（环境工程专业论文）城市浅水湖泊二维水量、水质耦合模型应用研究.pdf

摘要 城市浅水湖泊作为城市基础设旋的组成部分，在城市生态环境中起着重要的作 用。随着城市化进程的加快，城市浅水湖的水环境不断恶化，湖泊水环境治理刻不 容缓。开展城市湖泊水环境整治规划是指导水环境治理的前提和关键，而湖泊水环 境模拟研究是规划中的一个重要技术手段。 本文针对城市浅水湖泊富营养化加剧现状，结合w a s p 5 模型中有关氮和磷的循 环机理，并将该机理写入已有的二维浅水流体水量模型中加以耦合，应用在无结构 网格下的有限体积法与黎曼近似解求解的方法，求解湖泊在外驱动作用下的湖泊水 动力和水质因子氮和磷的变化。 本文以玄武湖为研究对象，模拟湖泊水动力变化特征以及富营养化因子的变化 模拟。在对模型进行合理分析后，分别实施了三种引水方案，从各个方案的模拟结 果可以看出，玄武湖富营养盐( 总氮、总磷) 的浓度在经过各种引水的条件下的浓 度较引水前有所降低。 为了进一步研究，在确定一个最好的引调水方案后，将引水能力加大，以研究加 大进水量条件下的玄武湖的总磷、总氮的浓度变化情况：另外，还研究了风场对玄 武湖的总氮、总磷的浓度变化的影响。 关键词： 城市浅水湖泊、水环境、数值模拟、总磷、总氮、风场 a b s t r a c t a so n eo ft h ec o m p o n e n t so ft h eb a s i ce s t a b l i s h m e n t s s h a l l o wl a k ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l e 洫t h ec o n s t r u e t i o no f e c o l o g i c a le n 们r o n m e n ti nt h ec i t i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f u r b a n i z a t i o n ，t h ea q u a t i ce n v i r o n m e n to fs h a l l o wl a k e h a s b e c o m ew o r s ea n dw o r s e t h e r e f o r e i ti sh i g ht i m et ot a k es o m e m e a s u r e st oa m e n dt h ea q u a t i ce i l v i r o n m e n t t h e r ea r em a n y p l a n si ni m p r o v e m e n to ft h ea q u a t i ce n v i r o n m e n t a m o n go f t h e m s i m u l a t i o no ft h ea q u a t i ce n v i r o n m e n ti sa ni m p o r t a n t m e a s u r e i nt h i s p a p e r ，t w od i m e n s i o n a ls h a l l o wn o w p o l l u t a n t s c o u p l e dm o d e l ，w h i c ha p p l i e su n i n s t r u c t e dg r i df i n i t ev o l u m e m e t h o da n dr i e m a n na p p r o x i m a t es o n e r i su s e dt or a i nt h e v e n do fh y d r o d y n a m i c sa n dw a t e rq u a l i t y ( t na n d t p ) c h a n g e u n d e rt h ec o n d i t _ i o no f d r i v i n gf o r c e m e c h a n i s m o f n i t r o g e na n d p h o s p h o r o u s c i r c l eo fw a s p 5i sc o n s i d e r e di nt h ew a t e r q u a l i t v p a r t o ft h em o d e l a c c o r d i n g t on u t f i t i o na c t u a l i t vo fs h a l l o wl a k e i nt h ec i t i e s x u a n w ul a k ei so b j e c to fr e s e a r c hi nt h i sp a p e r m o r e o v e r ， t h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o d y n a m i c sa n dn u t r i t i o n a l f a c t so fx u a n w ul a k ea r es i m u l a t e di nt e r m so ft h r e e t r a n s p o r t a t i o ns c h e m e s a s c a l lb es e e nf r o mt h er e s u l t s ，t h e r e l a t i v ef a l lo fn i t r o u s c o n c e n t r a t i o na n d p h o s p h o t i c c o n c e n t r a t i o n ，a r ee d u c e da f t e rt h a ta l ls i m u l a t ef i g u r e sa r e a n a l y z e dr a t i o n a l l y t h e c h a n g et r e n d o f h y d r o d y n a m i c sa n dw a t e rq u a l i t y t n 、 t p ) i sr e s e a r c h e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fd r i v i n gf o r c eb o t h i n c r e a s e dt r a n s p o r t a t i o nw a t e ra n dw i n df i e l d c o n s i d e r e di n o r d e rt of a r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ： s h a l l o wl a k ei nt h e c i t y ，a q u a t i ce n v i r o n m e n t ，n u m e r i c s i m u l a t i o n ，t n ，t p ，w i n df i e l d 刚舌 我国是一个多湖泊的国家，湖泊的水环境问题是国家一直关注的重点问题，而 由于城市浅水湖泊独特的地理位置和它在城市基础设施中的地位，使得城市浅水湖 泊在城市生态环境中起着举足轻重的作用，并且，随着大众生活水平的提高，随着 城市化进程的加快，城市浅水湖泊的环境问题的治理刻不容缓。采用合理、有效的 数值模拟方法对湖泊的水环境指标以及动力因素进行模拟也是十分重要的手段。 本文以城市浅水湖泊为研究对象，在原有的二维水量模型的基础之上，利用美 国国家环保局环境研究实验室开发的w a s p 5 模型中有关氮和磷的循环原理，自编水 质模型，合成二维水量、水质耦合模型。由于城市浅水湖泊的流速较小，湖周围相 对封闭，湖体本身的置换周期很长，本文以南京市玄武湖为例，重点研究的内容是： 玄武湖在不同引水、排水方案下以及在对比有、无风场条件下的水动力的变化情况 和湖泊在引水1 0 日、2 0 日的总磷、总氮浓度场的变化情况。本论文的研究具有明 确的物理意义、概念清楚、原理详尽，因此本论文的研究为城市浅水湖泊的引调水 工程方案的实旋提供理论依据，具有指导意义。 本人在1 9 9 4 年至2 0 0 2 年之间一直从事水文水资源利用的工作和研究，自2 0 0 2 年以来就读于河海大学环境科学与工程学院的环境工程专业，在导师汪德燧教授的 悉心指导下，开始从事水环境规划、水环境数值模拟以及水生态等方面的研究与应 用工作。平时由于本人对计算机的爱好，非常注意提高计算机方面的学习，并应用 于本论文的研究以及其他的科研项目之中。 学位论文独创性声明： 本人历呈交的堂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) ： ( 注：手写亲笔签名) 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) ： ( 注：手写亲笔签名) 年月日 城市浅水湖泊二维水量永质耦合模型应用研究 1 绪论 1 1 问题的提出背景及研究的意义 水体富营养化是当今世界面临的一个严重的环境问题。在我国大于l k m 2 的 2 3 0 0 多个天然湖泊中，2 4 介于富营养化与高度富营养化之间，3 2 介于中营养化 与富营养化之间。从世界范围来说，3 0 4 0 的湖库遭受不同程度影响。产生富 营养化的过量营养物将导致一系列问题，如分泌毒素藻华的产生、氧的减少、鱼 的死亡、生物多样性的丧失、水生植物床和珊瑚礁的失去，此外，营养物的富集使 水生生态系统严重退化，以饮用、工业和农业生产、娱乐等为目的的水的使用也 受到损害。由于富营养化危害大，世界上许多国家投入了大量资金予以治理。我 国也把滇池、太湖和巢湖作为治理的重点。尽管采取了各种措施减少了水体外源 磷的输入，但湖泊水库的水质恶化并未得到有效的控制，特别是城市湖泊，由于 地处城区，被街区包围，大量城市废水入湖，造成水体严重富营养化( 总磷、总 氮浓度异常高，透明度很低，水体叶绿素a 极高) 。这归因于底泥向水体释放的 营养物质，特别是氮、磷。因此，改变湖泊水环境恶化问题是我们面前需要解决 的首要问题。 改善湖泊的水环境恶化的现状，必须首先对湖泊的形态、水环境变化的各个 特征进行深入、细致的研究，这样就可以知道人们在社会进步和发展过程中更合 理的开发和配置有效的资源，从而达到合理应用湖泊资源、保护湖泊水环境，以 维持生态平衡。 开展湖泊水环境系统综合研究的手段是多种多样的，其中重要的手段之一就 是确定性的数学模型，该方法的优点就是建立在物质守恒、能量守恒以及对流一 扩散原理的理论基础之上，具有十分明确的物理意义，能精细而全面的模拟水体 流动、耗费的人力、物力较少、不受时间的限制、可以完全自由的改变或控制流 体性质等。 对于研究湖泊富营养化这个环境问题。由于磷、氮是湖泊富营养化最常见的 限制性营养盐，研究湖泊的磷、氮负荷已经成为许多湖泊富营养化治理的基本条 件之一。随着环境管理的不断完善，湖泊外源磷、氮的输入逐渐得到了控制，内 源磷、氮的释放就显得尤其突出。湖泊中磷、氮的内源释放是涉及湖泊物理、化 城市浅水湖泊二维水量水质耦合模型应用研究 学、生物过程的极其复杂的过程。园此，利用数值模拟的方法来模拟富营养盐在 浅水湖泊中的分布，有必要利用较成熟的氮、磷循环理论( 本文采用w a s p 5 ) ， 建立二维的水量、水质耦合模型，以便更有效的模拟湖泊的水量、水质变化情况， 进行定量的模拟和预测。 1 2 浅水湖泊数值模拟的研究进展 浅水湖泊数值模拟距今有4 0 多年的历史，随着计算机的普及，数值模拟技 术越来越成熟。水动力数值模型已经从零维模型、维模型、二维模型发展到三 维模型；湖泊水质模型从以往的单一的有机污染物模拟发展到复杂的富营养化物 质的生态模拟，而湖泊的富营养化问题的研究目前显得尤为突出。 1 2 1 湖泊的水动力数值模拟的研究进展 水动力学过程决定着水体内部各种物质和能量的输移转化过程，在很大程度 上决定着水质的宏观变化过程，是研究和掌握湖泊水质变化规律的关键之一。与 湖泊的动力直接有关的主要有水的来源、湖泊的吞吐量、湖泊中的水团运动( 主 要划分为密度流、吞吐流和风成流) ，另外，温度也是影响水动力学的重要参数， 它可以通过各种途径影响湖泊的物理化学和生物过程。湖泊水动力学研究的方法 主要包括野外观测法、数值模拟法、物理模型模拟等等“1 湖泊的数值模拟可以追 溯到上个世纪7 0 年代，加拿大内陆研究中心、美国陆军团水道实验站、日本琵 琶湖研究中心等研究机构和知名专家利用数学模型对世界上许多著名湖泊( 包括 北美的安大略湖、伊利湖、日本琵琶湖) 的流态进行数值模拟。利用数值模型 对湖泊的流态进行模拟已经有3 0 年的历史，很多研究人员在此方面做了相当多 的研究，取得许多可借鉴的成果0 3 。 浅水湖泊水动力学模型分类：零维模型、整层积分的二维模型、多层积分的 准三维模型和三维模型。 零维模型 零维模型的应用有其一定的适用范围，对于湖泊，当污染物浓度的空间差异 可以忽略不计的时候，可以将所研究的环境单元视作一个污染物能在瞬时分散到 2 城市浅水湖泊二维水量水质耦台模型应用研究 空间各部位的连续流完全混合反应器 整层积分的二维模型 第一个提出二维模型的是h a n s e n ( 1 9 6 5 ) ，主要是用来计算浅水海域的水位 变化过程和潮流。1 9 6 7 年l e e d e r t e s 开发了计算河口、海域水流流态的二维模 型。后来，g a l l a g h e r ，l i g g e t t a t a l 在1 9 7 3 年建立了二维风成流的数学模型“1 。 在我国研究湖泊水动力数值模拟的工作开展的较晚( 上世纪8 0 年代) 。1 9 8 6 年， 吴坚首次设计了整层积分的二维浅水动力学模式并应用与太湖，得到太湖风成 流、风涌增减水等有意义的成果。1 。1 9 8 7 年，王谦谦用二维差分格式模拟定常风 下太湖风声流的各种特征“1 。1 9 8 3 年，刘启俊以守恒形式的二维水动力学为基础， 模拟了太湖梅梁湾处在各种风应力作用下的湖流运动规律”1 。1 9 9 6 年，吴柄方等 用二维非恒定流模型模拟了洞庭湖湖流运动规律和风力对湖流的影响作用”3 。李 锦绣在1 9 9 6 年“八五”期间，利用二维风声流数值模型，对滇池进行了数值模 拟研究，得出了有意义的结论。二维模型发展至今，已经比较成熟，并广泛应用 实际工程。但是，二维模型也有自己的不足之处是无法得到垂向的流速分布，对 湖泊表面风应力及地表摩擦项常用半经验公式求解。 多层积分的准三维模型 1 9 7 3 年s i m o n 提出了大面积湖泊环流的多层模式，在实际应用中将湖泊水 体沿水深分成4 层，然后再将各个层分别处理成二维模型“，这种模式又称分层 模式，并得到广泛的应用。1 9 9 1 年。姜家虎用一个二维分层积分和二维整层积 分系统探讨了滇池环流生成机制。1 。2 0 0 0 年杨具瑞等人将三维问题“二维”化的 分层迭代计算方法应用于滇池，得到成功应用“。分层模式的优点：是种简化 的三维模式，推广了二维模式，简单；缺点：多层模式粗糙，层数的增加受到一 定的限制，层之间受到引入内摩擦系数，且该系数没有固定的数值，很难精确设 定，对不透水层的假定会使得当流动存在明显的上升或者下降的时候导致计算的 失稳等等。 三维模型 d a v i e s 在1 9 8 2 年至1 9 8 3 年间开发计算了分层流的三维模式、s i m o n l 9 9 5 年 又开发了大湖风声环流的三维模式。另外，国内也有许多这方面的研究，并在湖 泊水动力数值模拟中有了很大的进展，主要集中在太湖这种大浅水湖泊。梁瑞驹、 城市浅水湖泊二维水量水质耦台模型应用研究 濮培民在1 9 9 4 年建立了太湖风声沉的三维数值模拟，逢勇、濮培民1 9 9 6 年也 开展了太湖风声流的三维数值模拟实验“；黄平1 9 9 7 年对武汉市墨水湖的风声 流进行数值模拟“；1 9 9 8 年朱永春、蔡启铭1 9 9 8 年对太湖梅梁湾进行三维水动 力研究“：胡维平、濮培民1 9 9 8 年对太湖开展了风声流及风涌增减水的三维数 值模拟研究1 。虽然三维模拟能够较真实的反映实际的水流，但是由于对三维模 型的探索尚处于初级阶段，因此，将三维模拟应用于实际的工作中仍存在差距。 1 2 2 湖泊富营养化数值模拟研究进展 营养盐模型 上个世纪7 0 年代后期，联合国经济合作与开发组织( 简称o e c d ) 通过对 世界上近2 0 0 个湖泊广泛而严密的监测研究，目的是为了防止湖泊富营养化，进 一步组织和协调了湖泊富营养化的合作研究。该研究结果表明：湖水中总磷、 总氮受到外源影响很大，且呈正相关的关系：湖水中总磷浓度与藻类生物量的 代表性参数叶绿素a 之间也存在着明显的正相关关系；湖水中总磷的年平均浓 度与湖水的透明度之间存在明显的负相关关系。在湖水总磷浓度与各水质参数 之间存在的相关关系理论依据的基础之上，联合国经济合作与开发组织还提出 了湖水总磷浓度的计算模型，计算方法是根据加拿大人v o l l e n w e i d e r 于1 9 7 5 年提出的湖水中总磷浓度的模型方程“”“6 ”1 进行计算的。该模型被称为“简单 的沉积模型”。然而，模型是必存在不足之处：首先，模型未与湖水前期浓度相 联系。这对换水速度缓慢而总磷来源发生重大变化时的湖泊，会产生较大的误 差；其次，模型只能求得均匀混合型湖泊总磷的平均浓度，而无法反映大型湖 泊污水入湖的总磷浓度分布的时空差异；再次，在计算湖水中的总磷浓度时， 这些模型没有考虑底泥与水体界面的磷交换过程，所以在计算总磷浓度时肯定 会产生误差；再次，它们都不是动态模型，同时假设测定的营养盐含量或生物 量与营养盐负荷之间存在一种直接的关系；这些模型能够估测目标磷的负荷量， 但它们不能预测湖泊对藻类生物量的季节性变化和不同管理措施的响应；最后， 它们并没有反映两种或更多种营养盐之间的相互作用“”“”。其中，尤其以未考 虑底质与水体界面的磷交换过程为这类模型的最大缺陷。许多研究表明，在有些 湖泊中属泥是湖泊水体中磷的主要来源之一。”“”。因此，如何量化底泥与水体 4 城市浅水湖泊二维水量水质耦台模型应用研究 界面的磷交换过程就成了湖泊富营养化营养盐模型研究的重点。如l a r s e n 等人 和w e l c h 等人对v o l l e n w e i d e 公式进行了修改。”，使其包括了一个恒定的底泥 磷释放速率。该模型可以预测湖泊恢复健康的初始时间，但用于长期模拟时， 它也具有一定的局限性，因为随着时间的改变，释放磷的速率会减小。a h l g r e n 已经证实n o r r v i k e n 湖在底泥负荷减少以后，底泥释放磷的速率也会随之减小 。“。为了更加直接地表述底质动态变化对湖泊磷负荷的影响，一些学者在他们 的模型里增加了一个底泥模块单元，如l o r e n z e n 和l o r e n z e n 等人构建了一个 底泥一水相互作用的二单元总磷模型“”，尽管该模型能较好地模拟底泥对湖泊磷 浓度的形象，但它还有几个难以克服的缺点：( 1 ) 从未构建任何估算模型参数 的清晰程序：( 2 ) 磷的加速反馈机制是否与厌氧湖泊底部水体有关仍不明确； ( 3 ) 假设底泥一水相互作用发生在整个湖泊底部是不正确的。为了克服以上模 型的不足，k a m p 等人对l o r e n z e n 模型做了一些改进，构建了一些更具机理性 的模型，这些模型通常参数较少，一般可以通过实验测定来获得“，模型作了 一些改进，沉积作用被描述为一个多层次系统”，但是增加了该模型的复杂性。 为了使模型简单些，s t e v e n 等人构建了一个更简单的模型，该模型由两部分组 成：总磷计算模型和均温层氧气模型。它可以预测一个湖泊对于磷负荷改变的 长期反应，也可用来计算湖水的总磷浓度和均温层中氧气的含量，同时考虑了 底泥与水之间的相互作用。该模型对上面的模型做的改进有：( 1 ) 所有的沉积 过程只发生在表面沉积区而不是整个湖泊底层：( 2 ) 由于底泥总磷浓度和磷释 放之间存在正相关性，所以在计算底质磷释放量对用总磷浓度代替可交换性磷 浓度；( 3 ) 由于埋藏而产生的磷损失量被模拟为底质总磷浓度的函数；( 4 ) 物 质循环转移速率v 。并不是恒定，它是均温层中溶解氧的函数3 。 目前，湖泊富营养化磷模型很多，它具有简单、使用方便和易于理解等优 点。但它也有自身难以克服的缺点，如把磷视为限制性营养元素是不科学的， 通常在湖泊生态系统中多种养分是湖泊水生生物生长的限制性元素：同时它还 不能反映湖泊生态系统的动态发展过程。底质与水界面之间养分交换过程仍然 是今后湖泊富营养化研究的难点和重点。“。 浮游植物生态模型 浮游植物大量繁殖是湖泊富营养化的主要特征之一。运用生态模型模拟浮 城市浅才( 湖泊二维水重水质耦台模型应用研究 游植物的发生、生长和繁殖规律对于全面预测湖泊生态系统的结构和功能的改 变有着十分重要的意义。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 律来模拟浮麝植物的生长。 组成浮游植物的元素主要包括碳、氧、氢、氮、磷等。李比希的最小因子 定律表明任何有机体的生长量是由最缺乏的养分因子决定的。然而在实际环境 中，浮游植物的生长可能受到不只一种元素的限制。已有学者证实浮游植物群 落处于一种非平衡状态，即在同一限制性营养物质浓度水平下，浮游植物中并 不是所有藻类种群都表现出对这种营养物质的缺乏8 “。在m o n o d 模型中表达了 稳态条件下种限制性营养元素与浮游植物生长的关系。而d a mm 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”。然而，不同模 型中这三种元素之间的相互关系的描述各不相同。上面模型都假定在浮游植物 体内n 、p 、c 的含量比例是恒定的。但实际上浮游植物的组成并不是恒定的， 它在某一程度上反映了水中各种物质的含量，比如说，如果水中磷( p ) 含量很 高，那么浮游植物将吸收更多的磷，这叫“奢侈吸收”。已经证实至少在高度富 营养化湖泊中必须考虑浮游植物体内各种营养盐含量比例关系的改变5 。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联系 起来，建立了d r o o p 模型。实验室培养实验和野外调查结果证实，它适用于大 多数限制性营养盐条件，将其作为管理模型使用时，还需要考虑细胞内部营养 库物质平衡以及物质交换对内部营养库的贡献o ”。d it o r o 在建立e r i e 湖浮游 植物和营养模型时认识到这一问题，他认为既然细胞营养吸收过程比细胞生长 时所需营养的消耗快得多，那么当营养盐浓度变化速率比细胞生长速率慢时， 细胞与外界环境保持相对平衡。因此，浮游植物与营养盐可利用之间的季节性 变化关系，可用简单的m o n a d 方程表达。野外试验成功地表明，使用m o n o d 模 型所得到的结果与使用复杂的d r o o p 机理模型所得到的结果相一致。d r o o p 模 型的主要缺陷在于，它将藻类生长描述为细胞生理特征，其实藻类生长是细胞 内外环境的综合反映1 。 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 城市浅水湖泊二维水量水质耦合模型应用研究 率与环境因子及细胞本身的内环境有关。单位水体通过一定时间有机物质合成 的数量受到藻类叶绿素含量、光强、营养盐和温度等多种条件的制约( 屠清瑛 等，1 9 9 0 ) 。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，利用米 氏方程建立了模型。“。n y h o l o m 则考虑了内部因子与浮游植物光合作用的关系， 他们认为磷( p ) 是光合作用的主要限制因子，从而建立了浮游植物光合生产量 预测模型。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 l e 方程研究了 蓝藻和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o 。还有p a t t e r n e t a l ，l a r s e n e t a l ，j a n s s o n a n d e r s o n 都建立了不同的浮游植物光合作用计算模型。另外，国外有些学者 通过不断测定水体中溶解氧的含量来估算水体的初级和净生产力，溶解氧自动 测定装置问世使在一个较长的时期内通过测定水体中的溶解氧来研究水生生物 群体的初级生产力和氧气消耗成为可能”“。 目前浮游植物模型还需进一步完善。特别是对于一些空间上跨度很大的湖 泊，通过把多级浮游植物、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。模拟湖泊对养分 负荷的响应也必须考虑悬浮底质和沉水植被，它们在富营养化湖泊养分循环中 扮演着重要的角色o “。所以，生态一动力学模型才是湖泊富营养化模拟模型研究 的主流。 湖泊富营养化生态一动力学模型 生态一动力学模型与磷负荷模型一样，也是为了研究湖泊富营养化发生的机 理，并对其发展趋势作出预测。但它与磷负荷模型具有本质的区别，它的主要 特点是：首先，考虑了生态系统中营养物随时间和空间的变化：其次，详细地 描述湖泊中生物的和化学的变化过程；最后，与磷负荷模型比较，它考虑了更 多种因素变化的影响。在生态一动力学模型中，空间的变化通常用水动力学公式 来描述；而生态一地球化学过程由生物的和化学的过程描述( 影响因素包括碳、 氮、磷、硅、硫、氧、光照等) 。生态动力学模型一般包括三个营养级( 浮游植 物、浮游动物和鱼) 与各元素( 如碳、磷、氮) 有关物理、化学与生物变化过 程，在一般情况下，这一变化过程可用磷循环子模型、氮循环子模型和碳循环 子模型等来描述。1 9 7 6 年，g l u m s e 生态一动力学模型被提出，为以后的模型研 城市浅水湖泊二维水量水质耦合模型应用研究 究打下了坚实的基础。此模型共1 7 个状态变量，包括整个食物链同时还考虑了 硅藻细胞内的养分，这对于富营养化的浅水湖泊来说非常有必要，同时氮、磷、 碳循环是独立的，因此，该模型的参数很多：此外，g l u m s e 模型还考虑了水和 沉积物之间的营养交换，并且区分了交换性和非交换性营养元素( 对浅水湖泊 来说，估算出沉积物中营养物质的数量也是十分重要的) 。g l u m s e 模型应用于 2 5 项研究实践证实它具有现实意义。目前，有些模型做了一些数学和计算上的 校正，仍然还在使用。它们通常包括l o 个左右的变量，营养物质方面通常考虑 了碳、磷、氮和硅等营养元素。由于它们具有以上的特征，所以更能反映系统 的动态发展过程”“。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。运用c e q u a l i c m 模型在 c h e s a p e a k e 湾进行了3 年研究，结果表明：该模型成功地模拟了水质变化过程 和水体一底质之间交换过程。模拟的现象包括：养分输入高峰后出现春季“藻华”、 夏季水体缺氧等现象。此研究表明复杂的富营养化可以使用三维动态水质模型 来进行模拟。“。总的来说，湖泊富营养化生态一动力学模型在其发展过程中正经 历如下变化：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 d 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。目前使用十分广泛的生态一动力学模型是 w a s p ( w 3 t e fq u a ! i t ys i m u ! a t i o ng r o g r a m ) ，它有几个不同的版本，其中w a s p 5 是使用最广泛的版本。w a s p 5 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。w a s p 5 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 ) ， 他们都能够独立运行。其中t o x i 主要是用来模拟有机化学物质和金属离子在水 体中的相互作用及其运动，而e u t r 0 5 主要模拟溶解氧( d o ) 、碳生物化学需氧 量( c b o d ) 、营养物质和浮游植物。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“。另 外，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 城市浅水湖泊二维水量水质耦合模型应用研究 物量的影响。湖泊水动学模型也是湖泊动态模拟模型的一个十分重要的组成 成分，在该领域也取得一定的成绩。h u t t e r 在1 9 9 1 年对于湖泊水动力学方程 组给出了不同类型湖泊及特定条件下方程组的简化、物理解释与适用范围，在 计算方法上，直接用差分方法来求解完备的原始方程已经相当普遍。“1 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国学者在湖泊富营养化模型构建方面也做了大 量工作，其工作主要围绕几个湖泊进行。阮景荣等人建立武汉东湖的磷一浮游植 物动态模型该模型按照1 年的时间标度描述东湖藻类的生长和磷循环，其状 态变量包括浮游植物磷、藻类生物量，正磷酸盐、碎屑磷和沉积物磷，经过校 正和检验结果表明，模型对于系统给定状态的描述是令人满意的，并且对于系 统的强制函数给予了合理的响应”“。刘玉生等人在研究了滇池碳、氮、磷时空 分布，藻类动力学、浮游植物动力学及沉积与营养释放的基础上，建立了生态 动力学模型，并与箱模型耦合，建立了生态动力学箱模型，模拟了总磷、总氮 和化学需氧量的水环境容量和削减量，所得结果较好地与实际符合，为滇池的 水污染控制打下了基础”。另外，宋永昌等人以淀山湖生态系统为研究对象， 建立富营养化生态模型，为淀山湖科学管理和富营养化治理提供了依据”。还 有大量的学者在太湖进行了湖泊水动力学方面的研究，建立了风生流和风涌增 减水的三维数值模型，较好地模拟了湖泊流场对湖泊水质和生态系统产生的重 要影响”4 “。 虽然目前创建一大批三维动态模型，但它们仍存在许多不足之处：( 1 ) 它 们缺乏真正生态系统所具有的适应性和灵活性；当给出一个模型的一定结构和 一套参数( 与特定的生态系统相吻合) 时，那么这个模型就“锁定”了。当使 用此模型来研究其它的生态系统时，必须根据此生态系统对该模型的结构和参 数进行改进。s e j 巾r g e n s e n 运用一个中等复杂程度的湖泊富营养化模型对1 6 个不同类型湖泊进行模拟，结果证实：只要基本模型的改进与所模拟的湖泊生 态系统特征相吻合并且模型还考虑了必需元素的循环，则模拟值与实际观测值 之间的偏差很小，参数值的估测范围与已报道的值相一致。( 2 ) 目前的模型是 建立在湖泊生态系统现有生态结构的基础之上的，但由于环境污染，人类活动 能对生态系统的结构产生一定的冲击作用，这就限制了这些模型预测的准确性。 ( 3 ) 当这些模型使用于一项新的研究时，必须进行参数测定，取样频率和取样 9 城市浅水湖泊二维永盘水质耦舍模型应用研究 时间对参数值测定有较大的影响，模型校正的数据必须符合实际，并且取样频 率要能反映生态系统的动态变化过程。( 4 ) 对生态规律和生态知识的了解程度 也限制了模型的适用性。不同营养负荷的湖泊之间物理、化学和生物变化过程 有很大的差异，即使是同一湖泊内不同区域和不同时间内所发生的变化过程也 有较大的差异。( 5 ) 缺乏统一详细的湖泊水化学方面的数据，这给湖泊模型的 校正、验证造成很大困难，使创建的湖泊富营养化生态一动力学模型适用性不高 3 引e 4 0 4 tj 1 3 本论文的研究内容和方法 众所周知，在外源营养负荷得到控制的情况下，二次富营养化的产生主要是 当底泥宁氮和磷向水体释放达到某个营养水平时造成的。在导致水体富营养化的 营养物质中，磷是大多数淡水水体中藻类生长的限制因子，国际上一般认为水体 总磷浓度o 0 2 m g l ，总氮浓度o 2 m g l 为湖泊富营养化的发生浓度。本文研究对 象是玄武湖，该湖2 0 0 2 年水质检测结果表明：总氮浓度为2 0 3 m g l 、总磷浓 度为o 2 3 8 m g l ，已经远远超过这个指标。由于注意到在美国以及包括中国在内 的各国均广泛使用的w a s p 5 模型中的富营养盐的作用原理，在本论文的二维水 量、水质耦合模型中，将单层的w a s p 5 中氮和磷的循环原理编写成代码并嵌入原 水量模型中，作为水质模拟部分。该模型在引水调水的水动力因素下，研究浅水 湖泊一玄武湖的水量、水质变化趋势。论文的主要内容如下： ( 1 ) 、分析研究对象的特征，选用无结构网格有限体积方法f v s 格式的二 维水量、水质耦合，采用黎曼近似解f v $ 格式计算模拟该区域的水量、动量以 及污染物( 主要是磷、氮) 输送通量。 ( 2 ) 、分析w a s p 5 模型中氮、磷循环原理，并结合水量模型编写相应程序。 ( 3 ) 、模拟浅水湖在忽略湖面风场前提下，以1 8 万吨目的引水能力，实施 不同的引水调水驱动方案下的水动力和营养盐指标( 总磷、总氮) 的变化趋势， 得出拟建方案中最优引水调水方案。 ( 4 ) 、模拟浅水湖在考虑湖面风场前提下，以1 8 万吨日的引水能力，实施 在( 3 ) 中最优引水调水驱动方案下的水动力和营养盐指标( 总磷、总氮) 的变 化趋势，以与( 3 ) 进行对比。 城市浅水湖泊二维水量水质耦合模型应用研究 ( 5 ) 、模拟浅水湖在忽略湖面风场前提下，加大引水能力( 2 6 万吨日) ， 实施( 3 ) 中最优引水调水驱动方案下的水动力和营养盐指标( 总磷、总氮) 的 变化趋势，以便与( 3 ) 进行对比。 ( 6 ) 、分析( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 模拟的结果，以分析风场和引水能力分别对浅 水湖泊的水动力和营养盐指标( 总磷、总氮) 的影响趋势。 ( 7 ) 、对模拟的营养盐指标( 总磷、总氮) 进行检验，以确定该数值模拟方 法研究的可行性。 城市浅水湖泊二维水量水质耦台模型应用研究 2 湖泊二维水量、水质耦合的数值模型 本文采用的是有限体积法( f v m ) 对湖泊水力建立二维水量、水质耦合模型， 近年来，f v m 能普遍应用于不规则的计算域，与有限有限差分法“、有限单元法“、 特征线法“”及的数值逼近相比，有限体积法“”的物理意义更加直接明晰。由于有 限体积法首先需要对模拟区域进行网格划分，由于无结构网格的生成和安排可以 是灵活的，易于构造适合实际模拟区域的网格。因此，本文采用无结构网格上对 模拟区域进行划分后，再对守厘形式的二维浅水方程进行f w 的积分离散，利 用局部黎曼问题把二维问题视为一系列相关的一维问题，最后利用通量向量分裂 格式( f v s ) 计算水流模型中跨单元边界的数值通量。 2 1 平面二维水流水质耦合方程 平面二维的水量、水质耦合模型由二维浅水方程和对流一扩散方程的守恒形 式表达为 一o h + a ( h u 型+ 亟堕：o o to x o y 了a ( h u ) + _ a ( h u 2 + g h 2 2 ) + 掣：幽( 呜) + s 。 a t。xa v ”。” ( 2 1 ) ( 2 2 ) i a ( h u ) + 掣+ t o ( h u 2 + g h 2 2 ) ：g h ( 一呦) + ( 2 3 ) o f嬲。v 。 “。 亟笋+ 塑笔堕+ 丛等丑= 丢( 域五争+ 导( 岛厅争一屹崛+ c z t ， s 女= 厂：广了2 厂f i 旦! ! 兰一+ v p n 。u 4 “。4 - v 。 h c 2 一t 7 析舻u 2 + v 2 ： p n 2 v “2 + v 2 = p o c o l 吃l 呒c o s a ；= 见c dj 呒i 呒s i n c t ( 2 1 ) 至( 2 4 ) 可以表达如下 1 2 忽一出 犯一咖 一 一 = i i x y 氐 品 城市浅水湖泊二维水量水质耦合模型应用研究 塑o t + 型o x + 掣圳 1 却 、” ( 2 5 ) 式中成为风的密度；c 。为风拖拽系数；z o o 为水面以上1 0 米处的风速： q = 陋，h u , h v , c 1 7 为守恒物理量：，( g ) = 胁u , h “2 十g h 2 2 ，h u v , h “c 1 为x 向通量： g ( g ) = f v ，h u v , h v 2 + 劝2 2 ，h v c 。为y 向通量：h 为水深：u 和v 分别为x 和y 向垂 线平均流速分量：c 为污染物垂线平均浓度：g 是重力加速度。源( 或汇) 项b ( q ) 为 6 ( g ) = l b l ，b 2 ，b 3 ，b 4j 1 其中b l = 0 ，b z = g h ( s o ，一s 丘) + s 。，6 3 = g h ( s o ，一量口) + s 。， b 。= v ( 口v ( c ) ) ，式中s o ，和& 分别是x 向的水底底坡和摩阻坡度：s o ，和 s 。分别是y 向的水底底坡和摩阻坡度：s ，。和s ，分别为x 、y 方向风应力；口为 扩散系数：v 为梯度算子，v v = v 2 是l a p l a c e 算子。 关于源( 漏) s t 项 针对一些城市浅水湖泊的富营养化现象的日益严重，本论文选择富营养物质 最为突出的氮和磷作为研究对象，将其考虑n - - 维水量、水质模型中。 本文采用w a s p 5 模型中氮循环原理，原理表述如下： 在水环境中，有多种物理一化学过程影响着营养物质、浮游植物、碳质物质 和溶解氧的迁移和它们之间的相互作用。营养物质的富集、富营养化和d o 损耗 过程，包含四个相互作用的子系统：溶解氧平衡、浮游植物动力学、磷循环和氮 循环，最多时可模拟8 个指标的的输运和转化过程。 图2 1 描述了营养循环和溶解氧之间主要动力学交互作用。在下面的说明中， 分别用c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 4 ，c 5 ，c 6 ，c 7 和c 8 表示氨氮( n i l 3 ) ，硝化氮( n 0 3 ) ， 无机磷( p 0 4 ) ，浮游植物( p h y t ) ，碳化需氧量( c b o d ) ，溶解氧( d o ) ，有 机氮( o n ) 和有机磷( o p ) 的浓度，为说明方便下面的s k 与s i 意义相同。 溶解氧( d o ) 是地表水水质分析最重要的内容之一，若浓度较低将会直接 影响鱼类生存并改变水环境质量的水生生态平衡。由于d o 受许多其它参数的影 响，所以它是一种水环境状况的敏感指标剂。 一 一一 堡至坚垄塑塑三丝垄墨查要塑宣堡型壁里堡塞 图2 1 模型中各变量间的相互关系 1 ，溶解氧c e ( d 0 ) 的s l 【 基本方程 踮瞩删邶。c 刊g 一等印c 矗 c 】 复氧氧化 硝化 ，。 一警。，陪罟) c 4 _ 西3 2 ”c 4 娌6 沉积物需氧量 浮游植物生长呼吸 其中溶解氧的饱和度g 为： i n c = 一1 3 9 3 4 + ( 1 5 7 5 7 1 0 5 ) 巧一( 6 6 4 2 3 1 0 7 ) 窄 + ( 1 2 4 3 8 1 0 ”) 巧一( 8 6 2 1 9 x1 0 。) 玎4 r 2 7 、 一0 5 5 3 5 ( o 0 3 1 9 2 9 - 1 9 4 2 8 t x + 3 8 6 7 3 r ；2 、 式中：幻一2 0 。c 时的复氧系数，d t l ； 皖温度系数； 幻一2 0 。c 还原系数，d - i ； 国温度系数； 1 4 城市浅水湖泊二维水量水质耦合模型应用研究 k b o o 一氧的半饱和系数，m 9 0 2 l ； 回2 一温度系数： s o d 一底泥的需氧量，g m 2 - d ； d 一底泥厚度； 尸心一氨的优先选择系数； 岛r 一2 0 。c 时浮游植物呼吸率，d 一； 如一2 0 。c 时的硝化率，d 一； 局胛一氨的半饱和系数，m g n l 醴一温度系数； g ，。一浮游植物生长率，d ： 劬r 一温度系数。 ，竭( 瓦i ) 鸲( 而高丽) ， 底泥的氧平衡问题 底泥中有机物的降解对其上层水体d o 的浓度有很大的影响。底泥的影响由 下面两种过程来考虑： ( i ) 氧化及弥散过程： 警一k o s o 。t - 2 0 + 等( c 6 , - 钏 ( 2 s ) 式中：。一底泥的有机碳降解率，d 一：0 一温度系数； 幻，f 一底泥孑l 隙水的弥散系数，m2 d ；d 一底泥厚度，d 1 ； 下标i 指上层水体计算网络，下游- ，指对应底泥。 ( 2 ) 底泥的直接需氧量s o d ： s o d = _ l d - i f ( c 6 ；一g ，) ( 2 9 ) i 2 碳化需氧量c