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浙江人学硕：l 论文西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 摘要 西湖是著名的旅游景区，具有非常重要的旅游价值和生态环境意义。但受人 类活动的影响，以及对其资源的过度开发和利用，加l 底泥中长期积累的氮、磷 元素的释放，西湖富营养化程度日趋严重，已严重影响其景观价值并制约着当 地社会和经济的可持续发展。 利用西湖2 0 0 2 - 2 0 0 6 年的水质实测数据对其水质现状及时空变化规律进行了 分析。同时，基于国际知名的d e l a3 d 软件平台构建了西湖水动力数学模型，对 硬湖西进工程前后的流场和浓度场进行了模拟，计算结果与实测资料较为吻合， 模型真实可靠。在此基础上，着重分析了1 i 同引配水方案下西湖的流场结构和污 染物推移扩散规律，并据此进行引配水方案优化。 水质实测数据分析表明：西湖属于磷控制型富营养化湖泊，实施西湖西进工 程后，其水质已基本达到地面水环境质量i i 类水标准；西湖水质具有明显的季 节变化特征和湖区分布差异性。 各种工况下的流场和浓度场模拟结果表明：在不考虑风场的情况下，各进出 水口的流量和位置决定了西湖的流场结构，而流场结构决定了水体的推移扩散规 律。总体上，南湖水体推移扩散效果最好，西里湖、外湖和岳湖次之，北里湖最 差，基本不能被置换。对小引水量方案全面置换西湖水体大约需要两个月时问 而大引水量方案仅需一个月时间。 西湖水体的置换效果主要取决于可被置换区域的面积和引水量，而可被置换 区域大小主要取决于流场结构。因此，在引水量不变的前提下，优化两湖水体置 换效果的根本途径就是调整进出口位置和流量，以改变流场结构。 关键词：西湖。引水工程，数学模型，水质，死角，水体置换 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 a b s t r a c t w e s tl a k e ，a 钿n o u st o 耐s ts p o t ，l l a sv e r yi m p o r t a n tt o 嘶n gv a i u ea n d e n v i r o m e n t a ls i g i l i f i c 眦e h o w e v e r ，d u et ot h ei n 丑u e i l c e so fh u m a n 剃v m e s ， u n r e 舔o n a b l ee x p l o i 眦孤dt l l er e l e 船eo fr l i 订0 9 e na n dp h o s p h o m sw h i c hh a v e a c c 岫u l a t e di nt l l eb o 仕o mm u df o ral o n gt i m e ，t h cw e s tl a k e se u t r o p h i c a t i o n i n c r e a s e ds e v e r e l y ，w l l i c ha 仃e c t e di t sv i s u a lv a l u es e r i o u s l ya i l dr e s 仃i c t e dt h c1 0 c a l s o c i a la n de c o n o i i l i cd e v e l o p m e m t h ew b s tl a l 【e sw a t e rq u a l i t ya l l ds p a c e t i m ec h a r a c t e rh a v eb e e na i l a l y z e db y u s i n gt l l em e a s u r e dd a 诅f 如m2 0 0 2t o2 0 0 6 m e a n w h i l e ，b a s e do nm ei n t e m a l i o n a l w e l l k n o w ns o f t 、；吼r e - d e l f t3 d ，t h cw b s tl a k e sh y d r o d ”锄i cm 劬c m t i c a lm o d e l w a sc o n s m l c t e dt os i 叫l a t e 血en o wf i e l d 孤dp o l l u t 趾td i 蹦b u t i o nf i e l d b e f o r eo r a e t e ra _ b s a c d o n 、v o r k s t h ec a l c u l a 丘o n sw e r ew e l lt a l l i e dw i t ht h em e a s l l r e dd a 饥 “c hp r o v e d l em o d e l 、 ，a st n l ea n dc r e d i b l e f u r c h e 衄o r e ，1 e 咖c t l l r eo ff i e l da 1 1 d m ed i s m b 砸o nn l l eo fp o l l u t a n tl l i l d e rd i 舵r c ma b s t r a c t i o np m g m m sh a v eb e e n s t l l d i e de n l p h a t i c a l l ya n da p p l i e dt ot h eo p t i i n i z a t i o no fa b s t r t i o np m 掣锄 1 1 1 ea 1 1 a l y s i so fw a t e rq l l a l 时sm e a s u r e dd a t ar e v c a l st h a tt h cw b s tl a k e s e u 昀p 1 1 i c a t i o ni sc o n n 0 l l e db yp h o s p h o m s ，a i l dt h ew a t e rq u a l i t yh a sr e a c h c dm e s e c o i l dc l a s so fs l l l f h c ew a t e r ，se n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc r i t e r i o na f t e rm ea b s 艄a c t i o n w o r i 【s ；a n dt l l ew a t e rq u a l “yp r e s e n t so b v i o u ss e a s o n a lv a r i e t ya n dd i s t r i b u t i o n o l h e n ”s si nm 丘b r e m1a ：k ea r e a s t h er e s u l t so fn m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h a t 、i t h o u tc o n s i d e r i n gt h c i i m u e n c e so fw m df i e l d ，m ei i l n l l ) ( a n dt h ep o s i t i o n so fi n 蜘l sa i l do u t f a l l sd e c i d et l l e w b s tl a k e sf i e l d 蛐m c t i l r ew h i c h 、v o u l d 矗l r l e rd e c i d em en l l eo fw a t e r sp r o c e s sa n d d i s 垃i b u t i o n a saw h o i e ，t 1 l ew a t e r sp m c e s sa n dd i s t r i b u t i o ne 丘b c ti nn a nl a k ei st l l e b e s t ，f o l l o w e db yx i l il a k e ，w j il a k ea n dy u el a k ea n df i n a l l yt h cb e i l iw l l i c h b a s i c a l l yc a n tb er e p l a c e du n d e ra n yo f t h ep r o g r 锄s u n d e rm es m a l li 砌1 u xp r o 掣a m a tl e 嬲tt w om o n t h sa r er e q u i r e di i lo r d e rt or 印l a c et 1 1 ew a t e ri nw e s t1 a k ec o m p l e t e l y w h c r e 船u n d e rt h el a r g ei i l f l u xp m g 舳o n em o n t hi se n o u g h 耽ee 行e c t0 f r e p l a c i n gt h ew a t e ri nw e s tl a k ei sm o s yr e s t e do n 也ea r e aw h i c h c a l lb er 印l a c e da 芏l dt h ei n n u x ，w h e n 船也es i z eo f 也ea r e ai sm o s t i yr e l a t e d 埘埴lf i e l d s 衄l c t u r c c o n s e q u e m l y ，t h ef 吼d 锄e n t a la p p r o a c ht oo p t i m i z et 1 1 er e p l a c e m e n te f f b c t i st 0a d j u s t 也ep o s m o n so fi n 蹦l sa i l do u t f a l l sa n di n a u ) ( ，w h i c hc h a n g e st l l ef i e l d s 讯l c t u r ef i n a l l y k e yw o r d s ：w e s tl a k e ，a b s t r a c t i o n 、o r k s ，m 砒e m a t i c a lm o d e l ，w a t e rq u a l i t y ，w a k e s p a c e ，w a t e rr e p l a c e m e n t 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 1 1 立题意义 第一章绪论 1 1 1 湖泊环境的重要性 湖泊作为一种与人类生存和发展密切相关的独特资源，在供水、防洪、航运、 旅游及维系区域生态平衡方面发挥着巨大作用。全球湖泊总面积约2 7 0 万k m 2 ， 占陆地面积的1 8 ，仅次于冰川是陆地的第二大水体。湖泊是人类赖以生存的 国土资源之一，湖水可沟通航运，灌溉农田，提供工业用水和生活用水的水源： 湖水还可繁衍生物，发展水产，改善湖区生态环境；湖泊同样是水资源和水力资 源的贮藏地。当湖中泥沙不断积累，植物在其中大量繁衍，以及水量补给减少时， 湖泊会产生微妙的变化沼泽化。如果有人工围垦和湖水遭污染等因素发生， 湖泊的生态环境还会受到严重威胁。因此，保护湖泊、保护湖泊生态环境，也 应成为人类一项长期任务。但目前由于全球变化和湖泊资源的超强度开发和利 用，造成了水环境恶化、水资源短缺、水灾害频发的一系列问题。 我国是一个多湖泊的国家，全国湖泊共有2 7 5 9 个，总面积达9 1 0 1 9k m 2 ，占 国土面积的o 9 5 ，其中约三分之一为淡水湖泊，主要分布在东部沿海与长江中 下游地区，占全国淡水湖泊总数的6 0 ，且绝大多数为浅水湖泊。由于这些湖 泊地处东南沿海或长江中下游平原地区，人口稠密、经济发达，加上近年来欠适 宜的人类活动方式，极大地改变了自然湖泊生源要素的循环规律，这些湖泊中多 数已经富营养化或正在富营养化中1 7 1 。中国湖泊陆续出现水体寓营养化、水质污 染、湖泊萎缩与剧减、湖水咸化四大环境问题，湖泊显现的不可持续态势令人担 忧。湖泊作为内陆淡水资源最主要储库之一，随着中国经济、人口的增长，资源 和环境压力越来越大。调查显示：2 0 世纪7 0 年代，中国3 4 个重点湖泊中富营 养化的湖泊仅占评价面积的5 ，但到1 9 9 1 年对我国1 2 1 个大型湖泊调查的资 料表明，有5 1 的湖泊趋于富营养化，1 9 9 6 年对2 6 个国控湖泊的调查显示，有 8 6 的湖泊趋于富营养化，中国东部湖泊全部处于富营养化状态，城市内湖水质 普遍较差【引。 湖泊生态系统结构和功能退化，蓝藻水华频繁暴发，水质性缺水日趋严重， 并造成巨大经济损失。由于日趋严重的湖泊水环境恶化与富营养化问题正存严重 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水丁程响应的数值模拟研究 制约着社会和经济的可持续发展，引起了从中央到地方各级政府的高度重视。在 过去的十几年中，围绕湖泊富营养化治理，各级政府投入了大量的人力与物力， 但迄今为止，收效并不理想，事实上，无论是营养盐控制或蓝藻水华防治，以及 底泥疏浚等措施，都未能取得预期效果，这在很大程度上与基础理论研究的不足 有关。为了从根本上改善我国湖泊生态与环境，促进人与湖泊的和谐发展，迫切 需要加强湖泊及流域资源环境领域的科技创新研究，为国家发展提供强有力的科 学支撑。 1 1 2 西湖环境的重要性 长江中下游地区在2 1 世纪中国发展中具有举足轻重的地位，而经济发展过 程中的资源环境瓶颈问题也日益凸显。杭州市作为浙江省的省会，长三角的南翼 枢纽，它的健康发展有着十分重要的战略意义。然而，随着社会经济的突飞猛进， 环境受到了严重的破坏，限制着这个有“人间天堂”美誉的城市发展。 作为一座国际风景旅游城市和国家重点历史文化名城，杭州的飞速发展离不 开西湖景点的成功运行。随着杭州市旅游国际化战略的启动，杭州的旅游人数不 断增加，经过近一年时间的努力，2 0 0 4 年全市入境过夜旅游人数突破1 2 0 万人 次，达到1 2 3 4 l 万人次，同比增长4 3 3 ：到2 0 0 5 年，预计接待入境游客1 4 0 万人次。同比增长1 3 ；国内旅游人数3 1 5 0 万人次，同比增长4 。 图1 1 杭州旅游人数增长图( 2 0 0 3 2 0 0 5 年) 可以说，杭州的发展离不开西湖，正是西湖驰名中外的美誉为杭州带来了络 绎不绝的游客与无限商机。但迄今为止，西湖已有两千年的历史，已经进入自然 意义上的衰退期，自净能力不断降低，加上旅游业发展所带来的人为污染源，造 成西湖水质不断恶化。在上个世纪7 0 年代，西湖水质甚至一度发黑，发生了所 2 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值横拟研究 谓的“黑水”现象【9 j 。这将在很大程度上影响杭州的旅游形象，因此西湖的水质问 题一直受到杭州市政府乃至国家的高度重视。 从二十世纪七十年代起，政府采取了大量的治理措施，如切断入湖污染源， 建造截污管道；深挖底泥，增加蓄水量：种植沉水之物，净化水质；引清水入湖 西湖水质得到了一定的改善，但仍旧处于富营养化或超富营养化状态。2 0 0 3 年 1 1 月，第二次大规模的引水工程正式运行，为此对西湖引水前后的空间流场和 浓度场进行数值模拟，计算分析各湖区污染物的推移扩散速度，评价引水工程的 生态环境效应，从而在此基础上提出引配水优化方案。这将对进一步改善西湖水 质，保证杭州旅游业的蓬勃发展有着十分重要的意义。 1 1 3 数值模拟的意义 流场对于湖泊中的物质输移有着重大的影响，因而湖泊流场的研究一直受到 湖泊研究者高度重视。但由于湖流流速较小，观测相对比较困难，因而湖流的数 值模拟得到了广泛研究，取得了大量成果。 为了了解引水工程对西湖的环境效应和生态修复作用，有必要对西湖水体进 行流态及水质演变等方面的测试与理论分析计算的研究。近年来，环境流体动力 学的研究已经普遍采用建立数学模型的手段，通过计算机模拟现实的流场和浓度 场。数值模拟除了能重现研究区域的流体运动和污染物的浓度分布外，还可以通 过模型调整和验证，用来预测不同引流量、进出水口位置对西湖流场、污染物浓 度场造成的变化，从而进一步优化西湖引配水的方案，为实际工程的开展提供理 论依据。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 湖泊水动力学数值模拟研究现状 迄今为止，国内外在湖泊水动力方面开展了大量的工作，运用数值模拟方法 取得了很多有意义的结果。 最早从事完整的湖泊水动力数值模拟的是s i m o n 8 ( 1 9 7 1 年) 【1 0 1 ，他建立了 二维安大略湖冬季环流的数值模式，讨论了地球自转、非线性加速项、侧边界条 件、底部地形、动量的侧边界扩散及不同底摩擦的特点，而且还简单地谈及三维 浙江大学硕士论文西湖流场和浓度场对引水t 程响应的数值模拟研究 流体力学方程的构型。0 1 1 i l i s h 和i m a s a t o ( 1 9 7 9 年) 【】，e n d o n ( 1 9 8 6 年) 【1 2 】 使用水动力模式和验证手段对日本琵琶湖( l a k eb i 、v a ) 进行了系统而深入的工 作，基本弄清了琵琶湖各种水动力过程的特征及形成机制，为保护琵琶湖的生态 环境提供了依据。1 9 7 8 年，b a u c e r 和g r a f 建立了欧洲日内瓦( g e n c v a ) 湖的模 式【1 3 】；1 9 7 9 年，h g r a m m i n g 建立了北美艾利( e r i e ) 湖和安大略( o n t a r i o ) 湖 的水动力模式【1 3 】，c h e n g ( 1 9 7 0 年) 【1 4 1 建立了伊利湖的风生环流模式，这些模式 对深入研究湖体内部诸要素的相互关系是非常有意义的。m u r t h y 等( 1 9 8 6 年) 【l5 】设计了一种嵌套网格系统或称之为多重嵌套镜格系统，模拟了安大略湖尼亚加 拉河河口羽状扩散的动力和传输，系统中有粗、中、细3 种网格，分别用于整个 安大略湖、河口附近区域及河口，这种系统较好地处理了大小尺度的协调，节约 了大量计算时间，具有很大适用性。1 9 9 0 年，c a s u l l i 在第八届国际水动力学计 算大会上，对二维浅水湖泊水动力学差分计算方法进行了总结，讨论了各方法的 优缺点。1 9 9 1 年h 毗e r 对水动力方程组在不同湖泊的适用范围进行了探讨。澳 大利亚水科学中心利用海洋水动力模式开展了日本琵琶湖的水动力研究， i ( r e s i m i tz i e ( 1 9 9 3 年) 1 1 6 】建立了日本琵琶湖三维斜压水动力数值模式，详细模 拟了湖泊环流结构及内波，但使用的风资料是湖中某一点的，不能代表湖中实际 风场。l a z u o n a d a o k a ( 1 9 9 8 年) 1 7 】建立了浅水湖泊的紊流模型，研究水平扩散 运动剧烈的湖流。建立了t c - l a c k c y ( 2 0 0 5 年) 【馆】提出浅水方程数值计算的水 位修正方法放宽了对离散时间步长的限制。 吴坚( 1 9 8 6 年) 【1 9 】在国内首次设计了整层积分的二维浅水湖泊水动力模式， 模式采用不规则网格有限差分法，具有能确切地拟合湖岸、河口、湖底地形及岛 屿的功能，将模式应用于太湖得到了太湖风生流、风涌增减水等很有意义的结果。 王谦谦( 1 9 8 7 年) 【2 0 悃二维差分模式模拟了定常风作用下太湖风生流的各种特征， 将太湖形成的稳定流场分为3 种类型：反时针环流型( s ，s w ，w 风) ；顺时 针环流型( n ，n e ，e 风) ；插花型( s e ，n w 风) 。姜加虎( 1 9 9 1 年) 【2 l 】用 一个二维分层积分和一个二维整层积分的数值模拟方案，系统地讨论了抚仙湖、 滇池环流的形成机制，分析了具有温度层结湖泊( 抚仙湖) 中内波以及上、下层 流场的时空变化特征及其与湖区风场的关系。王谦谦等( 1 9 9 2 年) 【冽建立了一个 嵌套网格的二维水动力模型对太湖和太浦河口风成流、风涌水作了数值模拟，得 到了很好的结果。刘启峻( 1 9 9 3 年) 【2 3 】以守恒形式的二维水动力学方程组为基础， 4 浙江大学硕士论文西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 采用t a b 砒a 的迎风有限元法模拟了太湖，特别是太湖梅梁湾处在各种风况下的湖 水运动规律，验证了太湖稳定流场分3 种类型的正确性。 由于湖泊在垂直方向上也存在强烈的切变和混合作用，故许多环境要素如溶 解氧、叶绿素、光强度及浊度等都存在较大的垂直梯度，这就要求必须建立三维 水动力学模型来模拟实际的湖泊水动力特征。张利民等( 1 9 9 4 年) 【2 4 l 建! 立了一 个深水湖泊的三维水动力模型，考虑非均匀局地风场影响，对日本琵琶湖的环流 形成机制进行了一个比较深入的分析。逢勇等( 1 9 9 6 年) 【2 5 j 采用浅水波方程数 值模式，考虑太湖局地风场的影响，模拟了太湖风生流、风涌水的变化情况，模 拟结果与实测值符合较好。逄勇等还采用三维水动力学模式，研究了地形因子对 太湖环流的影响，指出洞庭湖西山和洞庭湖东山间狭长的过道区是产生太湖大范 围环流的重要原因。这些三维模型使人们对湖泊中的分层现象有了进一步的认 识，但有时应用不很方便，例如在水深变化比较大的湖泊浅水区，其层数可能减 少。层面不同，模式的侧边界条件位置不同，计算程序的设计就比较困难，使程 序的适用性受到一定限制，难以较好地反映湖流的垂直结构。 为了解决以上模型的缺点，一种垂直方向的压缩盯坐标被从最初海洋研究应 用到湖泊动力学的数值研究。该方案1 9 8 3 年由d a m n e e ，h u 曲e s u 应用于欧洲北 海。1 9 9 4 年，朱耀华将之应用于我国渤海、黄海、东海的海洋环流的研究；梁 瑞驹应用盯模式计算了太湖风生流。1 9 9 8 年，胡维平应用盯模式的完整方程模 拟9 7 1 1 号台风对太湖水位及流场的影响，计算结果与6 点水位的观测值和单点 流场过程符合较好；同时用此模型探讨了太湖各种不同风场对湖流的影响，比较 了整层平均流场与分层流场的差异，对浅水湖泊的二维模型做出了客观的评价。 姜加虎、黄群( 1 9 9 8 年) 【2 6 】，通过构造一个二维开边界数值模式，对不同风情 及出入湖流量组合情况下的洪泽湖混和流流态进行模拟研究，探讨其混和流特 征。王惠中等( 2 0 0 1 年) 【2 7 l 建立了一个考虑垂直涡粘系数非均匀分布的太湖风 生流准三维数值模型，采用交错网格技术布置各物理量和改进型的a d i 法，对 稳定和不稳定风场作用下太湖流场进行模拟计算，结果发现：垂直涡粘系数沿水 深变化对水位的计算影响不大，但对流速的垂向分布和底床切应力的计算有较大 影响。孙卫红( 2 0 0 1 年) ( 2 8 】建立了一个三维水量、二维水质的模型，研究了太 湖风生流的特点。刘晓东( 2 0 0 2 年) 培! 立了一个四叉数网格二维水流及物质 输运的数学模型，采用四叉数网格布置，实现了网格的边界加密和重要局部的加 浙江大学硕士论文西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 密，对实际水域边界的复杂流场及浓度场的模拟效果较好。龚春生等( 2 0 0 5 ) 【3 0 】 应用浅水湖泊二维有限元数学模型对玄武湖风生流进行了数值模拟研究，结果表 明玄武湖具有三种不同的风生流流态。 1 2 2 湖泊水质模拟研究进展 水质模型的形成和发展已经历了半个多世纪，大致可分为以下几个发展阶段 【4 8 】： ( 1 ) 1 9 2 5 1 9 6 0 年为水质模型发展的第一阶段( 基础阶段) 。在这一阶段 中，水质模型的研究处于最初时期，s t r e e t e r 和p h c i p s 【3 l l 共同研究并提出了第一 个水质模型，后来科学家在其基础上成功地运用b o d d 0 模型于水质预测等方 面。 ( 2 ) 从1 9 6 0 1 9 6 5 年，在s p 模型的基础上有了新的发展。将其用于比较 复杂的系统。引进了空间变量、物理的、动力学系数。温度作为状态变量也引入 到一维河流和水库模型，水库( 湖泊) 模型同时考虑了空气河水表面的热交换。 水力学方程、平流扩散方程作为水质迁移过程的基本描述而被用于水质模型。第 一个简单的模型( 一维的稳态模型) 开始在水质管理中应用。 ( 3 ) 不连续的一维模型扩展到包括其他来源和丢失源是在第三阶段即 1 9 6 5 一1 9 7 0 年期间进行研究，其他来源和丢失源包括氮化物耗氧( n o d ) 、光合 作用、藻类的呼吸以及城建、再悬浮等等。一维的网络系统被用于描述两维的垂 直混合体系。计算机的成功应用使水质数学模型的研究有了突破性的发展。 ( 4 ) 在1 9 7 0 1 9 7 5 年期间，水质数学模型已发展到变成相互作用的线性化 体系。生态水质模型的研究处于初级阶段，特别是初级生产率的动力学研究被发 展了，其他较高水平的模型亦相继地被应用了。有限元模型用于两维体系，有限 差分技术亦应用于水质模型的计算，更高维数的模型不断地被发展，关键问题是 在进行水质模型研究中需要足够的数据。 ( 5 ) 在最近2 0 年中，科学家的注意力逐渐地移到改善模型的可靠性和评价 能力的研究。随着改进的二维、三维河流、河口和湖泊( 水库) 模型的发展，水 力学和水质问的偶合越来越引起科学研究工作者的重视。陈毓龄、张宏保、陈捷 ( 1 9 9 2 年) 【5 0 1 以总磷浓度、叶绿索浓度、透明度和溶解氧饱和度4 个主要限制因 子为判别标准建立了以月平均值为时间尺度的玄武湖水动力生态模型，预测了湖 6 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 泊的水位、水温、悬浮物、颗粒磷、可溶解磷、总磷、浮游植物和透明度等参数 的月平均值，并对玄武湖的富营养程度进行判别。马生伟、蔡启铭( 1 9 9 7 年) 【3 2 】， 用数值模拟的方法研究了太湖水体中t p 分布特征及湖流对其影响。推导、建立 了包括平流、水平扩散、沉降和底泥释放的浅水湖泊中污染物( t p ) 浓度分布 计算的二维迎风有限元数值模式，并在给定若干点源条件下计算各种稳态流场下 太湖水体中的t p 分布，初步揭示了其分布特征及影响因素，探讨了湖流对太湖 水体中污染物( t p ) 输移扩散过程的影响。彭进平等2 0 0 4 年【3 3 】对水动力过程后 水体磷索的变化作了研究，并就其对富营养化的贡献作了分析探讨。 目前，包括各种变量的更综合的水质模型正在研究中，三维的和二维的水质 模型仍处于发展阶段。 1 2 3 区域研究现状 西湖作为典型的富营养化浅水湖泊，此前对西湖的研究主要集中于富营养化 来源分析与治理对策等方面。随着疏浚、引清水入湖等工程措施的实施，西湖水 流水质模型的研究也正在逐步发展过程中。 韩伟明( 1 9 9 3 年) 【3 4 】通过实验室和现场模拟研究，考察了p h 值、温度、溶 解氯、氯化还原电位及上覆水种类等环境因素对底泥释磷量和释磷速率的影响。 研究发现，上覆水p h 值在6 5 7 0 范围内底泥释磷量最低；在较高或较低p h 值时， 释磷量倍增。升高水温或降低上覆水溶解氧浓度均能加速释磷。 何金土、裴洪平、章向明( 1 9 9 4 年) p 5 j 通过建立数学模型预测一期引水工 程后的西湖t p 变化，研究表明在正常引水条件下( 3 0 万m 3 天) ，外西湖水质 有一定的改善，平均t p 浓度由0 1 9 m g ，l 降至o 1 5 0 8 m l ；小南湖至西里湖入 口、西里湖最南端、西里湖北端至岳湖入口等处t p 浓度下降很快；外湖东南角 长桥湾至清波门南端湖域、北里湖、岳湖西南部等湖域，t p 浓度无任何变化； 在外湖南端近旁、小南湖西北侧甚至出现t p 上升的现象，究其原因是悬浮状底 泥被引水冲起回拢，导致t p 上升。 裴洪平、王维维、何金土等( 1 9 9 8 年) 1 3 6 j 为了作出对西湖引水效益的估计， 建立了一个富营养化模型进行水质变化预测，研究引水和疏浚湖泥的效益。模拟 计算表明，引水对提高透明度较明显。每年引水1 3 3 1 0 7 t 或2 6 6 1 0 7 t 入西湖 比不引水情况下平均透明度分别提高2 1 9 c m 和4 1 2 c m ，即分别提高5 1 7 和 浙江大学硕士论文西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 8 1 3 。特别是在5 月，可分别提高7 1 8 c m 。但在另一个旅游旺季秋天，透 明度提高不明显。叶绿素a 含量比不引水情况下平均分别降低1 4 u i 和2 o u l ，分别下降了2 2 和2 6 。叶绿素a 降低最明显的月份是7 月，分别降低 了3 ou 鲫和4 2 ，但就总体而言，引水能降低水体的叶素绿a 含量，但效果并不 理想。这可能与钱塘江水中正磷酸盐偏高有直接的关系。 魏崇德( 2 0 0 1 年) 刚着重分析了2 0 世纪8 0 年代先后采取的截污、疏浚、 引水冲污等一系冶理富营养化措施所产生的长期生态效应。结果表明，大部分湖 区浮游植物群落结构与治理前基本相同，仍以蓝藻占绝对优势。1 9 9 9 2 0 0 0 年， 浮游植物密度增加了5 5 4 ，蓝藻种类趋于小型化。2 0 年来西湖的富营养化仍 在发展，小南湖区经一系列工程治理后，出现了大面积的沉水植物，水体透明度 大大提高，藻量明显下降。水体富营养特征逐渐从浮游植物响应型向大型高等水 生植物响应型转化。 钱天鸣、陈超、程咏( 2 0 0 2 年) 1 3 8 j 采用2 0 0 0 年的西湖常规监测数据，分析 了西湖水体中生态环境特征参数的季节变化和相互关系。分析表明，西湖水体各 生态环境参数，除总氮外，均呈现出明显的季节性变化，总磷、溶性正磷酸盐、 叶绿素a 和藻类季节变化一致，在夏季形成高峰，冬季最低；三无机氮高峰值 出现在冬季，夏季含量为全年最低。2 0 0 0 年西湖水体总氮年均值为2 1 0 5 m l ， 总磷年均值为o 1 2 6 m g l ，n p 大于1 6 ，西湖属于磷控制型富营养湖泊。 裴洪平、汪勇( 2 0 0 4 年) 【3 9 塘用结合了灵敏度分析的m 0 n t ec a d o 方法对西 湖富营养化生态模型不确定性进行了定量分析。通过模型不确定性分析，为管理 决策者提供了有价值的信息。韩曾萃等( 2 0 0 4 年) h o 】在分析流域产磷、底泥释放 磷负荷及磷的沉降定量研究的基础上，用t p 质量平衡模型验证了近2 0 年西湖治 理前后全湖、全年平均浓度及年内各月浓度。在此基础上，预测了西湖进一步治 理( 包括截污、引水、配水) 的定量效果。 1 2 4 湖泊研究中存在的问题与展望 近几十年来，我国在湖泊研究中取得了很大的进步，解决了许多复杂的课题， 但也存在着一些不足，比如目前我国湖泊的研究力量比较分散，使得大规模的湖 泊研究难以开展。重复工作做得比较多，造成了一定程度上人力、物力、财力的 浪费；对湖泊研究中的一些基础性工作开展得较少，如对风拖曳系数和湖底摩擦 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水t 程响应的数值模拟研究 系数的实验确定等；关于湖泊系统的实测资料较少，给数值模型的率定和验证带 来了很大的困难。 在今后的工作中，除了要弥补上述的一些不足外，还有待于建立更完善的水 质模型、透明度模型等，并且按照国家对污染物总量控制的要求，使藻类控制与 污染物总量控制紧密结合。若将湖泊水动力学与大气动力学、现代沉积学、生态 环境动力学结合起来，必将促使我国湖泊学的研究和湖泊的数值模拟方法得到进 一步的发展。完善湖泊数值模型需要进一步开展以下几方面的工作： ( 1 ) 湖泊水动力模型与大气边界层模型的耦合 湖泊本身不是一个孤立的系统，它和大气边界层紧密相关。在大的大气背景 下，由于水陆地形、粗糙度、热力状况差异造成的局地风是湖泊环流形成的外部 因子，所以综合考虑了一些物理因子( 如天气系统的斜压效应、地形强迫作用、 太阳辐射对地表加热作用、湖岸及岛屿作用等) 的大气一水动力耦合模型的建立 是目前物理湖泊学研究的重点，也是今后发展的一个重要方向和前沿课题，它不 仅有助于我们更准确地了解湖泊环流形成的机制，而且也能使我们进一步定量地 研究和预测湖泊对天气和气候的影响。逢勇【4 l 】在1 9 9 5 年对湖泊水动力模型与大 气边界层模型的耦合已做了一些初步的工作，得到了一些很有意义的结果。 ( 2 ) 湖泊水动力模型与物质传输模型的耦合 分散在湖泊中的各种物质的归宿是物质转移的水动力过程之间所产生的变 化过程，主要受污染物性质、环境因素和排放方式的影响。水体的透明度( 或浊 度) 是最敏感最重要的水质参数，也是国家环境保护部门一直十分重视的一项水 质参数，直接关系到周围城市饮用水质量和旅游事业，它与湖泊中的各种物质的 分布和传输直接相关，特别是固体悬浮物和泥沙的存在状态。故将湖泊水动力模 型和悬移质传输模型耦合起来，对湖泊水体的透明度做出预测，并分析各种污染 物质在水体中的迁移和转化规律，这也是当前必须重视的工作。这一模型还能够 解释泥沙冲淤对湖泊的演变产生的影响，结合沿程动力学，还可以了解湖泊水动 力条件对湖盆发展的作用。 ( 3 ) 建立全面、系统、通用的湖泊数值模拟模型 由于湖泊的环境问题日益严重，相应地要求数值模拟方法日趋复杂。为了使 数值模拟的结果更切合实际，也必须要求数值模型的初始条件、边界条件、地形、 温度等一些参数的处理更趋向于实际。目前，国内的湖泊水动力学数值模型大多 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 只停留在浅水湖泊的三维正压水动力数值模型基础上，所使用的湖面风场和温度 场边界条件等均是假设，故建立一个全面、系统、更加适用的数值模型是发展的 重点。 1 3 本文主要研究工作 1 3 1 研究内容 为对西湖引水前后的水质情况作出准确评价，必须了解西湖水域内的流场分 布情况( 各湖区的流速分布，以及是否存在死水区和环流区等) ，从而进一步分 析湖内水质情况，即水体中污染物浓度分布。由于西湖西进工程的实施，湖水进 出口分布已有很大改变( 进水口和出水口数量现已增加到1 5 个) ，所以在很大程 度上增加了系统的复杂性。由于不同的引水方案必然对应着不同的流场以及污染 物浓度分布，因此如何描述两者之间的关系并建立合理的数学模型是值得探讨 的。其结果具有重要的现实意义，将为更好地治理西湖水环境提供科学的依据。 主要研究内容如下： ( 1 ) 采用现场测量的手段，重点测量不同工况下水流进口、出口和桥洞等 关键断面的流速分布及断面流量等水力要素，了解钱塘江水引入西湖前后的流场 分布差异；对2 0 0 2 - 2 0 0 6 年的各湖区的主要水质指标结果进行统计，分析评价水 质现状及其变化情况； ( 2 ) 借助计算机数值模拟，给出不同引配水方案下的流场分布情况，根据 现场测试和计算分析所得到的西湖流场的结果，分析西湖中不易被钱塘江水更换 的死角，并提出对这些死角相应的处理措施与建议： ( 3 ) 根据污染物在水体中的推移扩散规律，在流场验证可靠的基础上进行 相应的污染物浓度场数值模拟，获得污染物推移路径、湖区水体置换周期以及不 能被引水置换的区域，进而评价引水工程的环境生态效应。本文以氯度为例，研 究其推移扩散过程。 ( 4 ) 根据上述现场测试和数值模拟结果，优化现行引配水方案。 ( 5 ) 风是浅水湖泊的重要动力条件，本文还对不同风力条件下的西湖流场 进行研究，给出垂向分层的不同流态分布，进而评价风场对西湖流场所产生的影 响。 1 0 浙江大学硕士论文西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 1 3 2 研究技术路线 了解区域内流场和污染物浓度分布通常有三种方法，即：现场实测、物模实 验及数值模拟。现场实测和物模实验获得的数据最直观，真实可靠，但受时间和 空间限制，较难获得各种物理量的欧拉场描述，且费用昂贵；采用数值模拟则可 以较好地避免以上问题。另外，由于需要研究西湖水环境系统的配水方案及水质 标准的控制，必须获得不同工况( 引配水方案) 下的流场以及污染物分布情况， 所以涉及的问题比较复杂。对于复杂系统，物理模型可能无法满足全部相似准则， 而只能做到近似相似。在此，充分利用水动力数值模拟的优势，对西湖流场进行 数值模拟，分析现行配水方案对西湖水质的改善作用，并进行方案优化。 数值模拟的可靠性取决于参数的正确率定，因此必须开展现场测试取得实测 资料来达到这一目标。现场测试包括两个阶段，利用第一阶段的流场测量成果率 定模型参数，利用第二阶段流场测量成果对数值模拟结果进行验证，本研究共开 展了四次不同工况下的现场测试。具体研究方案如下： l 、利用d e l f t3 d 进行西湖流场的数值模拟，计算结果可视化。通过调整模 型的进、出水口流量，计算不同方案下西湖水体的流场，并与相应方案下的实测 资料进行比较，验证模型的可靠性； 2 、在充分收集水质资料的基础上，进行西湖引水前后各污染物在各湖区的 分布及其随时间的变化情况： 3 、根据实测水质资料( 由杭州市环境监测站提供) 研究确定背景浓度场， 依据实际引配水方案和污染物负荷来源，在流场基础上对污染物推移扩散进行预 测分析，并与相应的实测浓度场资料进行定性对比，验证数学模型的可靠性： 4 、通过对不同风力条件下的流场研究，评价风场对浅水湖泊流场的影响。 但由于缺乏实测的风场资料，难以进行验证，但可以为今后的进一步研究提供一 些思路： 5 、根据流场、污染物浓度场的研究成果，分析不同引配水方案下的湖水置 换效果。在此基础上，提出改善西湖水环境质量的较优引配水方案及较优引水运 行方式。 浙江大学硕士论文 西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 图1 2 研究技术路线图 1 3 3 本文主要特色和创新之处 本文采用现场测量与数值模拟相结合的方法，对西湖引水前后的流场和污染 物浓度场进行了研究，评价其生态环境效应，进而优化引配水方案。采用多种手 段进行研究，并实现了学科的交叉应用。 l 、采用国际著名的d e l f t 3 d 模型进行水动力和水质的数值模拟研究，此模 型是国际先进的数学模型，考虑的动力过程完善，模型稳定性高，计算结果可靠。 2 、结合“西湖西进”工程，作为对西湖水质变化研究的背景之一，对不同引 配水方案下的西湖进行流场和浓度场数值模拟，并利用信息系统进行动态展示。 3 、由于风场变化莫测，实际资料难以取得，一直是浅水湖泊数值模拟中的 重点与难点。本文通过数值计算方法，研究了不同风力条件下西湖流场垂向分层 的流态分布情况。 4 、基于流体力学理论的基础上，交叉结合环境、生态等学科，对引水工程 的环境、生态效益进行了评价。 5 、以流场和浓度场计算的结果为基础，进一步分析了西湖的水体置换效果， 并提出优化方案，具有十分重要的实际意义。 浙江大学硕士论文西湖流场和浓度场对引水工程响应的数值模拟研究 2 1 自然环境概况 第二章西湖概况 2 1 1 地理位置及概况 杭州地处长江三角洲南翼，杭州湾西端，钱塘江下游，京杭大运河南端，是 长江三角洲重要中心城市和中国东南部交通枢纽。杭卅f 市区中心地理坐标为北纬 3 0 0 1 6 、东经1 2 0 。1 2 。西湖是位于杭州市城区西侧的小型浅水湖泊( 见图2 1 ) ， 环境优美，有着得天独厚的地理条件。 图2 一l 西湖地理位置图 西湖南北长3 3 k m ，东西宽2 8 k m ，周长1 5 k m ，湖面积6 0 3 k m 2 ，水面积 5 6 6 k m 2 ，平均水深2 0 m 。湖内白堤和苏堤把西湖分隔成外湖，北里湖，岳湖， 西里湖，小南湖等5 个湖区。环湖有四条溪流入湖，最长溪流金沙涧，长6 k m ， 最大流量o 0 9 m 3 s ；次为龙泓涧，长为3 3 5 k m ，流量仅0 0 3m 3 s 全年径流量约 为6 0 0 万m 3 左右，湖面降水量5 6 2 9 万m 3 5 8 1 。 浙江大学硕士论文西湖流场和浓度场对弓i 水工程响应的数值模拟研究 2 1 2 气候条件 杭州西湖地处中亚热带，属亚热带季风气候区。西湖气候温暖湿润，四季分 明，冬冷夏热。年平均气温为1 6 2 ，夏季平均气温2 8 6 ，冬季平均气温3 8 。 年平均降雨量1 5 0 0 i n m ，平均相对湿度也比较高，为7 6 。每年3 月4 月春暖花 开，气温在9 1 5 之间，是旅游的旺季：6 月下旬至7 月初是梅雨季节，天气 忽晴忽雨；8 月上中旬是台风多发季节，常有瓢泼大雨，气温在2 0 一2 6 以上： 9 月一1 0 月天气转凉，秋高气爽，但中秋以后常有较强的冷空气活动，夜间气温 下降幅度较大。杭州市区冬季极端最低气温为一9 6 ，出现在1 9 6 9 年2 月：由 于冬季气温低，受强冷空气影响，西湖有时也会出现结冰，距今最近的一次西湖 大面积结冰发生在1 9 7 7 年1 月；近年来，由于气候变暖，杭州冬季气温不断升 高，连续出现暖冬天气，暖冬时期1 2 2 月的平均气温达到或超过多年平均值 o 5 。杭州的夏季气温很高，在副热带高压控制下，会出现炎热干旱的伏旱天 气；常年杭州市区大于等于3 5 的高温天气有2 2 天；杭州市区的极端最高气温 为3 9 9 ，出现在1 9 7 8 年7 月。西湖偏高的水温也为藻类夏季的疯狂繁衍提供 了条件【4 4 1 。 2 1 3 透明度 湖水透明度是一项水质综合参数，与浮游生物量、悬浮泥沙量、水温、光照、 营养盐、引水量、降雨量等因子相关。其中最主要的因素是浮游生物量，而浮游 生物生长与水文最密切，其次是悬浮泥沙量。入湖溪流是目前西湖富营养化的重 要原因。西湖上游溪流主要包括长桥溪、赤山泉、龙泓涧、金沙涧，流域面积为 1 9 1 0 7 k m 2 。其中长桥溪的上游是玉皇山与沿岸居民带，故污染最严重，自1 9 9 8 年1 2 月禁磷以来，金沙涧，龙泓涧的t p 有所下降，而长桥溪、赤山泉的t p 仍 上升趋势。此外，一般每年秋季是旅游旺季，水质较差，而气温约