（环境科学专业论文）oomas模型在太湖水环境模拟中的应用研究.pdf

河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss t u d yi ss u p p o s e db yt h es u b p r o g r a m ”e f f e c to ft h eh y d r o l o g i c a lf a c t o r so n w a t e rb l o o m ”o ft h ep r o g r a m ”t h em e c h a n i s mo fl a k ee u t r o p h i c a t i o na n dw a t e rb l o o m o c c u r r e n c e - - t h ef i f t e e n t hn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c h p r o g r a m ( a l s o c a l l e d9 7 3 p r o g r a m ) a l a k e e c o s y s t e md y n a m i c sm o d e l ，o o m a s ( t h eo b j e c t o r i e n t e d m o d e l i n go fa q u a t i cs y s t e m s ) i si n t r o d u c e di n t ot h es t u d yo f t h ee u t r o p h i c a t i o no f t a i h ul a k e t h e h y d r o d y n a m i cm o d e l ，t h ew a t e rq u a l i t ym o d e la n de c o s y s t e mm o d e l a r ec o m b i n e di no o m a sm o d e lt h a to v e r c o m et h ew e a k n e s so f c o n s i d e r i n gf e w e r f a c t o r s ，n o tr e f l e c t i n gt h ea c t u a le c o s y s t e mc i r c u m s t a n c e ，n o tp r o v i d i n gt h ev i s u a l i n t e r f a c e m o s t l ya n db r i n g i n gs o m et r o u b l e s o m ef o rt h ea p p l i c a t i o n t h e m o d e l s t r u c t u r ei sa n a l y z e d t h ed a t u mm e a s u r e da c t u a l l ya n dt h ep a r a m e t e r so b t a i n e di nt h e c o r r e l a t i v e s t u d y a r eu s e d t h e p a r a m e t e r s a r ev a l i d a t e d t h r o u g hr e f e r r i n g t h e l i t e r a t u r e sa n d d e b u g g i n g t h em o d e l o o m a sm o d e li su s e dt os i m u l a t et h ew a t e rl e v e l ，w a t e r v e l o c i t ya n dt h e d i s t r i b u t i n ga n d t h ec h a n g eo ft h em a i nw a t e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n c l u d i n gt n ，t p ， c h l aa n dd oe t c i ti su s e dt oa n a l y z et h ef a c t o r so ft h ee c o s y s t e ms y s t e ms t r u c t u r e o ft a i h ul a k ea n da l g a eg r o w t h ，s t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e np h y s i c a la n dc h e m i c a l f a c t o r sa n dt h e p r o c e s so f a l g a e b l o o m t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eh y d r o d y n a m i c s ，s u c h a sw a t e rv e l o c i t y , a n dt h ea l g a eq u a n t i t yi s a n a l y z e dt o o f o u rk i n d so fs c h e m e s r e g u l a t i n g a n dc o n t r o l l i n gw a t e rv o l u m ei s d e s i g n e d ，a n d e a c ho n e a d o p t e d i s s i m u l a t e dt of o r e c a s tt h ee f f e c tt oc o n t r o la n df a t h e rt h ee u t r o p h i c a t i o no ft a i h ul a k e t h eq u a n t i t a t i v ee f f e c to ft h e h y d r o l o g i c a l f a c t o r so nw a t e r q u a l i t y i s a n a l y z e d p r i m a r i l y t h eb a s i st o f a t h e rt h ee u t r o p h i c a t i o no ft a i h ul a k es y n t h e t i c a l l ya n d r o u n d l yi sp r o v i d e dt h e r e b y k e y w o r d s ：t a i h u l a k e ；e u t r o p h i c a t i o n ；o o m a sm o d e l ；s i m u l a t e ；h y d r o l o g i c a l f a c t o r i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年月日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 现在水华现象已经是世界性的水环境难题，水华的治理需要昂贵的费用和复 杂的技术，是许多国家政府和公众最为关注和重视的环境问题之一。各国的环境 学家、生态学家、藻类学家等科研工作者和政府部门对水华现象进行了大量研究， 投入了大量人力、物力和财力，采取了许多防范措施，却未得到理想的效果。水 体达到富营养化状态，是水华发生的前提，防止水体富营养化最根本的措施是切 断污染源，不让污水流入水体。事实上这一措施并不是一件容易的事情，这需要 严格的管理和牺牲经济利益。 在全球范围内3 0 - - 4 0 的湖泊和水库遭受了不同程度富营养化的影响“3 。我 国是一个湖泊众多的国家，其中绝大多数湖泊处于富营养状态和中富营养状态 ”1 ，湖泊富营养化程度己非常严重。滇池、太湖、巢湖三大湖的严重水华现象已 是人所共知o “。 对何种条件下，富营养化能导致水华发生的研究一直是国际上的研究热点。 水华发生的机制目前尚未研究清楚，使其防治盲目，难以有效。水华现象水华发 生与诸多环境条件有关，包括气候气象、水文、化学及生物环境等，它涉及许多 因子的影响，如氮、磷的含量和二者之比，以及温度、光照、水深、水的流动性、 微量元素等因子都对水华的发生有重要作用。此外，水深、水量、水域面积和水 的流动性等也对水华的发生有重要影响，通常在浅水湖泊、水面较小、水的流动 性很小甚至为死水、而且没有清洁的水补充更换的富营养水体最容易发生水华现 象。同样，也有些水面较大、水较深的水库甚至有些流动水的河流也会发生水华。 我国许多湖泊都为浅水型湖泊，水位水量随季节性变化显著，如太湖多年平均水 位为3 1 4 m ，最大年变幅为1 8 2 m ( 1 9 5 4 年) ，水位绝对变幅为2 ，5 9 m ，由于太湖 平均水深只有2 m 左右，故相对于水深而言，太湖水位变幅较大，湖泊面积和贮 水量变化亦极为显著，丰水年和枯水年、丰水期和枯水期湖泊面积及贮水量可相 差一倍，这些因子可以在很大程度上影响太湖等浅水湖泊的水质。 综观国内外富营养化研究现状，学者们重点对藻类生长过程受营养盐的影响 河海大学硕士学位论文 机理方面的研究较多，对水量、水位等大尺度的水文因子与藻类生长之间的相互 影响关系的研究很少；而对于太湖这样营养盐含量已经很高的浅水湖泊，水华发 生受营养盐的限制已经很小，水量、水位等可能是水华发生的最主要诱发因子之 一。因而，水文因子对藻类生长过程的影响应成为太湖水华研究中拟解决的关键 技术难题。水量等水文因子与水质详细关系的研究比较罕见。本文在深入了解水 质富营养化机理的基础上，利用数学模拟的手段，研究水文因子变化对太湖水质 的定量影响，从而为综合治理太湖富营养化、防治水华提供依据。 1 。2 国内外研究动态 富营养化是湖泊或水库生态系统在各种外部因子综合作用下发生生物化学 反应的过程。任何一个湖泊或水库的特定生态系统，总存在着湖泊生态因子( 生 物量、水质参数) 与外部变量( 水量、营养盐和能量输入) 之间的响应关系。通过符 合规律的数学模型来描述这种响应过程，就能够推断在外部变量改变时，湖泊营 养状态的响应趋势、水质状况和相应的生态效应。 从2 0 世纪6 0 年代起，湖泊生态模型就得到了迅速发展，经历了从单层、单室、 单成分、零维的简单模型到多层、多室、多成分、三维的复杂模型的发展历程。 根据其复杂性，将湖泊富营养化模型分为三种类型：单一营养盐模型、浮游植物 生态模型和生态动力学模型模型。 1 ，2 1 单一营养盐模型 引起富营养化的营养物质主要是碳、氮、磷，一般淡水环境中存在的碳、氮、 磷的比率为1 0 6 ：1 6 ：l 。l , i e b i g 的最小生长定律认为氮、磷是富营养化形成的限制 物质，其中磷是绝大多数湖泊和水库富营养化形成的最关键的限制物质。7 0 年代 湖泊学家们建立了简单的磷负荷模型，来评价和预测湖泊的营养状态。这类模璎 的典型代表是加拿大湖泊专家v o l l e n w e i d e r 提出的v o l l e n w e i d e r 模型“1 。后经 d i l l o n ，l a e s e n ，m e r c i e l - 等人对v o l l e n w e i d e r 模型进行了一些修正，产生了 d i l i o n 模型及l a e s e nm e r c i e r 模型等8 1 。 近年来，单一营养盐模型得到了很大的发展，在很大程度上克服了早期磷模 型的缺陷：从单一的总磷浓度发展到模拟系统中整个磷元素( 包括颗粒磷、溶解的 河海大学硕士学协论文 无机磷和浮游生物中的磷) 的循环；从简单的水体完全混合模型发展到多层模型； 从单纯考虑水体本身的营养盐循环发展到考虑底泥和水体界面的营养盐交换过 程等。根据浅水湖泊的特点：无稳定分层现象、整个水体的频繁混和、相对剧烈 的沉淀再悬浮和底泥营养盐的释放等，h a v e n s 等人”3 应用3 种经典的磷负荷模型 计算了3 个典型的浅水湖泊k a s u m i g a u r a ( 日本) ，东湖( 中国) 和o k e e c h o b e e ( 美 国) 的湖泊内磷负荷，对一般浅水湖泊磷模型的选取有积极的借鉴作用。 总体来看，单一营养盐模型具有模型简单、使用方便、对营养盐循环的深入 研究有利于更加细致地模拟富营养化过程等优点。但它也有自身难以克服的缺点： 不能反映水体中多种营养盐的相互影响及其对生态系统的综合影响；不能反 映湖泊生态系统的动态发展过程等。 1 2 2 浮游植物生态模型 浮游植物的初级生产力是湖泊营养状况的主要评价指标，它的光合作用速率 与环境因子及细胞本身的内环境有关。目前，模拟浮游植物生长的主要方法有： 使用限制因子假说来模拟浮游植物的生长；浮游植物初级生产力的估算和运用质 量守恒定律来模拟浮游植物的生长。 在浮游植物动态模拟中，m o n o d 方程和d r o o p 方程是两个基本的动力学方程， 它们将营养盐可利用性与微型生物生长直接联系起来。1 。m o n o d 方程表达r 稳态 状况、一种限制性营养盐限制条件下藻类生长速率与细胞外部营养盐之问的关系 。1 ，该方程尤其适合研究以磷作为限制性元素的水体。d u g d a l e 使用源自酶动力 学的m i c h a e l i s - - m e n t e n 方程( m m 方程) ，描述稳态条件下藻类对营养盐的吸收。 由于该模型未考虑营养盐过度吸收现象，也未考虑营养盐和生物的时空异质性， 所以并未完善地表达出藻类动态变化的驱动机制“。d r o o p 认识到营养盐过度吸 收的重要性，将藻类生长速率与细胞内部营养库大小或细胞营养储额( c e l l q u a t o ) 联系起来，建立t d r o o p 模型“。c h e n 等人考虑了四种外界因子如氮、磷、太阳 辐射和温度，利用m m 方程建立了浮游植物生长与环境因子的模型“。d a h l m a d e s e n 认为在浮游植物生长过程中，氮、磷和碳都可能是限制浮游植物生长的 元素，从而建立了三种限制性营养元素与浮游植物生长之间关系的模型”“。 p a t t e r n 等，l a r s e n 等，j a n s s o n ，a n d e r s o n 建立了不同的浮游植物光合作用计算 模型“。d it o r o 和m a t y s t i k 考虑了水深和时间，结合s t e e le 方程研究了蓝藻和 河海大学硕士学位论文 硅藻生长与光的关系，揭示了强光抑制藻类生长，绿藻与光的关系，可用类似于 m o n o d 方程的函数来表达“。 对于一些空问上跨度很大的湖泊，浮游植物生态模型需要把多级浮游植物、 养分负荷模型与水动力学模型整合在一起，才能有效地预测养分负荷的改变对浮 游植物组成及其优势种的影响，目前的浮游植物生态模型需要进一步完善。 1 ，2 3 生态动力学模型 生态动力学模型以水动力学为理论依据，以对流一扩散方程为基础建立模 型。同时在生态系统水平上，对生态系统进行结构分析，研究生态系统内子系统 间相互作用过程，综合考虑系统外部环境驱动变量，建立微分方程组，运用数值 求解方法，来研究生态系统状态变量变化。与前几种生态模型相比较，生态动力 学模型能够更详细准确地模拟水体的富营养化。 生态动力学模型的研究始于c h e n ，d it o r o 开发的简单水质动力模型。j 由 r g e n s e n 于1 9 7 6 年提出t g l u s m 由生态模型“，该模型以c 、n 、p 为营养物质的循 环变量，按生物链层次建立了以浮游植物，浮游动物为中一t l , 变量的生态模型，为 此后一系列富营养化模型研究的基础。湖泊富营养化生态一动力学模型在其发展 过程中经历了如下变化：状况变量逐步增加，由最初的几个发展到现在十几个乃 至几十个；从一维逐步向多维动态模型过渡，如3 0 w f g a s 是一个三维生态一动力学 模型“；包括的物理、化学和生物过程更加全面。 很多学者从研究对象的特性出发，开发了适合特定水体的富营养化模型。如 m e n s h u t k i n 等“”在水动力学方程的基础上，建立了三维生态动力模型，模拟了三 种浮游植物、浮游动物、营养盐p 及d o 的相互关系和多年动态变化关系。r o n a l d o 等”“建立t e l l o b o 模型，把水库内营养盐的循环简单系数化处理，较好的模拟了 g r o a 水库中浮游植物，浮游动物和鱼类的相互关系。在深层湖泊及水库的研究方 面，m a r i e - - j o s es a t e n c o n 采用e o l e 模型成功模拟了法国两个水库的热分层， 并和a s t e r 生态模型相耦合，建立了适合模拟中等营养程度水库的多年生态循环 的m e l o d i a 富营养化模型。国内学者围绕太湖、滇池、东湖等湖泊做了大量的：【一 作。刘玉生等。“在研究滇池碳、氮、磷时空分布，藻类动力学，浮游动物动力学 以及沉积与营养源释放的基础上，把生态动力学模型与箱模型以及二维水动力学 模型相结合，建立了适合滇池特定的富营养化模型。朱永春。”应用三维五层水动 4 河海大学硕士学位论文 力学和物质输移模型，探讨了在水动力作用下太湖蓝藻水华的迁移、聚积规律和 垂直分布特征。因为不强调模型的普适性，所以这些模型可以针对研究水体的具 体富营养化状况和具体水体动力学特性等，充分应用实测数据和以往的研究经 验，建立相对简单、实用的模型。发展针对独特研究对象的中小型生态动力学有 利于加深对湖泊水体中所发生的动态过程的认识，是综合性大型生态动力学模型 发展成熟的过程。 目前，一批大型综合生态动力学模型已经发展成为大型商用软件，女u w a s p 、 p c l a k e 、c e - - q u a l 系列模型等。w a s p 5 是目前w a s p 应用最多的版本，它是一个模 拟一般和有毒污染物转移与运动的地表水水质动态模型，包括三个独立的模拟程 序( d y n h y d 、e u t r o 、t o x i ) ，其中e u t r 0 5 主要模拟了溶解氧( d 0 ) 、碳生物化学需 氧量( c b o d ) 、营养物质和浮游植物等因子。e u t r 0 5 包括8 个变量，这些变量构成4 个相互作用的系统：浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡”3 。“。 p c l a k e 也是一个适用性比较广泛的浅水湖泊富营养化模型。它通过食物网把养分 循环与浮游植物和大型植物的生长联系在一起。该模型包括了对藻类和沉水植物 生长十分重要的主要组分和过程，但并不详细。食物网主要用来描述食物网结构 对初级生产者和养分循环的影响，也用来模拟食物网管理对藻类生物量的影响 “。c e r c o 等人在研究c h e s a p e a k e 湾富营养化时提出了c e q u a l i c m 三维动态富营 养化模型，该模型包括2 2 个状态变量，涉及湖泊物理特征、多种藻类、碳、氮、 磷、硅和溶解氧等。“。o o 姒s ( o b j e c to r i e n t e dm o d e l i n go fa q u a t i cs y s t e m s ) 模 型是衙- - * - a q u a s e n s e 实验室最新开发的湖泊生态系统模型，主要用于湖泊生态动 力学模拟。o o m a s 模型对湖泊生态系统的结构、功能以及运动过程有很好的表达， 有良好的可视界面和人机对话平台，能动态的演示湖泊各神水文因子( 水位、流 速) 、营养盐( n 、p 、c ) 及水生生物生物量及n 、p 、c 、s i 、c i 、n c 、p c 等 随时变化。不仅能用于湖泊出入河流特征、水文过程和湖泊规划管理等对湖泊生 态系统的研究，而且适用于对湖泊内物理、化学、生物过程的长期演变特性及湖 泊富营养化的时空分布规律等方面的研究。 河海大学硕士学位论文 1 3 主要研究目的、意义及研究内容 1 3 1 研究的目的和意义 目前对太湖进行研究的模型以水动力模型和水质模型居多，富营养化模型较 少，将水动力模型与水质模型结合进行研究的较多，而将水动力模型与水质模型、 生态模型三者统一起来的很少，太湖缺少一个合适的模型工具来进行污染控制和 管理。本文引进荷兰a q u a s e n s e 实验室最新开发的湖泊生态系统模型 o o m a s ( o b j e c to r i e n t e dm o d e l i n go fa q u a t i cs y s t e m s ) ，通过参数率定，建立 适合太湖生态系统的模型，该模型将水动力模型与水质模型、生态模型三者统一， 克服了一般模型考虑因素偏少、不能反映实际生态情况，且大多没有可视化界面， 给应用带来麻烦的缺点，将大型湖泊生态动力学模型应用到太湖来进行全面的富 营养化和水华研究：水文因子( 流量、水位等) 对于富营养化程度较高的太湖可 能是最主要的水华爆发因子之一，尝试采用o 。姒s 摸型调整水文因子，对太湖水 质和生态环境进行模拟，研究水文因子对水华爆发的驱动作用。 1 3 2 本文的主要研究内容 1 ) 剖析o o m a s ( o b j e c to r i e n t e dm o d e l i n go fa q u a t i cs y s t e m s ) 模型结构， 该模型主要从7 个方面描述生态系统过程：潮流的流动与混合；降雨、蒸腾、 环湖入流及渗漏等水量平衡；营养盐( n 、p 、c 、s i 、c i ) 及溶解氧( d o ) 在水体和沉积物中循环，包括硝化和反硝化；碎屑的产生和分解；颗粒物的 沉降和再悬浮；光环境的变化( 光的衰减和吸收) ；藻类、浮游动植物、底 栖动物、鱼类、大型动植物等的生长及食物网问的相互关系。模型以水动力学方 程计算出的流速值代入水质浓度扩散方程求得各网格点的水质浓度，再代入生态 学方程对藻类及各营养盐值进行计算： 2 ) 对利用1 9 9 9 年1 月1 2 月的资料对温度常数 、藻中氮的最高浓度 c 州 一、藻中磷的最高浓度e i d 即一、氮碳比和磷碳比( 眠l “ m m 、。嘁) ，。、 y 州一，、虬域即。) 等参数采用文献法和模型校正法进行率定； 3 ) 分析太湖生态系统结构和藻类生长的影响因素，对太湖营养盐分布及变 化进行模拟，研究物理、化学因子与藻类水华生消过程的关系： 6 河海大学硕士学位论文 4 ) 研究了四个拟采取的水量调控工程对太湖水质的影响效果：a ) 太湖贡湖 湾增加长江水入湖流量，增加望虞河入湖流量；b ) 同时打开河流上的出湖闸门而 关闭入湖闸门；c ) 通过一些泵站在竺山湾抽水，同时从梅梁湾抽水；d ) 不同营养 浓度下，通过控制水量来减少入流。 河海大学硕士学位论文 2 1 0 0 1 队s 模型筒介 第二章0 0 m a s 模型系统 o o m a s ( o b j e c to r i e n t e dm o d e l i n g o f a q u a t i cs y s t e m s ) 模型是荷兰 a q u a s e n s e 实验室最新开发的湖泊生态系统模型，主要用于湖泊生态动力学模 拟。该模型具有强大的可视界面功能，能动态的演示湖泊各种水文因子( 水位、 流速) 、营养盐( n 、p 、c ) 及水生生物生物量及n 、p 、c 、s i 、c i 、n c 、p c 等随时变化。不仅能用于湖泊出入河流特征、水文过程和湖泊规划管理等对湖泊 生态系统的研究，而且适用于对湖泊内物理、化学、生物过程的长期演变特性及 湖泊富营养化的时空分布规律等方面的研究。 o o m a s 湖泊生态系统动力学模型主要从7 个方面描述生态系统过程：湖 流的流动与混合；降雨、蒸腾、环湖入流及渗漏等水量平衡：营养盐( n 、 p 、c 、s i 、c 1 ) 及溶解氧( d 0 ) 在水体和沉积物中循环，包括硝化和反硝化； 碎屑的产生和分解；颗粒物的沉降和再悬浮：光环境的变化( 光的衰减和 吸收) ：藻类、浮游动植物、底栖动物、鱼类、大型动植物等的生长及食物网 问的相互关系。此外，计算时还考虑了风、浪等物理过程造成的影晌。其内部结 构过程如图2 1 。 2 2 1 流动和输运模型 l 1 ) 运动方程 i f l u 叫要一鐾+ c r p 丁i w 2 c o s ( c r - o ) 瓦一g i 一菇+ 万 式中：t ：时间；u ：流速；g ：重力加速度：c ：谢才系数；h ：水深：c f ：摩擦 系数；pl ：空气密度；p 。：水密度；n ：风向；e ：网格单元间夹角。 ( 2 ) 连续方程 百d v = 级一q 。+ ，一q , e g z + 扣p - - 巾。n 8 * u 海大学硕f 学位论文 式中：t ：时间；v ：单元水体体积；q i 。：单兀的进水量；q 州i 单元的排水量； q i ：单元的上涌水量：q 。g ：单元的下漏水量；巾p ：降雨量；巾。：蒸发量； a ：单元面积。 ( 3 ) 营养物质输运方程 里：盟+ c c e u j _ _ + 盟+ s &融 圆 式中：c ：营养物质浓度；u x 、u 。、t l z ：x 、y 、z 三个方向上的流速；s ：源、汇 项。 风 温度光辐射 空气 一 二刊事_ ! 无机沉积 一一 = = = = = = = = = ：光照 1 一 f 输入 一，营养物0 _ - l 奎一_ -碎稻： 一j厦m 上i j 。卜+ _ 。一 一 拌衍租明一一1 浮游动物 广_ 食浮游生物食二 f - - - i r 一 离觚牛物的隹举i 冉悬浮的沉积i l 渗滤l j 、 ，-、o r t j j _ l 一 i 沉水植物卜一 、 蚌类 ： 食鱼鱼类 2 】 ! 千 l f j i二：二j 碎屑+ 一4 底部 t+1 f 一j yt r i _ i 稠 营养物 2 浮游植物 2 、 堕! ：! ：j j 无机沉积摇蚊 图2 1湖泊生态系统内部过程图 2 2 2 有机物和碎屑模型 ( 1 ) 温度相关性方程 在生态系统中许多过程都与温度有关，这些过程中的参数随温度的变化按下 9 河海大学硕士学位论文 式_ _ f 算： 啦h h ) 式中：t ：温度；t 心参照温度：k ( t ) ：在温度t 时的变化速率；k ( t 。r ) ：在 参照温度，r 时的变化速率： ：温度常数。 例如不同温度下硅藻生产量可按下式计算： k 仃) ：。乜广5 俐 式中：t 。：硅藻生长的最佳温度，其他符号 i j i l l s 。 f 2 ) 藻类 每个单元中藻类的碳平衡计算方程如下： 1 d c a 广l g ( e ) = 慨州啪一r 地，一s 地一g 地( 。) ) c 坤驴 。生! ! 盟二竺! ! 盟；竺! 堕! ! ! 二竺! ! 笙! ! ：! ：竺：! ! ! ：生 vd 式中：c 。培c 。，：藻类中碳的含量；b 出c 。) t ：在温度t 时藻类总生产量；r a l g cc ： 在温度t 时藻类呼吸率；s a l g ：藻类死亡率；g 。i gc 。，：浮游动物消耗量；i 出c c ，： 单元间碳的输入量或者源项：u 。gc 。，：单元间碳的输出量或者汇项：中a l gt c ，s 小 来自上层水体沉降通量；o 。1 9 s | 。：向下层水体或者湖底沉降通量；$ a l g t c ，r ： 湖底再悬浮通量；d ：单元深度。 每个单元中藻类的氮平衡计算方程如下： ! 鱼d t 盟= 吃l g ( 。) c 一6 北+ g 州) c 州川 ，。l g ( ) 一u a l g ( ) 中a 皤n s ，一o a l g ( b p + 中a 培( ) ，r 一f 一d 式中：c a t g tn ) 藻类中氮的含量；b 。1 9c n ，：藻类吸收氮量；g “g cn ) - 甫于消耗损 失的氮量：s 。藻类死亡率；i d 。( n ) ：由于单元问交换或者源进入本单元氮；u 。i g n ) ：单元问氮的输出或者汇项；巾。l g 。n ) s 川来自上层水体单元沉降通量；m 。l g 。n ) s ，。：f 层或者湖底单元沉降通量；由出c mr ：湖底再悬浮通量。 藻类中磷的平衡计算方程同氮的平衡计算方程。 ( 3 ) 浮游动物 l o 河海大学硕士学位论文 浮游动物的碳、氮磷平衡计算方程，结构形式一样。如： 1 d c z o 厂o ( c ) = c b 嘶) 吐州屯巾) ) 吧o d ( 矿血与兰烈 式中：c ：。0 ( 。) ：浮游动物中碳含量；b 。( c ) ：浮游动物食物吸收碳：r t o o ( c j ：浮游 动物呼吸消耗的碳量：g 。( 。) ：浮游动物被捕食损失的碳量；i z o o ( c ) ：单元问交换 输入的碳或者源项；u z o o 。c ，：单元间交换输出的碳或者汇项；v ：单元体积。 ( 4 ) 双壳类动物 c 循环方程： 1 d c b 厂i v ( c ) = 圹沁啉，+ g 。) c 。岫， 式中：c b i 。( 。) ：双壳类动物中碳含量；b b 。( c ) ：双壳类动物食物摄入碳量；r b 州。) ： 双壳类动物温度t 时呼吸消耗碳量；g b iv ( c ) ：双壳类动物被捕食损失的碳量。 氮、磷平衡方程相同，如下： 竿幽。， 式中：c b i v ( n ) ：双壳类动物中氮或者磷含量：b b 。( n ) ：双壳类动物从食物吸收氮或 者磷量。 ( 5 ) 食浮游生物的鱼类 碳平衡方程： 盟d t = b e g ( c ) , r - r t , - ( c ) , r - g p ，( c ) ) c p ，矿华 式中：c p i fc c ，：食浮游生物的鱼类中碳的含量；b 。c ，：通过食物吸收的碳量； g p i f ( c ) ：因其它原因损失消耗碳量：r p l fc c ：呼吸损失消耗碳量；i p l f 【c ) ：单元间 碳输入量或者源项；u 邮。c ，：单元间碳的输出或者汇项；v ：单元体积。 氮( 或者磷) 平衡方程： d c 出p ，( u ) 嘞c ) + 挚 式中：c p i fc n ，：食浮游生物的鱼类中氮的含量；b p l f t n ，：通过食物吸收氮量；i 。l f t 舭单元问氮输入量或者源项；u p l f ( 肼单元阀氮输出量或者汇项；v ：单元体 积。 ( 6 ) 摇蚊 河海大学硕士学位论文 碳平衡方程： 坠d t 盟- b 。a ( c ) - ( r 绯，+ g 酬+ 肘。) 。) 式中：c 删。c ，：摇蚊中碳的含量；b 。c ，：通过食物吸收碳的量；r 。i d ( 。) t ：在 温度t 时摇蚊呼吸率；g 。，：摇蚊被捕食量；m 。，：摇蚊离开水体单元损失 的碳量。 ( 7 ) 食底栖生物的鱼类 食底栖生物的鱼类通常按照生物量不同分成两类，每个单元中第类碳平衡 方程如： 争= ( b p b f l ( c ) , r - - r p b d ( c ) , t - - g m 。( c ) - 办c 肿， + ：x c 一，+ 血雩趋 每个单元中第二类碳平衡方程如： 了d c m 2 ( c ) = ( b p b f 2 ( c ) , r - r p 。f z ( c ) , r - g p b 2 ( c ) - ：( c ) ) x c 酬。) + g r p b f l ( c ) xc p b f l ( c ) q i p b i2 ( c 百) - - u p b 2 ( c ) 式中：c p b n ( 。) ：食底栖生物的鱼类中碳含量；bp b f l ( c ) ：通过食物吸收碳量；r p b f l ( 。) t ：食底栖生物的鱼类在温度t 时碳消耗量；g p b n ( c ) ：食底栖生物的鱼类死亡含 碳量；g r p b f lr c ，：第一类转变成第二类转移的碳量：b r p b f 2t c ) ：小鱼产生的含碳量； i p b f l ( c ) ：由单元间交换输入量或者源项；u p b nc c ，：单元间碳输出量或者汇项；v ： 单元体积。 ( 8 ) 食鱼性的鱼类 食鱼性的鱼类的模拟方程同食底栖的鱼类，只是食物的来源不同。 ( 9 ) 水生植物 植物生长模型是基于h o o t a m a n s 和v e r m a a t l 9 9 1 年开发的模型，模型中包含 了眼子菜属的生长过程的模拟。水生植物的生长的模拟在原理上同藻类相似，只 不过在夏季水生植物将吸收的碳传给底部的根，在秋季植物的叶和径将会死亡， 而在春季根部通过吸收新的碳将长出新的叶子和躯干。 由于的风的作用水生植物会有流失。这里主要是将风浪和其对水生植物的作 用力来协同考虑水生植物的流失。 河海大学硕士学位论文 ( 1 0 ) 碎屑 根据碎屑的矿化速率的不同将碎屑分成两类：一类为死亡的水生植物，另一 类为其他的死亡的有机质。 植物碎屑碳平衡计算方程如： 华：坠竺半k 讽。， 出d 眦。眦“吖 j ! 塑坚! 二竺! ! ! ( ! ! 上竺! ：! 笠至，! 二竺竺笙生：! ：竺竺竺坐 vd 每个单元中其他死亡的有机质碎屑碳平衡计算方程如 竺笋= 5 咄c 州+ s 。c 啡) 一帆，+ g d c t l c ) ) c 。 + ( 1 一q ：。( 。) ) 只。 ， c ：。( 。) ( a 。k c 。l d 。) 十a m 。，c m m ) + a m c d e t ( c ) ) 十 ( 1 一q m ，( 。) ) e 。r f c 眨a 。l gx c 。酶。) + a d 。，x c d 州，) + a mx cd e i ( ，) ) + ( 1 一q ，帅) ) f 矗，x c 彬( 。) c 。( 订 i d o d c ) 一u 如( c ) 巾血t ( c x ，一。岫( c ) u + 中d c t ( c ) 8 vd 式中：c 嘲。) ：碎屑中碳含量；mb e t ( c ) t ：温度t 时碎屑的矿化率；g p b f l ( 。) ：被捕 食而损失的碳量；i b c t ( c ) ：单元问交换输入的碳量或者源项；u b 。tc c ，：单元间交换 输出的碳量或者汇项；c z 3b e t m n s 川上层水体的沉降通量；中l ，e 。一c s 川下层水 体或者湖底单元沉降通量；( y p b e t 。c ，r ：底层再悬浮通量。v ：单元体积。 碎屑的氮( 磷、硅) 的平衡方程如： 争= s 咄( 1 一以。) 呢+ s 。( 1 一o d i a t ) x c d i e l ( n ) - - ( m d 。r + g r i e f ( # ) ) x c d 州。， + ( 1 一q 。) ) l 。，。c 。( 。) 眨a 。b c 吐。，+ a 。，c 。，+ a 。c d e ( n ) ) ) + ( 1 一q 。加) 五。 。匪a 。k c 。蜮+ a 。，x c 。，。，+ a 。c 。州。，) ) + 砸一q ，。) 嘞，c 。川z c 。， + ! ! ! ! 尘2 二! ! ! ! 业! + 竺竺竺蔓! 二竺! 竺! 竺! ：二竺竺竺坐 vd 2 2 3 无机物模型 ( 1 ) 无机颗粒物 d c 。 斫 ! 型二竺型上 巾。 ，一中w 。+ 中w ，。 式中：c a w ：无机颗粒物浓度；i a w ：单元问交换输入量或者源项；u 。：单元问交 河海大学硕士学位论文 换输出量或者汇项；巾。n 1s 1 i ：来自上层单元沉降通量；。ms 川向下层 或者湖底沉降通量；中。n ) r ：湖底再悬浮通量。 ( 2 ) n h 3 一n 和n 0 3 一 警= m 。，c d e t ( n ) + s o l g x 口a l gx q 刚，+ c & e t ( n ) x 瓦。 一z b o i g ( n ) c a l ( c ) - b d i a ，( n ) x c a l g ( c ) + 半+ 竿 式中：c n ：n h 3 一n 或者n 0 3 - 浓度；i n ：向单元输入量或者源项：u n ：从单元间 输出量或者汇项；中n d ：与上层水体的交换通量：c i ) c n ：与下层水体或者湖底 单元沉降通量。 ( 3 ) 磷( p ) p 的平衡模拟基本上同n h 3 。n 一样，只是其没有硝化和反硝化过程，而增 加了在湖底层p 的吸附和解吸过程的模拟。p 的吸附与解吸过程主要受底层溶解 氧的影响。 ( 4 ) 硅 硅的平衡模拟基本上同p 一样，只是其没有p 的吸附和解吸过程。 ( 5 ) 氯化物 由于氯是保守物质，在方程中只要考虑输运和扩散过程，方程如： d c ai ，t u ，【由d ，d d t 一可一厂 式中：c 。l ：氯化物浓度；i c l ：向单元输入量；u c l ：从单元输出量；中。1 d ：与底 层交换量。 ( 6 ) 溶解氧 d j c _ o ：幢i g ( c ) , t - - r o l 。c ) , 7 ) e 蜮。，月q 。+ p 。圹一r 。 ) c 。，r 。 十陋( 。) 一只( 。) ) c 刚。) r q p ，d 一r 。巾) c ：。( 。) r q z o o 一r 州。) c 舢r q ，。d 一r 彬( n rx c 州。) r q p g 一r ( c ) ，c 州( 。】r 鳞矿 地c 坼，哟e f + 半+ 生产 式中：c o ：溶解氧浓度：r q 。：呼吸、光合作用及矿化等o c 的比率；i o ：向单 元问输入量；u o ，：从单元输出量；o 一复氧量；中o d ：与底层交换通量。 ( 7 ) 无机碳和钙 4 河海大学硕十学位论文 产= 。，吨蛳。，) x c o l i c ) + ( r d i o t ( c ) , r - - b d i o , ( c ) r ) c 。， + 如圹占腓) ) c 。) d + r c 。) + r 州。) c 。”) d + r 叭ck r c 肌j + m 蚶c 抓 + i hc o e - u ac o 。竺! ! ! 鲤j ! ：竺! ! 坠! vd 2 2 4 物理过程模型 ( 1 ) 光 占( 五) = 厕丽磊再而丽觋) 式中：e ( ) ：波长入的衰减系数；a ( ) ：波长 的总吸收系数：b ( x ) ： 波长 的总散射系数；z 0 ：太阳倾斜角； ：波长。 ( 2 ) 温度 单元热量由下面的输入和输出来计算： 长波辐射的输入和输出： f a = e a t y t l 4 式中：f a ：长波辐射：e 。：空气或水的发射率；盯：s t e f a n b o l z m a n n 常数 t j ：空气或水温。 表面单元蒸发热损失： f 2 = ( a + b w s ) + ( e o e a ) 式中：f i ：蒸发热损失；a ，b ：常数；e 0 ：饱和气压：e 。：气压 饱和气压以下式计算： e 。= 0 ，7 5 e ( 8 8 6 7 ”1 6 l n ( 式中：t 1 ：空气温度； 空气压： e a = l v 1 0 0 + e 0 式中：l v ：空气湿度； 在空气一水界面上的热传导： f c = ( t l - t w ) 。( i o + w o 式中：t 。：水温。 ( 3 ) 混合方程 横向混合方程： j 里壁查兰! 堂堡堡苎 q 。h = k f ? x w ； 式中：o m ”。n ：横向混合通量；k m j xh ：横向混合常数；w 曲：风速。 纵向混合方程： 绒”= k 。x 畎e “ 式中：q 一“纵向混合通量；k 。州纵向混合常数；k ；：消光系数；d ：水深。 ( 4 ) 再悬浮 巾邶= k 。帆。u x 一) c 。 函m = 0 ( u b ，。 u 。，) 岫。u 。，) 式中：。x - r ：再悬浮通量；k ：常数；u 。晟大沉降速率；u 。m ：临界沉降 速率；c 。_ b ：底层单元的浓度。 最大沉降速率： u “2 面r 丽i t g 函 s 1 n n l z ，z 甜，i 式中：u b m “：h ：波高；g ：波动时间常数；d ：水深；l d ：浅水湖中的 波长。 h ，g 和l d 由以下几个公式计算： t t = 7 5 4 4 4 t a l l l l ( 0 0 7 7 * f f “”) ，l f 1 = t a n h ( 0 8 3 3 + d d 0 3 7 5 ) h h = 她s s 岫c 竿， 。t a r l h ( 0 5 3 + d d 0 7 5 、