（环境工程专业论文）城市大型缓流景观水体循环和水质模拟.pdf

、 摘要 随着经济的发展和城市化进程的加快，人们对于城市景观水体质量的要求也 日益严格。目前城市景观水体面临的最大问题是水体富营养化，其中以城市景观 湖最为严重。首先，城市景观湖没有其它水源的汇入和流出，多为封闭性水域， 水体流动性差，不利于污染物的稀释和扩散，水体自净能力低；其次，城市景观 湖位于城区，受人类活动的影响严重，人类对于城市景观湖的破坏往往大于水体 自身的自我修复能力。 本文以天津市某景观湖为研究对象，通过布点取样，监测景观湖水体水质， 并综合考虑景观湖的自身结构特点，分析该景观湖发生富营养化的可能性。并利 用综合营养状态指数法评价了景观湖的富营养化程度，景观湖处于中度富营养化 状态，其中水体中c o d 的营养状态最高，t p 最低，磷含量是湖水藻类生长的限 制性因子。同时通过对景观湖示范工程循环系统运行实验结果进行分析，得知循 环系统的运行可以有效的改善水体水质。 其次，本文分析了水动力条件对水体中的污染物迁移转化和衰减的影响，并 针对该景观湖的流动特点，建立相应的水力数学模型，并选择适当的求解方式。 为改善景观湖的水力条件，设计了沿景观湖建设循环河道，使湖水通过循环河道， 进行水体循环，从而改变了景观湖原来的滞留、缓流现象；并编写模拟计算程序， 程序中集成了f l u e n t 流体模拟计算，通过程序运行得到一定循环周期下的最佳进 出水口组合和入口速度组合。模拟分析该景观湖循环周期分别为2 5 天、3 0 天和 3 5 天，多点进水和两端进水时的流场分布特征，结果表明多点进水时的年费用 虽然较两端进水时的年费用高，但湖内的平均流速高，滞留区面积小，速度分布 均匀。 最后，使用m i k e 2 1 水质模拟软件，模拟该湖中c o d 、氨氮、t n 和t p 含量 在2 0 11 年五六月份的变化，通过模拟值和实际监测值的误差分析，验证了m i k e 2 1 的可行性和有效性。在景观湖流场模拟分析结果的基础上，模拟七月份景观湖在 维持现状、维持现状补充中水、景观湖循环周期为3 0 天( 多点循环和两点循环 两种情况) 和景观湖循环周期为3 0 天补充中水( 多点循环和两点循环两种情况) 的条件，共6 种工况下湖水中c o d 、氨氮、t n 和t p 的变化情况。并根据模拟 分析结果，提出改善和保持景观湖水体水质，防治湖水发生富营养化的措施。 鬟糊：水体富营养化城市景观湖评价水体循环流场模拟水质模拟 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n ，f o r t h eu r b a nl a n d s c a p ew a t e rq u a l i t y , p e o p l er e q u e s t s e dm o r ea n dm o r es t r i c t l y a t p r e s e n t ，t h eb i g g e s tp r o b l e mo ft h el a n d s c a p ew a t e rq u a l i t yw a st h ew a t e r e u t r o p h i c a t i o n ，e s p e c i a l l yt h eu r b a nl a n d s c a p el a k e a tf i r s t ，t h el a n dh a dn ow a t e rt o i m p o aa n de x p o a ，m o s to f t h el a k ew a st h ec l o s e dw a t e r t h ew a t e rh a dp o o rl i q u i d i t y , w h i c hw a sb a df o rt h ed i l u t i o na n ds p r e a do ft h ep o l l u t a n t ，a n dt h es e l f - p u r i f i c a t i o n a b i l i t yw a sb a d a n dt h e n ，t h el a n d s c a p el a k ew a si nt h ed o w n t o w n ，w h i c hw a s s e v e r e l ya f f e c t e db yt h eh u m a na c t i v i t i e s f o rt h el a n d s c a p el a k eh u m a nd e s t r u c t i v e f o r c ew a sm o r et h a nt h ew a t e r s e l f - p u r i f i c a t i o n i n t h i sp a p e r , w ea n a l y z e do n eo ft h el a n d s c a p el a k ei nt i a n j i n t h r o u g ht h e s a m p l i n gp o i n t s ，m o n i t o r i n gt h el a n d s c a p ew a t e rq u a l i t y , a n dc o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e r i n gt h el a k e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，w em a s t e r e dt h ep o s s i b i l i t yo f e u t r o p h i c a t i o no c c u r i n go ft h el a n d s c a p el a k e a n dw ee v a l u a t e dt h ee u t r o p h i c a t i o n l e v e lu s i n gc o m p r e h e n s i v en u t r i t i o ns t a t ei n d e xm e t h o d ，t h el a k ei nt h em e s o t r o p h e r s t a t e ，e s p e c i a l l yt h ec o di nt h eh i i g h e s ts t a t ea n dt h et pw a sl o w e s t t h ec o n t e n to f p h o s p h o r u sw a st h el i m i t i n gf a c t o r so fa l g a lg r o w i n g a tl a s tw ea n a l y z e dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ec i r c u l a t o r yd e m o n s t r a t i o n p r o j e c ti nt h el a n d s c a p el a k e ，a n d w ek n e wt h eo p e r a t i o no fc i r c u l a t i o ns y s t e mc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ew a t e r q u a l i t y a n d t h e n ，i nt h i sa r t i c ew ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s t ot h et r a n s f o r m a t i o na n da a e n u a t i o n o ft h ep o l l u t a n t si nt h ew a t e r a n dw e e s t a b l i s h e dt h eh y d r a u l i cm a t h e m a t i c a lm o d e lt oc o r r e s p o n d i n gt h el a n d s c a p el a k ea n d c h o i c e dt h ep r o p e rs o l v i n gw a y i no r d e rt oi m p r o v et h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n si n t h el a n d s c a p el a k e ，w ed e s i g n e dt ob u i l d c i r c u l a t o r yr i v e ra l o n gt h el a k ea n dd r i v et h e w a t e rt of l o w , s ow ec o u l dc h a n g et h ec l o s e dw a t e rt o f l o w i n g a n dw ea l s o p r o g r a m e dt h es i m u l a t i o np r o g r a m ，w h i c hi n t e g r a t e dt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c sa n a l y s i s w eo p e r a t e dt h ep r o g r a ma n dg o tt h eb e s tc o m b i n a t i o no fi n l e ta n d o u t l e ta n dt h ei n l e tv e l o c i t yu n d e rc e r t a i nc y c l ep e r i o d t h e nw es i m u l a t e dt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc y c l e p e r i o da n dd i f f e r e n ti n f l o wp a t t e r n t h er e s u l t s h o w e dt h a ti ft h ew a t e ri n l e t e dt h el a k ef r o md i f f e r e n td i r e c t i o nt h ec o s tm i g h tb e h i g hb u t t h em e a nv e l o c i t yw a sh i g h e r , t h ea r e ao ft h es t a g n a t i o nz o n ew a ss m a l l e ra n d t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw a sm o r ee q u a b l y a tl a s t ，t h em i k e 21w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h e c o n t e n to fc o d 仆i h l - n t n t pi nt h el a k e w ea n a l y z e dt h ee r r o rb e t w e e nt h e s i m u l a t i o nv a l u e sa n dt h ea c t u a lm o n i t o r i n gv a l u e s ，i ti l l u s t r a t e dt h em i l 【e 21w a s v a i b l ea n de f f e c t i v e o nt h eb a s eo f f l o ws i m u l a t i o nr e s u l t s t h ew a t e rq u a l i t yi nj u l y w a ss i m u l a t e d ，d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a ss i m u l a t e di n c u l d i n gr e m a i ns t a t e w a t e r c i r c u l a t i o n ，a d d i n gr e c l a i m e dw a t e ra n ds oo n t h ec o n t e n to fc o d n h 3 - n t n 厂r pi n t h el a k ew a ss h o w e d ，a n da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dr e s u l tt h em e a s u r e st oi m p r o v e a n dk e e pt h ew a t e rq u a l i t yw a s s u g g e s t e d k e yw o r d s ：w a t e r e u t r o p h i c a t i o n ，u r b a nl a n d s c a p el a k e ，e v a l u a t e ，w a t e r c i r c u l a t i o n ，f l o ws i m u l a t i o n ，w a t e r q u a l i t y s i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 水体的富营养化 1 1 1 水体富营养化的定义 第一章绪论 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、 磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其浮游生物迅 速繁殖，水体溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。内 陆水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻 类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，若这种现象在海洋 中发生则称为赤潮或红潮。 水体富营养化分为自然条件下的富营养化和人为干预的富营养化。在自然条 件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，进而发展为沼泽，并最终消失， 这也是湖泊的自然发展过程，但是这种自然过程非常缓慢，通常需要以地质年代 或世纪来描述其过程。人为排放含大量营养物质的工业废水和生活污水，使水体 在短时间内迅速积累营养物质，加速水体从贫营养状态向富营养化状态过渡的过 程，使水体富营养可以在很短时间内出现【l j 。 1 1 2 水体富营养化的机理 根据水体富营养化的定义可以知道丰富的氮、磷等营养物质，缓慢的流速和 适宜的气候条件是水体发生富营养化的三个必不可少的条件。除却气候条件是人 为无法控制，不能定量描述之外，水体中的营养物质含量和水动力条件是人类可 掌控的，以下从这两方面阐述水体富营养化发生的机理。 a 1 1 2 1 水体中的氮、磷等营养物质含量对膏营养化的影响 斯托姆曾对藻类的化学成分进行分析研究，提出了藻类的“经验分子式”： g 饰马。，q ，。m 。尸，根据斯托姆经验分子式，计算各元素占藻类分子量的重量百分 比，见表1 1 。 第一章绪论 藻类生长所需要物质的相对含量称为丰度。利贝格( l i e b i g ) 最小值定律指 出：任何一种有机物的产率都由该种有机物所必需的，在环境中丰度最低的物质 所决定。磷在藻类分子量中所占的重量百分比最小，故藻类的生产量主要取决于 水环境中磷的供应量。当水环境中磷供给充足时，藻类可以得到充分增殖；如果 磷供给量受到限制，藻类的生产量就将随之受到限制。 加拿大湖泊研究中心高级研究员瓦伦泰因博士研究了淡水湖泊水生植物的 平均化学元素量的组成后发现，在有植物生长的水环境中，磷和氮的含量最低， 他认为磷和氮是限制水生植物生产量的最主要的营养元素，并对大量的湖泊进行 采样分析和统计( 如图卜1 ) ，结果显示，按叶绿素a 浓度测定的夏季藻类最大 现存生物量和湖泊的总磷浓度之间有着很强的相关性。 图1 1 夏季藻类和总磷关系示意图 加拿大政府在该国湖泊实验区做了一系列的实验，一些基本接近原始状态的 湖泊被用来进行一系列控制性的实验研究，试验中将一些不同的营养物质分别加 入到该区域，另外一些湖泊则予以控制作为比照，不加入任何营养物质。实验结 第一章绪论 果表明，加入了无机磷盐和硝酸盐的湖泊水体，水质很快由原来的贫营养状态演 变为富营养状态，藻类生物量水平具有富营养化湖泊的特征。s c h i n d l e r 等【2 】在加 拿大实验湖区相继开展了两个全湖实验。第一个实验在3 0 4 号湖开展，持续了3 年( 1 9 7 1 1 9 7 3 ) 。施肥之前的3 年，叶绿素a 一般低于o o l m g l 。实验的前2 年， 每年添加5 s g m 2 碳、5 2g m 2 氮和0 4g m 2 磷，结果连续2 年藻类水华发生，叶 绿素a 最高值分别接近0 0 5m g l 和o 1 2 m g l 。第3 年，磷肥停施，碳和氮的添加 率保持不变，水华现象随即停止，叶绿素a 恢复至施肥前的水平。第二个实验在 2 2 6 号湖进行，实验持续了1 4 年( 1 9 7 3 1 9 8 6 ) t 3 】【4 】。该湖呈8 字形，被分隔为基 本相同的南北两个区。在整个实验过程中，南区每年添加6 0 5g m 2 碳和3 1 6g m 2 氮，结果藻类总量基本保持不变，叶绿素a 一直处在o o l m g l 左右。在北区，碳 氮添加率始终与南区相同；前1 0 年每年添加0 5 9 9 m 2 的磷，蓝藻水华持续发生， 第1 1 年后停止磷的添加，结果藻类水华很快停止，叶绿素a 一直低于o o l m g l 。 与第一实验相比，第二实验增加了对照，且持续时间更长。两个全湖实验的结果 完全一致，充分证明：湖泊富营养化的主因是磷而不是碳和氮，只需限磷含量即 可使富营养湖泊得以恢复。从藻类经验分子式和瓦伦泰因博士的实验研究以及加 拿大的湖泊实验都说明了：氮和磷，特别是磷，控制着湖泊藻类的生长，是藻类 生长的主要限制因素。一般认为当水体中的总氮 0 2m g l ；总磷 o 0 2m g 1 时， 水体处于富营养状态。 磷的吸收和藻类生长速率之间的关系，可用曼克里斯梅特 ( m i c h a e l i s m e n t e n ) 营养物质吸收公式： _ d c ：k c( 1 1 ) 冼 。 式中c 藻类浓度； k 一一种类生长速率，k = 与； p + k 。 p 磷浓度； k 一一磷半饱和常数。 k 值包括了光照和其他营养物质的影响，藻类需要光照以便进行光合作用， 而光在穿过湖表面到达湖水内部时，因被吸收而逐渐减弱，水体从表层向内层的 光合作用依次递减，释放氧的能力也逐渐减弱。 环境中的磷主要以矿物磷、动物粪便以及化石等形式存在，经过天然侵蚀或 人为的开采流入水域，短期循环后，大部分的磷流失到海洋，沉底到海底，直到 某些地质活动才会重新回到循环中，但是这个周期往往长达几万年。部分的磷进 第一章绪论 入水体或被生物吸收，在生物死亡以后被硝酸盐细菌将有机磷分解成可溶性的磷 酸盐，进入水体。在大多数情况下，磷循环是一个单向流过程。 图1 - 2 磷循环示意图 1 1 2 2 水体流速对富营养化的影响 以三峡大坝建成对水体流速的影响为例说明流速对水体富营养化的影响。早 在19 9 4 年三峡大坝开建之初，钟成华等【5 】人研究了三峡大坝兴建前后的水动力 学条件的改变对于长江、嘉陵江重庆城区段水质的影响。在嘉陵江重庆城区段平 均流速从之前的0 4 2 m s 降低为0 1 3 m s ，使河流对排入其中的污染物的稀释扩 散能力减弱。三峡水库兴建之后河流的横向扩散系数由原来的0 6 3 m 2 s 下降到 0 1 5 m 2 s ，水体的扩散能力减弱，使污染物在排污口附近形成高浓度区，河流流 速减小，污染物入河之后的纵向对流输送减弱，横向扩散明显，在岸边形成超标 污染带的横向扩散趋势。经过相关的数值模拟得出结论：三峡水库的建成，使水 体流速减缓，并最终导致两江重庆段的水质污染加重。 三峡水库建成之后，刘学斌等【6 】人通过监测三峡库区巫山端干支流水质发 现，大坝蓄水以来在支流下游河段的回水区经常爆发“水华”，但是在营养水平和 气候条件相同条件下的干流却未出现过“水华”现象。干流由于上游来水量较大， 水体流速相对较高，水体交换能力较强，但是支流的来水量较少，并且由于受水 库回水顶托，回水区水体流速很小基本上处于静止状态。 水体富营养化的最具代表性的标志是藻类在短时间内的大量爆发，同时考虑 以水流速度来代表水体水动力特征，研究流速对于藻类生长的影响来代表水动力 因素对于水体富营养化影响。但是目前为止，关于水动力因素对于水体富营养化 影响的研究尚没形成一个统一的观点。 第一章绪论 一部分学者认为，当水体的流速z f 越小，流速对藻类生长影响f ( u ) 就越大， 当流速等于零时，厂 ) 达到最大值1 ；当流速“逐渐变大时，厂( 甜) 值将逐渐变小， 如图l 一3 。 图1 - 3 流速对藻类生产动力影响( 1 ) 然而在实际的实验中发现，流速对藻类的生长影响可能并非如此简单。故又 有一部分学者提出了临界速度的概念，他们认为一定的流速对于藻类的生长是有 利的，因为水体的流动可以使藻类源源不断的获得新的营养物质供应【_ 7 1 。在一定 的速度范围内，水体的流速u 越大，流速对藻类生长影响厂( ”) 就越大，当流速达 到临界速度u 。时，f ( u ) 达到最大值厂( “) 一；然后当流速u 继续增大时，f ( u ) 值 将逐渐变小，如图l - 4 。 图1 4 流速对藻类生产动力影响( 2 ) 1 1 3 水体富营养化的危害 水体富营养化的危害主要表现在以下七个方面： ( 1 ) 降低水体的透明度。在富营养化的水体中，生长着以蓝藻、绿藻为主 的大量藻类。这些水藻浮在湖水表层，形成一层“绿色浮渣”，使水体污浊，透 明度降低，富营养化严重的水体透明度仅有0 2 m ，光很难穿过水体表面到水体 内部，严重影响了水中植物的光合作用和氧气的释放，同时浮游生物的繁殖，大 第一章绪论 量消耗了水中的溶解氧，造成了水中溶解氧不足，而表面植物的光合作用，则可 能造成表面局部溶解氧的过饱和博j 。 ( 2 ) 散发难闻的气味。在富营养化的水体表面生长着大量的藻类，有些藻 类可能会释放出腥臭的气味，藻类死亡后也会散发恶臭难闻的气味。这不仅大大 降低了水体质量，并且影响水体周围的居民的生活。 ( 3 ) 向水体中释放有毒有害的物质。某些藻类( 如水华微囊藻) 能够排泄、 释放有毒的物质，有毒物质进入水体后，若被人类或其它动物饮入体内，则可能 引起肠胃道疾病，危害人类的健康。有研究表明，2 0 0 0 多种蓝绿藻中有4 0 多种 可以产生毒素，通常微囊藻、鱼腥藻、颤藻以及束丝藻很容易产生毒素【9 】【1 0 1 1 1 1 1 。 ( 4 ) 影响水体中的溶解氧。浮游生物的大量繁殖，造成水体内部溶解氧含 量下降，使生活在水体中的鱼类等窒息，同时藻类死亡【l2 1 ，被微生物分解同样需 要消耗水体中的溶解氧，进一步降低氧含量。水体的内部呈现厌氧状态，使底泥 中的氮磷等营养物质向水体中释放，进一步增加水体中的营养物质含量，形成水 体富营养化的恶性循环。 ( 5 ) 增加制水成本。富营养化水中通常含有大量的藻类，当该类水体作为 水源用于生活饮用和工业用水时，水厂需要过滤去除水体中的藻类；同时，富营 养化水体因缺氧产生的硫化物等，增加了水体处理的技术难度，加大了制水成本。 在西方国家，已经禁止将富营养化水体作为饮用水源。 ( 6 ) 打破了水体中的生态平衡。在正常情况下，水体中的各种生物均处于 相对平衡的状态，但是一旦水体被污染呈现富营养化状态，就会打破了原来的平 衡状态，使某些占优势的藻类大量的繁殖，而某些物种则数量减少甚至消失。 ( 7 ) 影响水产养殖和旅游航运。呈现富营养状态的水体表层溶解氧含量过 饱和，内部水体则出现缺氧状态，这对于鱼类生长是不利的，会造成鱼类窒息死 亡。发生富营养化的水体，透明度下降，水体浑浊，藻类大量生长，臭味弥漫， 严重影响湖库的旅游业，以致丧失旅游价值。另外，富营养水体中生长的大量浮 游生物，还会堵塞航道，影响航运。 1 1 4 水体富营养化的治理 富营养化的防治，水体治理的难点在于：导致水体发生富营养化的氮、磷 等营养物质，既有天然源，又有人为源：既有外源性，又有内源性；营养物质 去除的高难度，至今还没有任何单一的生物学、化学和物理措施能够彻底去除水 体中的氮、磷物质。通常将治理措施分为两个步骤：源头控制和水质改善。 根据污染源的来源可以将将水体富营养化的治理分为外源控制和内源控制。 第一章绪论 ( 1 ) 控制外源性营养物质输入：绝大多数水体富营养化主要是由外界输入的 营养物质在水体中富集造成的。故应着重减少或者截断外部营养物质的输入，从 控制人为污染源着手，准确调查排入水体的营养物质主要排放源，监测排入水体 的废水和污水中的氮、磷浓度，计算出年排放的氮、磷总量，为实施控制外源性 营养物质的措施提供可靠的科学依据。 ( 2 ) 减少内源性营养物质负荷：输入到湖泊等水体的营养物质在时空分布上 是非常复杂的。水体中的氮、磷元素可能被水生生物吸收利用，或以溶解性盐类 的形式溶于水中，或经过复杂的物理化学反应和生物作用而沉降，并在底泥中不 断积累，或从底泥中释放进入水中。减少内源性营养物负荷，有效地控制湖泊内 部磷富集，应视不同情况，采用不同的方法。 在实际的水体治理中，根据治理方法的不同可以分为以下三种。 ( 1 ) 工程性措施：包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀以 及在底泥表面敷设塑料等。底泥相当于一个大的营养物质容量库，在截断外部营 养物质输入以后，底泥可能释放原来沉淀在泥中的氮磷等营养物质，增加水体中 的营养负荷。挖掘底泥，可以减少底泥中的营养盐含量，从而消除可能发生的内 源污染。但是必须注意挖掘底泥的深度和地点，因为深层底泥中的可溶性磷以及 氨氮等可能高于表面底泥，挖掘以后会使更多的氮磷释放，使水质恶化【l 引。定期 或不定期对水底进行曝气充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有 氧状态，抑制底泥磷释放。此外，在有条件的地方，可以用含磷和氮浓度低的水 注入湖泊，可起到稀释营养物质浓度的作用。 ( 2 ) 化学方法：主要是指凝聚沉降和化学药剂杀藻。絮凝沉淀，向水体中 投加铁盐或铝盐，使磷酸盐与所投加的化学物质发生反应，生成沉淀而降解下来， 改善水体水质；投加杀藻剂杀死藻类，藻类被杀死以后，水藻腐烂分解仍然会释 放出磷，应该将被杀死的藻类及时捞出，或投加适当的化学药品，使藻类腐烂分 解产生的磷酸盐沉淀。三价铁盐易于磷酸盐反应生成磷酸铁，三价铁离子也可能 发生水解反应而生成复杂的水合络合物： f e 3 + + e 4 一专御q 0 ( 1 2 ) 凡3 + + 3 马d 寸f e ( o h ) 3 + 3 日+ 为使水体中的磷都能以磷酸盐的形式沉淀，应该投加足够量的铁，保证磷酸 铁能够充分生成。多余的铁盐会生成f e ( o h ) ，它可以通过絮凝作用吸附那些不 稳定的扩散状态的胶体，促进水质净化。铝离子与磷酸盐具有特别强的亲和力， 具有跟氢氧根交换的特性。 第一章绪论 例如美国华盛顿州西部的长湖是一个富营养水体，1 9 8 0 年1 0 月用向湖中投 加铝盐的办法来沉淀湖中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天，湖水中的磷浓 度则由原来的6 5 嵋l 降到3 0 g l ，湖泊水质有明显的改善。 ( 3 ) 生物性措施：利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除 水体中氮、磷营养物质的方法。主要包括利用藻类、微生物、高等植物以及陆生 植物重建水生生态环境，恢复水体的功能。目前，有些国家开始试验用大型水生 植物污水处理系统净化富营养化的水体。大型水生植物包括凤眼莲、芦苇、狭叶 香蒲、加拿大海罗地、多穗尾藻、丽藻、破铜钱等许多种类，可根据不同的气候 条件和污染物的性质进行适宜的选栽。水生植物净化水体的特点是以大型水生植 物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，净化污水。经过植物直接吸 收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属分 子也有降解效果。水生植物一般生长快，收割后经处理可作为燃料、饲料，或经 发酵产生沼气。这是目前国内外治理湖泊水体富营养化的重要措施。同时对于富 营养化程度不太高的水体也可以采用生物控制措施。例如德国近年来采用了生物 控制，成功地改善了一个人工湖泊( 平均水深7 m ) 的水质。其办法是每年向湖中 投放食肉类鱼种如狗鱼、鲈鱼去吞食吃浮游动物的小鱼，几年之后这种小鱼显著 减少，而浮游动物( 如水蚤类) 增加了，从而使作为其食料的浮游植物量减少，水 体的透明度随之提高，细菌减少，氧气平衡的水深分布状况改善。但也发现，浮 游植物种群有所改变，蓝绿藻生长量比例增高，因为它们不能被浮游动物捕食， 为此可以放鲢鱼来控制这种藻类的生长。 1 2 湖泊环境及富营养化状况 1 2 1 湖泊的水文过程 湖泊( l a k e ) 是指在陆地上洼地积水形成的水域宽阔、水量交换相对缓慢的 水体。 1 2 1 1 湖泊的水文情势 湖泊的水文情势主要是指湖泊水量平衡、水位及湖泊对河流的调节作用。 ( 1 ) 湖泊的水量平衡 湖泊的水量变化可以用水量平衡方程表示： k + + 坛= k + + 瑶7 + 圪+ a v ( 1 3 ) 式中圪一一单位时间内湖面上的降水量； k 单位时间内入湖的地表径流量； 第一章绪论 坎一一单位时间内入湖的地下径流量； 矿单位时间内湖面的蒸发量； k 7 一一单位时间内出湖的地表径流量； 坎7 单位时间内出湖的地下径流量； 圪一一单位时间内工农业用水量： a v 一一单位时间内湖泊储量变化。 对于闭合的内陆湖泊，无地表径流的流入和流出也没有地下径流量的流入和 流出，所以可以简化为： v x = 圪+ 圪+ a v ( 1 - 4 ) ( 2 ) 湖泊水位 外流湖泊的水位明显受到出入湖的河流的水情控制，但是内陆湖的水量变化 主要是受降雨、降雪和蒸发渗透的影响，水位变化不是很大，水位的年内变幅多 小于外流湖泊。 ( 3 ) 湖泊对河流的调节作用 湖泊对河流的调节作用以洪峰削减量和洪峰滞后时间表示，洪峰削减量越 大，洪峰滞后时间越长，湖泊对河流的调节作用就越明显。但对于内陆湖泊，其 吞吐量并不大，调节作用较小。 1 2 1 2 湖泊的热状况 湖水因吸收热量而增温，观测数据表明，水面表层l m 内吸收的太阳辐射能 达到8 0 左右，其中大部分的热量被最上层的约0 2 m 的水层吸收，形成湖表温 水层，只有5 左右的辐射可以达到水下5 m 深处，1 的辐射可以达到1 0 m 深处， 在湖底层受太阳辐射影响很小。湖表温水层和湖底层之间为热梯度层，在热梯度 层中水深每下降l m 水温降低lo c ，热梯度层的位置和深度取决于表面水层增温 程度和风力，一般在水面以下4 - - 一2 0 m 。 在静水条件下，被晒热的只是很薄的上层，温度日变化只能影响到0 4 m 深 度，但由于水体的对流和紊动，一般湖泊中水温日变化量可达到5 m 深处，年变 化影响可以达到整个水深，如图1 5 。 图1 5 湖泊热分层示意图 - 9 第一章绪论 在夏季，湖表层水受阳光照射，水温升高，由于风浪作用，湖表面完全混合， 温度一致。湖底层的水由于难以接受光照，温度明显低于湖表层。由于水在4 0 c 时密度最大，所以，在夏季，湖表温水层的水密度小于湖底层水的密度，温水在 冷水之上，这就出现了夏季湖水热分层现象，见图1 - 6 。 温度( 。c ) 图1 - 6 湖泊夏季成层作用 在秋季，气候转冷，湖表温水层逐渐散热，湖水温度下降，与湖底水温逐渐 趋于均匀一致，热分层消失，湖水完全混合。 在冬季，温度低于4 0 c 的水浮于4 0 c 之上，出现湖表层水温低于湖底层水温， 与夏季热分层恰恰相反，见图1 7 。 图1 7 湖泊冬季成层作用 在春季，随着气温的升高，湖表层水温度逐渐升高，与温度较低的湖底层水 达到完全混合f l 引。 湖泊的热分层效应，使得湖泊水体的表层水在夏季光照充分，温度较高，这 时若水体中的营养物质充足，藻类的光合作用加强，生长旺盛，藻类大量繁殖； 同时，夏季热分层现象造成湖底层呈现缺氧状态，很容易导致底泥的磷释放，造 成内源性磷增加。秋季由于湖表层和湖底层的混合效应，使得底泥释放的内源性 第一章绪论 磷到达湖表层，提高了湖表层水中的磷浓度，为第二年的藻类大量繁殖提供了营 养物质，使得湖水有可能继续保持富营养状态。 1 2 1 3 湖泊的水体运动 湖泊虽然属于流动缓慢的滞留水体，但是在风力、水力坡度力和密度梯度力 以及气压等的作用，湖水总是处于不断运动的状态。湖水运动是湖泊的重要特征 之一，它直接关系到湖泊中物质、能量的输送与转换，以及湖泊与外界的物质能 量的交换和转移。湖水运动是湖泊中一切物理因子变化的基本动力条件。 湖水运动具有周期性升降波动( 如波浪和波漾运动) 和非周期性的水平流动 ( 湖流、风浪、混合等) 两种形式。湖水运动是湖泊最重要的水文过程，其影响 着湖水的物理性质、化学成分和水生生物的分布与变化。一般将湖泊水运动分为 两种。 ( 1 ) 湖水的混合 湖水的混合是指湖中的水体在不同水层之间相互交换的现象。湖水的混合过 程中，湖水的热量、动量、质量以及溶解质等，从平均值较大的水域向较小的区 域转移，使湖水表层吸收的辐射能以及其他理化特性传到深处，并使湖底的营养 盐传到表层，结果使湖水的理化特性在垂直及水平方向上均趋于均匀，从而有利 于微生物的生长。 湖水的混合方式有因风力和水力坡度力引起的紊动扩散和因水体密度引起 的对流扩散。 ( 2 ) 湖泊波漾和增减水 湖泊整体或局部水体由于风力、气压突变等影响，发生周期性的摆动称为波 漾。风涌水是波漾的主要原动力。当湖泊的风涌水是由于强风或气压骤变引起的 漂流，使迎风岸水力聚集，背水岸水量下降形成增减水。 湖水的运动是各种力相互作用的结果，但在许多情况下少数特定的力起着支 配作用。由风力引起的湖流最为普遍。当风速超过2 - 3 m s 时，由于垂直摆动指 数衰减所引起的波浪的涡动压力，其最大值出现在接近湖水表面处，因而产生不 稳定性，并瞬即分散向下成为对流型，这种方式使风的能量通过表面波的能量转 变为紊动。 1 2 2 湖泊富营养化状态 在湖泊方面，存在的最大问题就是水体的富营养化现象。目前，无论是发达 国家还是发展中国家，都存在着不同程度的湖泊富营养化问题。如日本的琵琶湖 受到城市和农业发展的影响，富营养化现象极为严重，尽管采取措施使水质有所 第一章绪论 改善，但是仍没有从根本上解决问题。瑞典南部的t r u m m e n 湖由于流域内人口 大量增长，生活污水和工业废水排入湖内，造成了严重的蓝绿藻水华，经过多年 的湖底清淤，虽然没有再次发生水华现象但是从监测结果来看，即使投入了大量 的资金，但是水体的生产力依然较高。美国华盛顿湖由于污水入湖引发了湖水的 富营养化，美国政府通过在湖周围铺设管道防治污水入湖，消除了华盛顿湖的富 营养化现象，但是却将污染转移到了伊利诺斯河和密西西比河下游，使河水的水 质下降【15 1 。 根据2 0 1 0 年中国环境状况公报，可以看出当前我国湖泊水质污染问题十分 严峻，水体富营养化程度非常严重，见表1 2 。2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中， 满足i i 类水质的1 个，占3 9 ；i i i 类的5 个，占1 9 2 ；类的4 个，占1 5 4 ； v 类的6 个，占2 3 1 ；劣v 类的l o 个，占3 8 5 。主要污染指标为总氮和总 磷。营养状态为重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的2 个，占7 7 ；轻 度富营养的1 1 个，占4 2 3 ；其他均为中营养，占4 6 2 【泊】。我国湖泊的富营 养化水平特征为：五大淡水湖营养物质浓度高，普遍面临富营养化；大多数中型 湖泊因总氮、总磷接近或超过富营养化的临界标准而处于富营养化状态，个别湖 泊达到了极度富营养化状态；城市湖泊尤其是不受河流直接补给的封闭城市内 湖，由于人类的过渡开发利用和人类活动的影响，水体严重富营养化或极度富营 养化。 表1 - 22 0 1 0 年重点湖库水质类别 其中作为浅水湖泊代表的太湖，水质总体为劣v 类，处于轻度富营养化状态， 2 0 0 7 年太湖蓝藻爆发，水体变黑发臭，引发了周围地区严重的水危机，受到了 世界的普遍关注。城市内湖中水质均处于类或类以下水平，其中昆明湖为中 度营养状态，东湖、玄武湖、大明湖和西湖为轻度营养状态。从以上的数据中可 以看出我国湖泊富营养化问题十分突出。 第一章绪论 1 2 3 城市景观湖泊的特点 相对于大型浅水湖泊，城市内的中小型浅水湖更加脆弱。城市景观湖相对封 闭，流速较缓，湖体置换周期长，不利于污染物的扩散稀释；城市景观湖处于城 区，或被街区包围，或在住宅小区中，受人类活动的影响严重，人类对于城市景 观湖的破坏远大于自然湖泊，特别是无河流补给的封闭城市内湖，大量的城市污 水排入湖内，湖体接纳的污染物负荷远大于湖的自净能力，生态脆弱性相当显著。 近几年来城市景观湖的建设得到了快速发展，主要有以下几个原因： ( 1 ) 改善环境、吸引旅游与投资。例如天津市内的水上公园，以水取胜， 目前已经成为天津市十大景观之一。 ( 2 ) 为提升楼盘品质，适应人们对居住环境质量的高要求，房地产开发商 也往往将人居小区景观水体的布设作为配套建设的重点。水景住宅的风靡是城市 景观湖泊被开发的重要原因之一，水景住宅是居住环境的发展趋势和追求高生活 品质的必然。 但是在发展的过程中也出现了不少的问题，如重形式轻内涵，过分追求形式， 贪大求洋，生搬硬套，景观造型过于欧化，缺少文化内涵和地域特色，有悖传统 理水造景理念；重人工轻自然，水景设计建造未能很好的利用原有的自然特点， 忽视天然的优势，如有的人工湖采用混凝土垫底和人工驳岸，即生硬又难于亲水， 并且阻断了水体的自然优势，破坏了原有的水生动植物系统的生态环境；重投资 回报，轻实用经济和后期维修治理，开发商只重视增加楼盘的卖点而一味强调美 观，却忽视水景建造的经济性及水电费用，以及后期的维护和治理，导致后期停 用和节日亮相，有的则被污染和水体富营养化，水质变差，失去原有的观赏作用， 甚至蚊虫滋生，只能耗资重新治理，增加了费用成本。 如此的景观水体一般在一定时间内( 如建成初期和节日) 起到了美化环境、 吸尘、降噪、调节小气候等作用，但是由于补给水源带来的污染物或封闭水域的 蒸发、渗透，以及周围人类的生产生活的影响，水体水质变差，再加上水体原有 的自净能力并不高，经过一定时期，水体浑浊，发黑散发臭味，失去了原有的功 能，反而破坏了社区乃至城市的环境，为市民所诟病。另外，即使有的水体采取 了截污、清淤、饮水换水等措施，但由于缺乏整体性，相互协调不力，往往收效 甚微。 1 3 本课题主要研究内容 城市景观湖的富营养化是目前景观水体存在的主要问题，藻类的爆发是生态 系统对富营养化的最直接和明显的响应。目前由于政府在污染源控制方面的力度 第一章绪论 越来越大，基本上截断了水体的外源污染。但是由于长期的营养积累，目前很多 景观水体己经处于富营养化状态或临近富营养化状态，这就涉及到如何改善和保 持水体水质。本文的研究着重从景观湖流速出发，通过流场分析和水质模拟，最 终归结到水质的改善和保持。 在本文中以天津市某景观湖为研究对象，通过监测水体中的c o d 、t n 、t p 、 氨氮等物质的含量，并结合当地的地理和气候条件，分析水体产生富营养化的可 能性。在相关的计算流体力学分析软件的基础上，进行改进和创新，设计相关的 模拟计算程序对大量水体循环方案进行自动筛选，最终得到一定条件下的最佳循 环方案，并对该方案进行相关的水质模拟，验证该循环方案是否能够起到水体水 质改善和保持的效果，并最终提出景观湖水体水质改善和保持的相应方案。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 监测景观湖的水体水质，测定水体中的c o d ，t n ，t p ，氨氮等指标， 分析水体发生富营养化的可能性； ( 2 ) 对景观湖进行水动力模拟，分析比较不同的循环方式下，湖内流场分 布特点： ( 3 ) 根据流场分析结果，对景观湖进行水质模拟，分析在一定的水动力条 件下景观湖水体水质变化趋势。 第二章景观湖水质分析和富营养化评价 第二章景观湖水质分析和富营养化评价 2 1 景观湖基本状况 2 1 1 景观湖的地理位置和气候条件 本文所研究的景观湖位于天津市南部，地理位置介于北纬3 8 0 3 4 至4 0 0 1 5 7 ， 东经11 6 0 4 3 至1 1 8 0 0 4 之间，地处太平洋西岸环渤海湾边，受季风环流影响显著。 冬季在蒙古冷高气压控制下，盛行偏北风；夏季受西太平洋副热带高气压控制， 多偏南风。天津气候属暖温带半湿润大陆季风型气候，有明显由陆到海的过渡特 点：四季明显，春季干燥多风，夏季高温高湿多雨，秋季冷暖适宜，冬季寒冷少 雪：降水不多，分配不均，年平均降水量为5 5 0 6 8 0 m m ，夏季降水量约占全年 降水量的8 0 ，且多集中在7 、8 月份；季风显著，日照较足；地处滨海，大陆 性强。年平均气温为1 2 3o c ，7 月最热，平均气温可达2 6 0 c ；1 月最冷，平均