能應用于客觀存在的情況 而 不能完全用來預報變化結果 近十年來隨著衛(wèi)星遙感技術的重大發(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 態(tài) 但由于航片或衛(wèi)星照片的解譯仍需要有與之相應的同步現(xiàn)場實地地面資料密 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 時間多張航片或衛(wèi)星照片方能比較解譯 因此費用昂貴 在實際中采用不多 現(xiàn) 場觀測耗費人力 物力 財力較大 同時也受觀測儀器性能和測試技術水平的限 制 并且僅憑少量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)難以進行深入分析和預測預報 模型試驗分為物理模型和數(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 泥沙等機理性實驗 但因模型受到時間空間尺度限制 以及柯氏力作用和風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 算機問世以后 隨著數(shù)值模擬技術的發(fā)展和計算機性能的不斷提高 以及已有理 論和試驗成果的積累 使得數(shù)值模型得到更多的發(fā)展和應用 事實上 這兩種模 擬方法和技術各有其優(yōu)缺點 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動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 第一個提出的 用于計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 又建立了二維風生環(huán)流的數(shù)學模型 不過最早從事完整的 湖泊水動力數(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 非線性加速項 側邊界條件 底部地形 動量 的側邊界擴散及不同底摩擦的特點 c h e n g 1 9 7 0 1 7 建立了伊利湖的風生環(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 湖的水動力模式 這些模 式對深入研究湖體內(nèi)部諸要素的相互關系是非常有意義的 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 使用水動力模式和驗證手段對日本琵琶湖 l a k eb i w a 進行了系統(tǒng)而深入的工作 基本弄清了琵琶湖各種水動力過程的特征及形成機 制 為保護琵琶湖的生態(tài)環(huán)境提供了依據(jù) m u 他y 等 1 9 8 6 2 1 設計了一種嵌 套網(wǎng)格系統(tǒng) 模擬了安大略湖尼亞加拉河河口羽狀擴散的動力和傳輸 1 9 9 0 年 c a s u l i 在第八屆國際水動力學計算大會上 對二維淺水湖泊水動力學差分計算方 法進行了總結 討論了各方法的優(yōu)缺點 h 似e r 在1 9 9 1 年對水動力方程組在不 同湖泊適用范圍進行了探討 在我國研究湖泊水動力數(shù)值模擬的工作開展的較晚 直到8 0 年代中期才開 始湖泊水動力學數(shù)值模擬的研究工作 在太湖水動力數(shù)值模擬研究方面 吳堅 1 9 8 6 l 2 2 在國內(nèi)首次設計了整層積分的二維淺水湖泊水動力學模式 模式采用 了不規(guī)則網(wǎng)格有限差分法 具有能確切地擬合湖岸 河口中 湖底地形及島嶼的 功能 將該模式應用于太湖得到了太湖風生流 風涌增減水等有意義的結果 王 謙謙 1 9 8 7 2 3 用二維差分模式模擬了定常風作用下太湖風生流的各種特征 將 太湖形成的穩(wěn)定流場分為3 種類型 反時針環(huán)流型 s s w w 風 順時針 環(huán)流型 n n e e 風 插花型 s e n w 風 1 9 9 2 年王謙謙等又建立了一個嵌 套網(wǎng)格的二維水動力模型對太湖和大浦河口 風成流 風涌水作了數(shù)值模擬 劉 啟峻 1 9 9 3 2 4 以守恒形式的二維水動力學方程組為基礎 采用t a b a t a 迎風有 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狀況下的湖水運動規(guī)律 驗證 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動規(guī)律和風力對湖流的影響作用 李錦秀 1 9 9 6 2 6 1 在 八 五 期間 利用二維風生流數(shù)學模型 對滇池水流進行了數(shù)值模擬研究 也得出 了一些有用的結論 發(fā)展至今 二維模型已經(jīng)比較成熟 并廣泛運用于實際工程 計算 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)對風生流場作 了大量研究 3 多層積分的準三維模型 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 將三維問題轉化為若干個二維問題進行求解 因此該模式又稱為分層模式 推廣 了二維模式的數(shù)值方法和計算程序 是三維模式的簡化運算 適用于實際分層流 的計算 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 從而將三維問題轉化為多個二維問題 并在垂直方向采 用固定分層法 即將計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 提出了計算大面積湖 泊環(huán)流的多層模式 在用于對安大略湖進行數(shù)值模擬時 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 明用一個二維分層積分和一個二維整層積分的數(shù)值 模擬方案 系統(tǒng)地探討了撫仙湖 滇池環(huán)流形成機制 分析了具有溫度層結湖泊 撫仙湖 中內(nèi)波以及上 下層流場的時空變化特征及其與湖區(qū)風場的關系 楊 具瑞等 2 0 0 0 刪將三維問題 二維化 的分層迭代計算方法引入滇池湖泊水流 計算中 對滇池進行湖流模擬 得到成功應用 王惠中等 2 0 0 1 3 l 建立了一個 考慮垂直渦黏系數(shù)非均勻分布的太湖風生流準三維數(shù)值模型 采用了交錯網(wǎng)格技 術布置各物理量和改進型的a d i 法對穩(wěn)定和不穩(wěn)定風場作用下太湖流場進行模 擬計算 多層模式的優(yōu)點 是一種簡化的三維模式 推廣了二維模式 簡單 缺 點 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 很難精確設定 對不透水層的假定會使得當流動存在 明顯的上升或者下降的時候導致計算的失穩(wěn)等等 1 0 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 分層積分的準三維模式作為三維模式的簡化 與二維模式相比 具有兩個優(yōu) 占 a 分層模式推廣了二維模式的數(shù)值方法和計算程序 比較簡單 b 適用于實際分層流的計算 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 很難精確設定 c 假定層與層之間是不可透水的 當流動存在明顯的上升或下沉流動時 會導致計算的失穩(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) 了太湖風生環(huán)流的三維模式 澳大利亞水科學中心利用海洋水動力學數(shù)值模式開 展了日本琵琶湖的水動力學研究 融e s i m i tz i c 1 9 9 3 蚴建立了一個日本琵琶 湖三維斜壓水動力學數(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 原始標量的控制方程進行離散 然后用半隱式技術求解 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 坐標下的三維淺水方程 彌補了 固定分層帶來的在近表面和近底部分辨率不高的缺點 為了建立更完善的三維水 動力學方程 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 并在湖泊水動力數(shù)值模擬中有了很大的 進展 主要集中在太湖這種大淺水湖泊 焦春萌 1 9 8 8 3 6 提出了一個三維水動 力學和懸移物質輸移的數(shù)學模型 模擬了太湖湖體中的動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 建立了一個深水湖泊的三維水動力模型 考慮非均勻局地風場影響 對日本琵 琶湖的環(huán)流形成機制進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 考慮太湖局地風場的影響 模擬了太湖風生流 風涌水的變化情況 模擬結果與實測值符合較好 逢勇 濮培民 1 9 9 6 3 9 1 采用三維水動力學模式 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生流進 行數(shù)值模擬 朱永春 蔡啟銘 1 9 9 8 4 1 對太湖梅梁灣進行三維水動力研究 胡 維平 濮培民 1 9 9 8 4 2 對太湖開展了風生流及風涌增減水的三維數(shù)值模擬研究 王惠中等 2 0 0 1 f 3 2 建立了一個考慮垂直渦粘系數(shù)非均勻分布的太湖風生流準三 維數(shù)值模型 劉曉東 2 0 0 2 4 3 建立了一個四叉數(shù)網(wǎng)格二維水流及物質輸運的數(shù) 學模型 李 平等 2 0 0 3 建立了一個三維水量 二維水質的模型 研究了太 湖風生流的特點 并采用套網(wǎng)格技術 對梅梁灣的流場進行了精細模擬 詳細的 反映了局部流場的狀況 羅瀲蔥 2 0 0 4 4 5 利用實測資料和三維數(shù)學模型對太湖 的湖流進行了綜合系統(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 些科學工作者也成功地把三維模式應用于實踐 但是三維模式仍然 處于探索階段 有時應用起來不是很方便 距實際工程的應用也有一定距離 1 2 3 湖泊水質數(shù)值模擬研究綜述 水質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系的數(shù)學 描述 即描述水體中污染物與時間 空間的定量關系 它既是水環(huán)境科學研究的 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 個水質數(shù)學模型 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 在兩個相反的過程 即有機污染物的生化反應 其速率與有機污染物濃度成正比 同時大氣中的氧不斷進入水體 其速率與水中氧虧值成正比 自從此模型應用于 水環(huán)境問題的研究以來 經(jīng)過了7 0 多年的發(fā)展 水質數(shù)學模型的應用越來越廣 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)境科學的許多基本 理論問題和水污染控制的許多實際問題 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 轉化和歸宿研究的不斷深入 以及數(shù)學手段在水環(huán)境研究中應 用程度的不斷提高 特別是近幾十年 隨著計算機技術的提高和對生物化學機理 認識的深入 應用水質數(shù)學模型進行河流 湖泊 水庫及河口等的污染控制規(guī)劃 已取得成功 4 7 湖泊水質數(shù)學模型是湖泊水質模擬預測 規(guī)劃管理的重要工具 它以水動力 學為基礎 即以動量守恒 質量守恒定律建立水動力學方程和污染物濃度方程 進行數(shù)值計算得出污染物的時空分布 為湖泊水環(huán)境科學管理提供理論依據(jù) 在 1 2 城市湖泊富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究 一個較綜合的湖泊水質模型中 有許多影響水體水質的因素 如物理的 化學的 水力學的 水文學的 生物學的 湖沼學的 以及沉積學的 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 所以對湖泊水質問 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 質動態(tài)變化較為有力的工具 它能夠將理論分析 實驗研究的成果有機結合起來 并應用到具體的湖泊之中 已逐漸成為一種相當獨立的研究方法 s 從2 0 世紀 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 到包含幾十個生態(tài)變量的生態(tài)動力模型 目前的生態(tài)動力學模型考慮了系統(tǒng)中生態(tài)過程的時空變化以及自然界中多因素 之間的相互作用 使得更細致地模擬富營養(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 加上對復雜生態(tài)過程的認識不夠 如何在現(xiàn)有實測資料的基礎上 根據(jù) 具體模擬對象選擇合理實用的富營養(yǎng)化模型是難點 總的來說 湖泊富營養(yǎng)化模 型大概經(jīng)歷了以下幾個主要的發(fā)展階段 1 簡單的回歸模型 2 單一的營養(yǎng) 物質負荷模型 3 浮游植物與營養(yǎng)鹽相關模型 4 生態(tài) 動力學模型 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)認識的提高和計算機技術的發(fā) 展 生態(tài)與水動力耦合模型 面向對象模型和神經(jīng)網(wǎng)絡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和生物數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎上 多 用來描述磷與葉綠素 a 透明度之間的關系 4 8 1 這類模型的主要優(yōu)點為 可提 供湖泊水質的大致變化趨勢 能對湖泊水質進行快速評價 為不熟悉數(shù)學模 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測工具 通常只在數(shù)據(jù)不太理想或者建立復雜 模型前用作初步的半定量估計 2 簡單的營養(yǎng)鹽模型 引起富營養(yǎng)化的物質主要是碳 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 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 年代湖泊學家們通過建立簡單的磷負荷模型 評價 預測湖泊水體的 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)水質模型 并根據(jù)1 0 年 的實測資料確定了總磷 總氮的沉降速率s 和b o d c o d 的綜合沉降系數(shù)k 并用建立的水質模型對密云水庫在不同污染負荷下的水質及富營養(yǎng)化狀況進行 了預測 基于v 0 1 1 e r 唧e i d e r 模型思路 陳云波 5 0 分析了滇池水動力特性 將完全 均勻混合的質量平衡水質模型應用于滇池有機污染濃度預測 給出了各種水文條 件下的水量預測 入湖污染物負荷預測及相應的c o d m n 濃度預測值 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)物質單一 所以數(shù) 學式簡單 使用方便 尤其適合對湖泊及水庫的營養(yǎng)物總量變化進行長期預測或 總體營養(yǎng)狀況進行初期評價 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)展到模擬整個磷系統(tǒng) 包括顆粒磷d p 溶解的無 機磷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進行了綜合比較 h a v e l l s 等 5 3 以3 個典型的淺水湖泊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 沒有穩(wěn)定的分層現(xiàn)象 整 個水體混合頻繁 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)典的磷負荷模型計算了湖泊內(nèi)磷負荷 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 但是它也有自身難 以克服的缺點 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?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)的動態(tài)發(fā)展過程等 3 浮游植物與營養(yǎng)鹽相關模型 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)鹽之間的關系 對于預測 水體的富營養(yǎng)化具有重要意義 目前 浮游植物與營養(yǎng)鹽相關模型主要有3 種 一是藻類生物量與磷負荷量之間的相關經(jīng)驗模型 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 藻類生物量與磷負荷量之間的相關經(jīng)驗模型 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 在分析資料的基礎上 建立了一系列藻類生物量與營養(yǎng)物質負荷量之間的相關經(jīng)驗模型 4 引 這類經(jīng)驗模 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)物質單一的假 定 提供的信息量少 不能反應藻類生長的機理 b 使用限制因子假定來模擬浮游植物的生長 在浮游植物動態(tài)模擬中 m o n o d 方程和d r o o p 方程是兩個基本的動力學方 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 方程表達了穩(wěn)態(tài)狀況 營養(yǎng)鹽限制條件下藻類生長速率與細胞外部 營養(yǎng)鹽之間的關系 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 等在實測數(shù)據(jù)的基礎上修正了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 溶解無機氮 之間的關系式 5 6 o d u g d a l e 使用源自酶動力學的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 多年動態(tài)變化關系 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 浮游動物和魚類的相互關 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 進出流以及水體和大氣的熱 交換等物理過程 并在此基礎上模擬了水體的生態(tài)循環(huán)過程 國內(nèi)學者圍繞太湖 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 磷時空分布 藻類動力學 浮游動物動力學以及沉積物與營養(yǎng)鹽釋放的基礎上 把生態(tài)動力學 模型與箱模型以及二維水動力學模型相結合 建立了適合滇池特定的富營養(yǎng)化模 型 7 7 1 朱永春應用三維水動力學和物質輸移模型 探討了在水動力作用下太湖藍 藻水華的遷移 聚積規(guī)律和垂直分布特征 7 8 1 因為不強調(diào)模型的普遍性 所以 模型可以針對研究水體的富營養(yǎng)化狀況和水體動力學特性等 充分應用實測數(shù)據(jù) 和以往的研究經(jīng)驗 建立相對簡單 實用的模型 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)結構的基礎之上的 但由于 環(huán)境污染 人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的結構產(chǎn)生一定的沖擊作用 這就限制了這些模 型預測的準確性 c 當這些模型使用于一項新的研究時 必須進行參數(shù)測定 取樣頻率和取 樣時間對參數(shù)值測定有較大的影響 模型校正的數(shù)據(jù)必須符合實際 并且取樣頻 率要能反映生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化過程 d 對生態(tài)規(guī)律和生態(tài)知識的了解程度也限制了模型的適用性 不同營養(yǎng)負 荷的湖泊之間物理 化學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) 詳細的湖泊水化學方面的數(shù)據(jù) 這給湖泊模型的校正 驗證造 成很大困難 使創(chuàng)建的湖泊富營養(yǎng)化生態(tài)一動力學模型適用性不高 1 2 4 湖泊數(shù)學模型的研究現(xiàn)狀評價 在過去的2 0 年間 湖泊水動力學模型的發(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 均質性向復雜困素 系統(tǒng)過程 生態(tài)系統(tǒng)水平 時空異質性發(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 目前模型的缺點在于它們的結構太固定 而真正生態(tài)系統(tǒng)具有一個靈活和適 應性的結構 這個結構與生態(tài)系統(tǒng)組成成分的特點相符 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用于科學 研究當中 第二 從湖泊生態(tài)系統(tǒng)的知識出發(fā) 運用以前獲得的研究經(jīng)驗 創(chuàng)建 難度適中 適合某一特殊研究的模型 因為對于復雜的環(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 達到預期的效果 例如在太湖水環(huán)境研究方面 前人廣泛應用了各種模型 其中 大部分模型主要針對水體中營養(yǎng)物質 如氮 磷 的循環(huán)進行模擬 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交換非常復雜 影響因素也很多 在模型實際應用的 過程中 沉積物對水體水質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)物質的關 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 模型軟件進行改編和優(yōu)化 進一步考慮底泥釋放對上覆水體水質的影響 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 洞庭湖等湖泊水質監(jiān)測和富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究結果 利用 已有的水流模型和較為成熟的氮 磷循環(huán)理論 建立二維水流水質耦合模型 在 綜合考慮風場 入湖水質等因素下 模擬金山湖水動力和水溫 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 風場 水溫與水體藻類生長的關系 論文的主要內(nèi)容如下 1 利用矩形網(wǎng)格將金山湖計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分 在原有的二維水量模 型的基礎上加入水質計算部分 根據(jù)模型中的氮 磷循環(huán)原理及浮游植物生長動 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 二維水流運動基本方程 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 表達式如下 塑 墮型 型 o 2 1 氆 瓠 a 扣塞 v 考 噌掣一g 學 s 睜豺 五沼2 扣塞 v 考 二掣一g 學 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 一湖泊底部的標高 t 為時間坐標 x y 為空間坐標 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 一水平渦動黏性系數(shù) g 一重力加速度 州s 2 p 一風的密度 j 蚶s w 分別為x y 向風應力 c d 一風拖拽系數(shù) w a 一水面以上1 0 m 處的風速 2 1 2 污染物擴散運動基本方程 湖泊是一個比較封閉的水生生態(tài)系統(tǒng) 以藻類為核心的湖泊水質模型包括 浮游藻類 亞硝酸鹽氮 硝酸鹽氮 有機磷 生化需氧量 溶解氧 無機磷 有 機氮 氨氮總溶解固體以及懸浮物等污染物 各種水質參數(shù)之間都有錯綜復雜的 關系 對一個水質參數(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 廣物質沿垂向平均濃度 代表不同的水質指標 見 環(huán)分別為x y 方向各污染物的擴散系數(shù) 如是各污染物綜合降解系數(shù) s i 為各水質因子的源匯項 水質方程是遷移擴散方程 各水質組份具有相同的控制方程 只是生化項不 同 本文模型中只考慮浮游藻類 氨氮 亞硝酸鹽氮 硝酸鹽氮 有機磷 無機 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c 等琴 一9 9 c 2 射 吩一溫度普朗特數(shù) 一般取o 9 以 兄 分別為x y 方向的物質擴散系數(shù) g 妒為熱源項 其中熱源項為 熱傳導通量純 當水體表層