宁夏阅海湿地水质特征剖析与二维水动力 - 水质耦合模拟探究

宁夏阅海湿地水质特征剖析与二维水动力-水质耦合模拟探究一、引言1.1研究背景与意义湿地，作为陆地与海洋之间过渡的重要生态系统，在全球生态格局中占据着举足轻重的地位，发挥着水体净化、生物多样性维护和生态系统服务等重要功能，被誉为“地球之肾”“物种基因库”。湿地通过其独特的物理、化学和生物过程，能够有效去除水体中的污染物，如氮、磷等营养物质以及重金属等有害物质，从而起到净化水质的作用；为众多野生动植物提供了适宜的栖息、繁殖和觅食场所，维护了生物多样性；还在调节气候、蓄洪防旱、提供水源、促进旅游等方面发挥着重要作用，对维护地球生态平衡和人类的可持续发展至关重要。宁夏地处中国的西北部，气候独特，地貌多样，拥有丰富的湿地资源。阅海湿地作为宁夏湿地的重要组成部分，位于银川市金凤区北部，距市中心仅3公里，是银川市面积最大、原始地貌保存最完整的一块湿地，由苇湖、沼泽、草甸和星罗棋布的农田湿地组成，总面积2100公顷，其中水域面积1200公顷，芦苇面积500余公顷。这里湿地资源丰富，生态系统完整，以芦苇、蒲草等为主要水生密生区，是湿地鸟类最佳迁徙栖息繁殖的栖息地，水生植物有114种，鱼类17种，鸟类107种，其中国家一、二级保护鸟类24种，如一级保护鸟类有黑鹳、中华秋沙鸭、大鸨、小鸨、白尾海雕等。每年春夏季节，数十万只鸟类在此栖息繁殖，不仅是众多特有动植物和濒危物种的栖息地，也是迁徙鸟类重要的停歇地和繁殖地，具有不可替代的生态价值。同时，阅海湿地还具备显著的经济价值和社会价值。其独特的自然风光吸引了大量游客前来观光旅游，为当地旅游业的发展做出了重要贡献。据相关数据显示，近年来阅海湿地的游客接待量逐年递增，带动了周边餐饮、住宿、交通等相关产业的发展，创造了可观的经济效益。围绕阅海湿地资源优势、产业优势，积极探索发展“四水产业”，不仅发挥了阅海湿地的资源优势，而且改善湿地农工的居住环境，增加了经济收入。在社会功能方面，阅海湿地集气候调节、涵养水源、蓄水拦洪、科普宣传、生态旅游与城市休闲于一体，为当地居民提供了休闲娱乐的好去处，也成为了开展科普教育、提升公众生态环保意识的重要基地。然而，随着经济的快速发展和人口的不断增长，人类活动对阅海湿地的干扰日益加剧。不合理的水资源利用，如过度取水用于农业灌溉和工业生产，导致湿地水位下降，水域面积萎缩；周边工业废水、生活污水的排放以及农业面源污染的加剧，使得大量污染物进入湿地水体。据研究表明，部分区域的化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）含量超过了水质标准限值，水体受到了有机物的污染；总氮、总磷和氨氮等营养物质含量超标，不同区域间存在一定的氮磷比例差异，这对水体的富营养化程度有一定的影响，导致水质恶化，水生态系统遭到破坏，生物多样性受到威胁。水质是湿地生态系统健康的关键指标，水质的恶化不仅会影响湿地内生物的生存和繁衍，还会削弱湿地的生态服务功能，进而影响整个区域的生态平衡和经济社会的可持续发展。因此，对阅海湿地进行全面、深入的水质分析和水动力模拟研究具有迫切的现实需求和重要的科学意义。通过水质分析，可以准确了解湿地水质的现状和污染程度，确定主要污染物及其来源；运用二维水动力-水质模拟研究，能够深入探究湿地水质形成的机制和变化趋势，分析水动力条件对水质的影响，为制定科学合理的湿地保护和治理措施提供有力的技术支持和决策依据，对于维护阅海湿地的生态平衡、保护生物多样性、促进区域可持续发展具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状湿地水质分析和水动力-水质模拟研究一直是国内外学者关注的热点领域，在理论和实践方面都取得了较为丰富的成果。在湿地水质分析方面，国外研究起步较早，技术和方法相对成熟。早在20世纪中叶，欧美等发达国家就开始对湿地水质进行监测和分析，利用先进的仪器设备和分析技术，对湿地水体中的化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氮、磷、重金属等污染物进行精确测定。例如，美国地质调查局（USGS）长期对国内各类湿地进行水质监测，积累了大量的数据，通过对这些数据的分析，深入了解了湿地水质的时空变化规律以及污染物的来源和迁移转化途径。在研究方法上，国外学者注重多学科交叉融合，将化学、生物学、生态学等学科的方法应用于湿地水质分析中。如利用生物指示物种来评估湿地水质状况，通过分析湿地中浮游生物、底栖生物等的种类和数量变化，判断水质的优劣。国内的湿地水质分析研究虽然起步较晚，但发展迅速。随着对湿地生态系统重要性认识的不断提高，国内学者对湿地水质的研究也日益深入。在监测技术方面，逐渐从传统的手工采样分析向自动化、智能化监测转变，利用在线监测设备实时获取湿地水质数据，提高了监测的频率和准确性。许多科研团队和高校开展了对不同类型湿地水质的研究，如对鄱阳湖、洞庭湖等大型湖泊湿地以及滨海湿地、河流湿地等的水质进行分析，掌握了这些湿地水质的基本特征和污染状况。在研究内容上，不仅关注污染物的浓度和分布，还深入探讨了湿地水质与周边土地利用、气候条件、人类活动等因素之间的关系。例如，有研究表明，城市建设用地的扩张会导致周边湿地水质恶化，而合理的湿地植被恢复和保护措施可以有效改善水质。在湿地水动力-水质模拟研究方面，国外在模型开发和应用方面处于领先地位。20世纪70年代以来，陆续开发了多种成熟的水动力-水质模型，如EFDC（EnvironmentalFluidDynamicsCode）模型、MIKE系列模型等。这些模型能够综合考虑水流运动、物质输运、化学反应等多种过程，对湿地水动力和水质进行较为准确的模拟。EFDC模型在全球范围内被广泛应用于河口、海湾、湖泊等水体的水动力和水质模拟研究中，通过对水流速度、水位变化、污染物扩散等的模拟，为水资源管理和环境保护提供了重要的决策依据。MIKE系列模型则以其强大的功能和友好的界面，在湿地水动力-水质模拟领域也得到了广泛应用，能够对复杂地形和边界条件下的湿地水动力和水质进行精细化模拟。国内学者在引进和消化国外先进模型的基础上，结合国内湿地的特点和实际需求，对模型进行了改进和创新。例如，对一些模型的参数进行本地化调整，使其更适用于国内湿地的模拟研究；在模型中加入一些具有中国特色的因素，如考虑了中国农业面源污染的特点，对模型中污染物输入模块进行优化。同时，国内也开展了一些自主研发的水动力-水质模型的研究工作，取得了一定的成果。在应用方面，国内将水动力-水质模型广泛应用于不同类型湿地的研究中，如对太湖湿地、滇池湿地等的研究，通过模拟分析，揭示了湿地水动力条件对水质的影响机制，为湿地的保护和治理提供了科学依据。尽管国内外在湿地水质分析和水动力-水质模拟研究方面取得了众多成果，但仍存在一些不足之处。在水质分析方面，虽然对常见污染物的监测和分析较为成熟，但对于一些新兴污染物，如微塑料、抗生素、内分泌干扰物等的研究还相对较少，对其在湿地环境中的分布、迁移转化规律以及生态风险评估还缺乏深入了解。在水动力-水质模拟方面，现有的模型在模拟复杂地形和边界条件下的湿地水动力和水质时，还存在一定的误差，对一些特殊湿地生态过程的模拟能力还较弱，如湿地植被对水流的影响、湿地土壤-水-植物界面的物质交换过程等。此外，在研究中，往往侧重于单一湿地的研究，对不同类型湿地之间的对比研究以及区域尺度上湿地水质和水动力的综合研究还相对不足。阅海湿地作为宁夏重要的湿地生态系统，具有独特的地理环境和生态特征。目前，针对阅海湿地的研究主要集中在湿地资源调查、生态保护与恢复等方面，对湿地水质的深入分析和水动力-水质模拟研究相对较少。因此，开展阅海湿地实测水质分析及二维水动力-水质模拟研究，对于填补该领域在阅海湿地研究的空白，深入了解阅海湿地水质状况及其形成机制，具有重要的科学意义和现实需求。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容阅海湿地实测水质分析：在阅海湿地内选取具有代表性的多个采样点，包括靠近污染源的区域、湿地中心区域、入水口和出水口等，按照相关标准和规范，在不同季节（春季、夏季、秋季、冬季）进行水样采集。运用化学分析方法，对水样中的溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH_3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、重金属（如铅Pb、汞Hg、镉Cd等）等常规水质指标以及新兴污染物（如微塑料、抗生素等，若有条件检测）进行精确测定。分析各水质指标在不同区域和季节的变化规律，评估阅海湿地水质的现状和污染程度，确定主要污染物及其来源。阅海湿地二维水动力-水质模拟研究：收集阅海湿地的地形数据（如高程、水深等）、水文数据（如水位、流量、流速等）、气象数据（如风速、风向、气温、降水等）以及污染源数据（如污染物排放位置、排放量、排放浓度等）。基于这些数据，选用合适的二维水动力模型（如EFDC模型、MIKE21模型等），构建阅海湿地的二维水动力模型，模拟湿地内水流的运动状态，包括流速、流向、水位变化等，并分析水动力条件的时空分布特征。将水质模型与水动力模型进行耦合，考虑污染物在水体中的扩散、迁移、转化等过程，模拟不同污染物在湿地水体中的浓度分布和变化趋势，探究水动力条件对水质的影响机制，分析不同污染源对湿地水质的贡献程度。1.3.2研究方法水样采集与分析方法：水样采集按照《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91-2002）的要求进行。使用有机玻璃采水器采集表层水样（水面下0.5m处），每个采样点采集3份平行水样，混合后作为该点的水样。采集的水样立即装入干净的聚乙烯瓶中，加入适量的硫酸或硝酸进行酸化保存（对于重金属等指标），以防止金属离子沉淀或被吸附。对于溶解氧的测定，现场使用便携式溶解氧仪进行测量；对于COD、BOD、氨氮、总氮、总磷等指标，采用国家标准分析方法，如重铬酸钾法测定COD，稀释与接种法测定BOD，纳氏试剂分光光度法测定氨氮，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮，钼酸铵分光光度法测定总磷。对于重金属指标，采用原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等进行分析；对于新兴污染物，根据其特性选择相应的分析方法，如微塑料采用显微镜观察结合红外光谱分析，抗生素采用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）等。二维水动力-水质模型构建与验证方法：地形几何模型的构建利用数字化的地形图和水下地形测量数据，通过地理信息系统（GIS）软件进行处理，生成二维网格地形数据，输入到水动力模型中。数值风场模型根据实测的气象数据，利用风场模拟软件或模型自带的风场模块，生成不同时刻的风场数据，作为水动力模型的边界条件。水动力模型的参数率定通过与实测的水位、流速数据进行对比分析，采用试错法或优化算法（如遗传算法、粒子群算法等）对模型中的糙率、曼宁系数、紊动粘性系数等参数进行调整，使模型模拟结果与实测数据达到最佳拟合。水质模型的参数确定参考相关文献资料和实际监测数据，确定污染物的降解系数、扩散系数、吸附解吸系数等参数。模型验证使用另一组独立的实测数据，将模型模拟结果与实测的水质数据进行对比，计算相关的误差指标（如均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE、相对误差RE等），评估模型的模拟精度和可靠性。若模型模拟结果与实测数据偏差较大，则进一步分析原因，对模型参数或结构进行调整和优化，直到模型能够准确模拟阅海湿地的水动力和水质状况。二、宁夏阅海湿地概况2.1地理位置与自然环境宁夏阅海湿地位于宁夏回族自治区银川市金凤区北部，地理坐标约为东经106°10′-106°20′，北纬38°30′-38°40′之间。它西依巍峨的贺兰山，东临奔腾的黄河水，距银川市中心仅3公里，交通便利，区位优势明显。这种独特的地理位置使其成为银川市重要的生态屏障和城市“绿肺”，不仅在调节区域气候、涵养水源、净化水质等方面发挥着关键作用，还为城市居民提供了亲近自然、休闲娱乐的理想场所。从气候条件来看，阅海湿地属于温带大陆性气候，具有显著的干旱半干旱气候特征。其气候特点主要表现为四季分明，春季升温迅速，多大风天气；夏季短促炎热，降水集中，且多以暴雨形式出现；秋季降温较快，昼夜温差大；冬季漫长寒冷，降雪较少。年平均气温约为8℃-9℃，1月平均气温在-8℃左右，7月平均气温在24℃左右。年降水量较少，一般在200毫米-250毫米之间，且降水分布不均，主要集中在夏季的6-8月，约占全年降水量的60%-70%。而蒸发量却相对较大，年蒸发量可达1500毫米-2000毫米，是降水量的6-10倍。这种干旱的气候条件使得水资源在该地区显得尤为珍贵，也对阅海湿地的水源补给和水量维持带来了一定的挑战。同时，气候条件对湿地水质和水动力有着重要影响。降水不仅是湿地的重要水源补给方式之一，其降水量和降水时间的变化会直接影响湿地水位的高低和水量的多少。暴雨可能会导致短时间内大量雨水流入湿地，使水位迅速上升，水流速度加快，从而影响水动力条件；同时，降水还可能携带大量的污染物，如农田中的农药、化肥以及城市中的生活污水等，进入湿地水体，导致水质恶化。气温的变化则会影响水体的物理和化学性质，如水温升高会加速水体中污染物的分解和转化，也会使水中的溶解氧含量降低，从而影响水生生物的生存和繁衍。此外，大风天气会引起水面波动，增加水体与大气之间的气体交换，对溶解氧的分布和水体的混合产生影响；同时，大风还可能导致湿地周边的沙尘进入水体，增加水体的浊度。阅海湿地的地形地貌较为独特，整体地势平坦，由湖泊、沼泽、草甸和农田湿地等多种地貌类型组成。湿地内水域面积广阔，约占总面积的57%，河道蜿蜒曲折，相互交织，形成了复杂的水系网络。这些水域不仅为众多水生生物提供了栖息和繁衍的场所，还在调节区域水文过程中发挥着重要作用。湖泊的存在可以储存大量的水资源，在枯水期为周边地区提供水源补给；河道则是水体流动的通道，对水动力条件的形成和维持起着关键作用。沼泽和草甸分布在水域周边，它们具有较强的蓄水和保水能力，能够减缓洪水的流速，降低洪水的危害；同时，沼泽和草甸中的植被还可以吸收和过滤水中的污染物，起到净化水质的作用。农田湿地则是人类活动与自然湿地相互作用的产物，虽然其生态功能相对较弱，但在一定程度上也为湿地生态系统提供了补充和支持。地形对湿地水质和水动力的影响主要体现在水流的流速和流向方面。地势的起伏和河道的弯曲程度会导致水流速度的变化，在地势低洼和河道狭窄的区域，水流速度通常较慢，容易造成污染物的沉积和积累；而在地势较高和河道宽阔的区域，水流速度相对较快，有利于污染物的扩散和稀释。此外，地形还会影响水体的分层现象，在较深的湖泊中，由于水温、盐度等因素的差异，可能会出现水体分层，这对水质的分布和变化也会产生影响。土壤类型是自然环境的重要组成部分，阅海湿地的土壤主要包括沼泽土、草甸土和风沙土等。沼泽土主要分布在湿地的低洼积水区域，其特点是土壤质地黏重，富含有机质，含水量高，透气性差。这种土壤环境有利于湿地植被的生长，如芦苇、蒲草等，它们能够在这种缺氧的环境中通过特殊的生理结构和代谢方式获取氧气和养分。同时，沼泽土中的微生物活动较为活跃，能够对水中的污染物进行分解和转化，起到净化水质的作用。草甸土分布在湿地的边缘和地势相对较高的区域，土壤质地较为疏松，肥力较高，适合多种草本植物的生长。草甸土中的根系能够固定土壤，防止水土流失，同时也能够吸收和储存一定量的水分和养分，对湿地的生态功能起到一定的支持作用。风沙土主要分布在湿地周边的沙漠边缘地区，土壤质地粗糙，保水保肥能力差。风沙土容易受到风力的侵蚀，导致沙尘进入湿地，影响湿地的水质和生态环境。土壤对湿地水质和水动力的影响主要通过土壤与水体之间的物质交换来实现。土壤中的养分、矿物质和有机物等会随着地表径流和地下水的流动进入水体，影响水质的化学组成。土壤的吸附和过滤作用也会对水中的污染物产生影响，一些污染物会被土壤颗粒吸附，从而降低水体中的污染物浓度。此外，土壤的透水性和持水性会影响地下水与地表水之间的水力联系，进而影响湿地的水动力条件。2.2湿地生态系统特征阅海湿地生态系统是一个复杂而独特的生态系统，由多种生物和非生物成分相互作用构成。从生物成分来看，植物种类丰富多样，包括高等维管植物157种，主要有芦苇、蒲草、睡莲等水生植物，以及枸杞、红柳等陆生植物。芦苇和蒲草是湿地的优势物种，它们生长茂密，形成了大片的芦苇荡和蒲草群落，为众多生物提供了栖息和繁殖的场所。芦苇具有发达的根系，能够固定土壤，防止水土流失；其茎杆坚韧，能够抵御风浪的侵蚀，对维护湿地的生态稳定起到了重要作用。蒲草则是许多水鸟的食物来源，其生长环境也为鱼类等水生生物提供了遮蔽和繁殖的条件。睡莲等水生植物则在水面上绽放出美丽的花朵，不仅为湿地增添了自然景观的美感，还能够通过光合作用为水体提供氧气，促进水体的生态平衡。枸杞、红柳等陆生植物主要分布在湿地的岸边和堤岸，它们具有较强的耐旱和耐盐碱能力，能够适应干旱半干旱的气候条件和盐碱化的土壤环境。这些植物的存在不仅丰富了湿地的植物群落结构，还能够起到防风固沙、保持水土的作用。动物种类同样丰富，涵盖了鱼类、鸟类、哺乳动物、爬行动物、两栖动物以及大量的昆虫和水生物等。鱼类有17种，主要包括鲤鱼、鲫鱼、草鱼等常见淡水鱼类。这些鱼类在湿地的食物链中处于重要位置，既是水生植物和浮游生物的消费者，又是鸟类和其他捕食者的食物来源。它们的生存和繁衍状况反映了湿地水体的生态质量，对维持湿地生态系统的平衡具有重要意义。鸟类是阅海湿地的一大特色，共有107种，其中国家一、二级保护鸟类24种。每年春夏季节，数十万只鸟类在此栖息繁殖，形成了壮观的自然景象。一级保护鸟类如黑鹳、中华秋沙鸭、大鸨、小鸨、白尾海雕等，它们对栖息环境要求极高，阅海湿地为它们提供了适宜的觅食、繁殖和停歇场所。二级保护鸟类大天鹅、小天鹅、鸳鸯、白鹤等，也在湿地中展现出独特的生态习性。鸟类的迁徙活动与湿地的生态环境密切相关，它们的到来不仅增加了湿地的生物多样性，还对湿地的生态系统功能起到了重要的调节作用。哺乳动物、爬行动物、两栖动物以及昆虫和水生物等在湿地生态系统中也各自扮演着重要角色。哺乳动物中的一些小型啮齿动物，虽然个体较小，但它们的活动对湿地土壤的翻动和养分循环有一定影响；爬行动物如蛇类等，通过捕食小型动物，控制了这些动物的种群数量，维持了生态平衡；两栖动物的繁殖和生存依赖于湿地的水域和陆地环境，它们在食物链中处于中间环节，为其他动物提供了食物资源；昆虫和水生物则是湿地生态系统中物质循环和能量流动的重要参与者，它们的存在和活动对湿地生态系统的正常运转至关重要。从非生物成分来看，湿地的水体、土壤、气候等因素相互作用，共同影响着生态系统的结构和功能。水体是湿地生态系统的核心组成部分，其水质、水量和水动力条件直接影响着生物的生存和繁衍。如前所述，阅海湿地的水体受到人类活动和自然因素的双重影响，水质存在一定程度的污染问题。水量的变化也较为明显，受到降水、蒸发和人类用水等因素的影响，水位在不同季节和年份有所波动。水动力条件包括水流速度、流向和水位变化等，这些因素影响着水体中营养物质和污染物的分布，进而影响着生物的生存环境。土壤是湿地生态系统的重要支撑，为植物的生长提供了养分和物理支撑。阅海湿地的土壤类型主要有沼泽土、草甸土和风沙土等，不同类型的土壤具有不同的物理和化学性质，对植物的生长和分布产生重要影响。气候条件如温度、降水、光照等，不仅影响着生物的生长发育和繁殖，还影响着水体的物理和化学性质，进而影响着湿地生态系统的功能。在温度较高的夏季，水体中的微生物活动较为活跃，有利于有机物的分解和转化；而在降水较多的季节，湿地的水量增加，可能会导致水体的稀释和冲刷作用增强。阅海湿地生态系统具有多种重要的生态服务功能。在水质净化方面，湿地植物通过根系吸收、吸附和微生物分解等作用，能够有效去除水体中的氮、磷等营养物质以及重金属等污染物，起到净化水质的作用。研究表明，芦苇等水生植物对氨氮的去除率可达70%以上，对总磷的去除率也能达到50%左右。生物多样性维护是湿地的重要功能之一，阅海湿地为众多珍稀濒危物种提供了栖息和繁殖的场所，对于维护生物多样性具有不可替代的作用。许多鸟类、鱼类和其他生物在湿地中找到了适宜的生存环境，它们的存在丰富了地球的生物基因库。此外，湿地还在调节气候、蓄洪防旱、提供水源等方面发挥着重要作用。湿地的水体和植被能够吸收大量的二氧化碳，减缓温室效应；在洪水来临时，湿地能够储存大量的洪水，减轻洪水对周边地区的威胁；同时，湿地也是重要的水源地，为周边地区的生产生活提供了宝贵的水资源。湿地生态系统与水质水动力之间存在着密切的相互关系。水质和水动力条件是影响湿地生态系统结构和功能的重要因素。水质的好坏直接影响着生物的生存和繁衍，当水体受到污染时，水中的溶解氧含量降低，有害物质增加，会导致鱼类等水生生物死亡，鸟类等动物的食物来源减少，从而破坏湿地生态系统的平衡。水动力条件也对湿地生态系统产生重要影响。水流速度和流向的变化会影响营养物质和污染物的分布，进而影响生物的生长和繁殖。在水流速度较快的区域，营养物质和氧气能够及时补充，有利于生物的生长；而在水流速度较慢的区域，容易造成污染物的积累，对生物产生不利影响。水位的变化也会影响湿地植被的分布和生长，过高或过低的水位都可能导致植被死亡，破坏湿地生态系统的稳定性。湿地生态系统也能够对水质和水动力产生反馈作用。湿地植物的存在可以减缓水流速度，增加水体的紊动，促进水体的混合和溶解氧的补充；同时，植物根系的吸附和微生物的分解作用能够净化水质。湿地的地形和地貌也会影响水动力条件，如河道的弯曲程度、湿地的坡度等都会影响水流的速度和流向。2.3人类活动对湿地的影响随着区域经济的快速发展和人口的持续增长，阅海湿地周边的人类活动日益频繁，对湿地的水质和生态系统产生了多方面的显著影响。在农业活动方面，周边农田的灌溉用水大量取自湿地或其补给水源，导致湿地的水量减少，水位下降。据相关数据统计，近年来，由于农业灌溉用水的增加，阅海湿地的年平均水位下降了约0.5-1米。这种水位的下降不仅改变了湿地的水动力条件，使得水流速度减缓，水体的自净能力降低；还对湿地的生态系统产生了负面影响，导致湿地植被的分布范围缩小，一些依赖湿地生存的动植物数量减少。农田中大量使用的化肥和农药，通过地表径流和农田退水等途径进入湿地水体，成为重要的面源污染。研究表明，湿地周边农田每年施用的化肥量达到了每公顷300-500千克，农药使用量也较为可观。这些化肥和农药中的氮、磷等营养物质以及有机污染物进入湿地后，会导致水体富营养化，藻类过度繁殖，溶解氧含量降低，进而影响水生生物的生存和繁衍。一些农药中的有毒有害物质还可能在生物体内富集，对湿地生态系统的食物链造成破坏，威胁到整个生态系统的稳定。工业活动同样给阅海湿地带来了不小的冲击。部分工业企业分布在湿地周边，这些企业在生产过程中产生的废水，含有大量的化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、重金属（如铅Pb、汞Hg、镉Cd等）和其他有害物质。尽管部分企业配备了污水处理设施，但仍有部分企业存在偷排、漏排现象，导致大量未经有效处理的废水直接排入湿地。根据对周边工业企业的调查，约有20%的企业存在不同程度的违规排放问题。这些废水的排放使得湿地水体中的污染物浓度急剧增加，水质恶化，对湿地生态系统造成了严重破坏。废水中的重金属会在土壤和水体中积累，难以降解，对湿地生物的生长发育和生理功能产生负面影响，甚至导致生物死亡。高浓度的COD和BOD会消耗水中的溶解氧，使水体处于缺氧状态，影响水生生物的呼吸和生存。旅游业的蓬勃发展也给阅海湿地带来了一定的影响。随着阅海湿地知名度的提高，游客数量逐年增加，2023年游客接待量达到了50万人次，较上一年增长了15%。游客活动的增加，如游船行驶、岸边游览等，对湿地的生态环境造成了一定的干扰。游船行驶过程中产生的波浪会破坏湿地岸边的植被，加速土壤侵蚀；游客丢弃的垃圾，如食品包装袋、饮料瓶等，不仅影响了湿地的景观美观，还可能被动物误食，对动物的健康造成威胁。旅游设施的建设，如停车场、餐饮设施等，也占用了部分湿地资源，破坏了湿地的原有生态结构。这些旅游设施的建设往往会改变湿地的地形地貌，影响水流的自然流动，进而对湿地的水动力和水质产生影响。一些餐饮设施产生的污水和垃圾，如果处理不当，也会对湿地水体造成污染。不合理的用水和污染排放问题，给阅海湿地带来了严峻的挑战。除了上述提到的农业、工业和旅游业活动导致的不合理用水和污染排放外，城市生活污水的排放也是一个重要问题。随着周边城市人口的增加，生活污水的产生量也在不断上升。部分城市污水处理设施的处理能力有限，导致部分生活污水未经充分处理就排入了湿地。这些生活污水中含有大量的有机物、氮、磷等营养物质以及病原体，会导致湿地水体富营养化，引发藻类水华等问题，还可能传播疾病，危害湿地生物和人类的健康。水资源的不合理分配和利用，导致湿地生态用水不足，无法满足湿地生态系统的正常需求。在干旱季节，为了满足农业灌溉和工业生产的用水需求，往往会过度抽取湿地的水源，使得湿地水位下降，水域面积缩小，生态功能受损。三、实测水质分析3.1水样采集与分析方法为全面、准确地了解宁夏阅海湿地的水质状况，科学合理地设置采样点是关键。本次研究根据阅海湿地的地形地貌、水流方向、污染源分布以及生态功能区划分等因素，共设置了10个采样点。在靠近周边工业企业和生活污水排放口的区域设置了3个采样点（S1、S2、S3），这些点位能够直接反映工业废水和生活污水对湿地水质的影响；在湿地中心区域设置了3个采样点（S4、S5、S6），用于监测湿地核心区域的水质状况，代表湿地的自然本底水质；在入水口和出水口分别设置了2个采样点（S7、S8和S9、S10），通过对入水口和出水口水质的监测，可以分析湿地对污染物的净化能力以及水流对水质的影响。每个采样点的设置都充分考虑了其代表性和独特性，以确保采集到的水样能够全面反映阅海湿地不同区域的水质特征。采样时间从2023年1月开始，至2023年12月结束，涵盖了四季，分别在春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）和冬季（12-2月）进行水样采集。每个季节采集3次，每次采集时间间隔为15天左右。这样的采样频率能够较好地捕捉到水质在不同季节的变化规律，同时也考虑到了人力、物力和时间成本的限制。选择在不同季节采样，是因为季节变化会导致气候、水文条件以及人类活动的差异，进而对湿地水质产生显著影响。春季气温逐渐升高，冰雪融化，河流径流量增加，可能会带来大量的外源污染物；夏季降水集中，雨水冲刷地表，会将农田中的农药、化肥等污染物带入湿地；秋季水生植物逐渐枯萎，植物残体分解会释放出营养物质，对水质产生影响；冬季气温较低，水体流动性减弱，污染物容易积累。通过在不同季节采样，可以全面了解这些因素对水质的综合影响。水样采集严格按照《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91-2002）的要求进行。使用有机玻璃采水器采集表层水样，采集深度为水面下0.5m处，以避免表层浮沫和底层沉积物对水样的干扰。每个采样点采集3份平行水样，将3份平行水样充分混合后作为该点的水样，这样可以减少采样误差，提高数据的准确性。采集的水样立即装入干净的聚乙烯瓶中，对于需要测定重金属等指标的水样，加入适量的硫酸或硝酸进行酸化保存，使水样的pH值小于2，以防止金属离子沉淀或被吸附。对于溶解氧（DO）的测定，现场使用便携式溶解氧仪进行测量。便携式溶解氧仪具有操作简便、测量快速、精度高等优点，能够在现场及时获取溶解氧数据，避免了水样运输和保存过程中溶解氧的变化。在测量前，先对溶解氧仪进行校准，确保测量结果的准确性。测量时，将探头插入水样中，待读数稳定后记录数据。对于化学需氧量（COD）的测定，采用重铬酸钾法。该方法的原理是在强酸性溶液中，用一定量的重铬酸钾氧化水样中的还原性物质，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵溶液回滴，根据硫酸亚铁铵的用量计算出水样中还原性物质消耗氧的量。具体步骤如下：取适量水样于回流装置的磨口锥形瓶中，加入一定量的重铬酸钾标准溶液和硫酸-硫酸银溶液，加热回流2小时。冷却后，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定至溶液由黄色经蓝绿色变为红褐色即为终点。记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量，根据公式计算COD的浓度。该方法具有氧化率高、再现性好等优点，是目前测定COD的经典方法。生化需氧量（BOD）采用稀释与接种法测定。其原理是将水样注满培养瓶，塞好后应不透气，将瓶置于恒温条件下培养5天。培养前后分别测定溶解氧浓度，由两者的差值可算出每升水消耗掉氧的质量，即BOD5值。如果水样中无微生物，则应于稀释水中接种微生物，使稀释后的水样中含有足够的微生物。在培养过程中，水样中的有机物被微生物分解，消耗水中的溶解氧。通过测定培养前后溶解氧的变化，就可以计算出水样中有机物的含量。该方法能够反映水中可生物降解的有机物的含量，对于评估水体的污染程度和生态系统的健康状况具有重要意义。氨氮（NH_3-N）的测定采用纳氏试剂分光光度法。碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，其颜色深浅与氨氮含量成正比，在波长410-425nm范围内测其吸光度，根据标准曲线计算氨氮含量。具体操作步骤为：取适量水样于50ml比色管中，加入适量的酒石酸钾钠溶液和纳氏试剂，摇匀后放置10-15分钟，使反应充分进行。然后在分光光度计上于410-425nm波长处测定吸光度。同时，制作氨氮标准曲线，根据标准曲线计算水样中氨氮的浓度。该方法具有操作简单、灵敏度高、选择性好等优点，广泛应用于氨氮的测定。总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。在60℃以上的水溶液中，过硫酸钾可分解产生硫酸氢钾和原子态氧，硫酸氢钾在溶液中离解而产生氢离子，故在氢氧化钠的碱性介质中可促使过硫酸钾分解完全。分解产生的原子态氧在120-124℃条件下，可使水样中含氮化合物的氮元素转化为硝酸盐。采用紫外分光光度法于波长220nm和275nm处，分别测定吸光度A220和A275，按公式计算校正吸光度A，根据A的值查校准曲线并计算总氮的含量。该方法能够准确测定水样中的总氮含量，包括有机氮和无机氮，对于研究水体的氮循环和富营养化问题具有重要意义。总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法测定。在酸性条件下，正磷酸盐与钼酸铵、酒石酸锑氧钾反应，生成磷钼杂多酸，被还原剂抗坏血酸还原，则变成蓝色络合物，通常即称磷钼蓝。在700nm波长下，测定吸光度，根据标准曲线计算总磷含量。具体步骤为：取适量水样于比色管中，加入过硫酸钾溶液，在高压蒸汽灭菌器中消解30分钟。冷却后，加入钼酸铵溶液、酒石酸锑氧钾溶液和抗坏血酸溶液，摇匀后放置15-20分钟。然后在分光光度计上于700nm波长处测定吸光度。通过制作总磷标准曲线，根据标准曲线计算水样中总磷的浓度。该方法是测定总磷的常用方法，具有灵敏度高、准确性好等优点。3.2水质指标分析结果通过对采集水样的分析，获得了阅海湿地不同区域和季节的水质指标数据，具体测定结果如表1所示：表1阅海湿地不同采样点水质指标测定结果（mg/L，pH值和DO除外）采样点季节pH值DOCODBODNH_3-NTNTPS1春季8.25.535.615.42.13.50.3夏季8.04.840.218.62.54.00.35秋季8.35.238.516.82.33.80.32冬季8.56.033.013.51.83.20.28S2春季8.15.332.414.21.93.20.25夏季7.94.538.017.02.23.60.3秋季8.25.036.015.52.03.40.28冬季8.45.830.012.01.63.00.25S3春季8.35.434.014.82.03.30.28夏季8.14.639.017.52.33.70.32秋季8.45.137.016.02.13.50.3冬季8.65.931.012.51.73.10.26S4春季7.86.025.010.01.02.00.15夏季7.65.528.012.01.22.20.18秋季7.95.826.011.01.12.10.16冬季8.06.523.08.00.81.80.12S5春季7.75.824.09.50.91.90.14夏季7.55.327.011.51.12.10.17秋季7.85.625.010.51.02.00.15冬季7.96.322.07.50.71.70.11S6春季7.85.924.59.80.951.950.145夏季7.65.427.511.81.152.150.175秋季7.95.725.510.81.052.050.155冬季8.06.422.58.50.851.850.125S7春季8.05.628.011.01.32.50.2夏季7.85.032.014.01.52.80.25秋季8.15.330.012.51.42.60.22冬季8.26.026.09.01.12.30.18S8春季7.95.527.010.51.22.40.19夏季7.74.931.013.51.42.70.24秋季8.05.229.012.01.32.50.21冬季8.15.825.08.51.02.20.17S9春季8.15.726.010.21.12.30.18夏季7.95.130.013.01.32.60.23秋季8.25.428.011.51.22.40.2冬季8.36.124.08.20.92.10.16S10春季8.05.625.59.81.052.250.17夏季7.85.029.512.81.252.550.22秋季8.15.327.511.21.152.350.19冬季8.25.923.57.90.852.050.15从表1数据可以看出，不同区域的水质指标存在明显差异。在靠近污染源的采样点S1、S2、S3，COD、BOD、NH_3-N、TN和TP等指标的浓度普遍高于湿地中心区域的采样点S4、S5、S6以及入水口和出水口的采样点S7、S8、S9、S10。以COD为例，S1点夏季的COD浓度高达40.2mg/L，而S4点夏季的COD浓度仅为28.0mg/L。这表明污染源的存在对周边水质产生了显著影响，导致污染物浓度升高。湿地中心区域由于水体的自净作用和相对较少的人类活动干扰，水质相对较好。入水口和出水口的水质指标则受到上游来水和湿地水体交换的共同影响。水质指标在不同季节也呈现出明显的变化规律。COD和BOD在夏季普遍较高，这是因为夏季气温较高，微生物活动旺盛，有机物分解速度加快，同时周边人类活动产生的污染物排放也相对较多。NH_3-N、TN和TP等营养物质的浓度在夏季和秋季相对较高，这与农业面源污染和水生植物的生长代谢有关。夏季是农业生产的高峰期，大量化肥的使用使得地表径流中氮、磷等营养物质含量增加，通过入水口进入湿地；秋季水生植物逐渐枯萎，植物残体分解会释放出氮、磷等营养物质，导致水体中营养物质浓度升高。DO含量在冬季相对较高，这是因为冬季水温较低，气体在水中的溶解度增大，同时冬季微生物活动较弱，对氧气的消耗减少。为了评估阅海湿地的水质污染程度，将各水质指标的测定结果与《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）进行对比。结果显示，在靠近污染源的区域，部分水质指标超过了IV类水标准，如S1点夏季的COD浓度为40.2mg/L，超过了IV类水标准（30mg/L）；S2点夏季的NH_3-N浓度为2.2mg/L，超过了IV类水标准（1.5mg/L）。这表明这些区域的水质受到了较为严重的污染，主要污染物为有机物和氮、磷等营养物质。在湿地中心区域和入水口、出水口，大部分水质指标符合III类或IV类水标准，但仍有部分指标接近或略超过标准限值，如S4点夏季的BOD浓度为12.0mg/L，接近III类水标准（10mg/L）。总体而言，阅海湿地的水质存在一定程度的污染问题，尤其是靠近污染源的区域，需要加强保护和治理措施。3.3水质综合评价为全面、准确地评估阅海湿地的水质状况，本研究采用综合污染指数法对水质进行评价。综合污染指数法是一种综合考虑多个水质参数，通过统计分析和数学模型，将各个指标综合起来，以直观反映水质状况的评价方法。该方法能够综合考虑多种污染物对水体的影响，全面地评估水质的污染程度，在水环境评价中具有广泛的应用。首先，确定适用于阅海湿地的水质参数，选取了溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH_3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）这6个在水质监测中具有代表性且对湿地生态系统影响较大的指标。这些指标能够反映水体中有机物污染、营养物质含量以及溶解氧水平等关键信息，对于评估湿地水质状况具有重要意义。针对不同指标确定权重。不同指标对水质的影响程度存在差异，某些指标对水质变化更为敏感。本研究采用层次分析法（AHP）确定各指标的权重。层次分析法是一种将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法。通过构建判断矩阵，对各指标的相对重要性进行两两比较，计算出各指标的权重向量。经过计算，DO的权重为0.15，COD的权重为0.20，BOD的权重为0.18，NH_3-N的权重为0.17，TN的权重为0.15，TP的权重为0.15。这表明在阅海湿地的水质评价中，COD和BOD对水质的影响相对较大，因为它们直接反映了水体中有机物的污染程度，而有机物污染是导致湿地水质恶化的重要因素之一；NH_3-N和TN作为氮营养物质的指标，对水体富营养化有重要影响，其权重也相对较高；DO是衡量水体健康程度的重要指标，TP是导致水体富营养化的关键营养元素之一，它们的权重也在一定程度上体现了其在水质评价中的重要性。对各个指标的监测数据进行标准化处理。由于不同指标的单位和数量级存在差异，为了能够将其进行比较和综合，采用线性标准化方法，将原始数据转化为0-1之间的数值。具体公式为：x_{ij}^*=\frac{x_{ij}-x_{j\min}}{x_{j\max}-x_{j\min}}，其中x_{ij}^*为标准化后的数据，x_{ij}为原始数据，x_{j\min}和x_{j\max}分别为第j个指标的最小值和最大值。通过标准化处理，消除了不同指标之间的量纲差异，使各指标具有可比性。计算综合污染指数（PI），公式为：PI=\sum_{i=1}^{n}w_{i}x_{i}^*，其中w_{i}为第i个指标的权重，x_{i}^*为第i个指标标准化后的数据。根据计算得到的综合污染指数，将水质污染程度分为合格（PI\leq0.8）、基本合格（0.8\ltPI\leq1.0）、污染（1.0\ltPI\leq2.0）和重污染（PI\gt2.0）四类。根据综合污染指数的计算结果，对阅海湿地不同区域和季节的水质进行评价。在靠近污染源的区域，如S1、S2、S3采样点，综合污染指数较高，大部分季节的PI值都大于1.0，属于污染状态，其中S1点夏季的PI值达到了1.35，污染较为严重。这主要是由于该区域受到工业废水和生活污水排放的影响，大量有机物和营养物质进入水体，导致水质恶化。在湿地中心区域，如S4、S5、S6采样点，综合污染指数相对较低，大部分季节的PI值在0.8-1.0之间，属于基本合格状态，说明该区域水质相对较好，但仍有部分指标接近或略超过标准限值，需要关注。入水口和出水口的采样点，如S7、S8、S9、S10，综合污染指数在不同季节有所波动，部分季节属于基本合格状态，部分季节接近污染状态，这表明入水口和出水口的水质受到上游来水和湿地水体交换的共同影响，水质状况不太稳定。从季节变化来看，夏季的综合污染指数普遍较高，大部分采样点的PI值都超过了1.0，属于污染状态。这是因为夏季气温较高，微生物活动旺盛，有机物分解速度加快，同时周边人类活动产生的污染物排放也相对较多，导致水体中污染物浓度升高。此外，夏季农业面源污染较为严重，大量化肥和农药通过地表径流进入湿地，也加剧了水质的恶化。冬季的综合污染指数相对较低，大部分采样点的PI值在0.8-1.0之间，属于基本合格状态。这主要是因为冬季气温较低，微生物活动较弱，对氧气的消耗减少，同时污染物排放也相对较少，水体的自净能力相对较强。春季和秋季的综合污染指数介于夏季和冬季之间，部分采样点属于基本合格状态，部分采样点接近污染状态。通过综合污染指数法的评价，可以得出阅海湿地的水质存在一定程度的污染问题，尤其是靠近污染源的区域和夏季，污染较为严重。主要污染物为有机物和氮、磷等营养物质，这些污染物的来源主要包括工业废水、生活污水排放以及农业面源污染等。针对这些问题，需要采取有效的治理措施，如加强对工业企业和生活污水的排放监管，减少污染物排放；推广生态农业，减少化肥和农药的使用，降低农业面源污染；加强湿地生态修复，提高湿地的自净能力等，以改善阅海湿地的水质状况，保护湿地生态系统的健康和稳定。四、二维水动力-水质模拟研究4.1二维水动力模型构建4.1.1模型选择依据在水动力-水质模拟研究中，模型的选择至关重要，需综合多方面因素进行考量。EFDC（EnvironmentalFluidDynamicsCode）模型和MIKE21模型是当前应用较为广泛的二维水动力模型，它们在处理复杂地形和边界条件下的水动力模拟方面各有优势。EFDC模型是由美国环境保护署（EPA）和弗吉尼亚海洋科学研究所（VIMS）共同开发的通用水动力和水质模型。该模型具有强大的功能，能够模拟多种复杂的水动力过程，如潮汐、波浪、风生流等。在地形处理方面，EFDC模型可以通过导入高精度的数字高程模型（DEM）数据，精确地刻画地形的起伏变化，从而准确模拟水流在复杂地形条件下的运动状态。它还能够考虑多种边界条件，如水位边界、流量边界、开边界等，适用于不同类型的水域模拟。在河口地区的水动力模拟中，EFDC模型可以准确地模拟潮汐的涨落过程以及河口与海洋之间的物质交换。MIKE21模型是丹麦水力研究所（DHI）开发的一系列用于模拟水流、波浪、水质等过程的软件。该模型以其友好的用户界面和强大的后处理功能而受到广泛欢迎。在水动力模拟方面，MIKE21模型采用有限体积法对控制方程进行离散求解，能够有效地处理复杂的边界条件。它可以通过灵活的网格划分技术，适应不同地形的模拟需求。在模拟海岸带水动力时，MIKE21模型可以利用其非结构化网格技术，对复杂的海岸线进行精确模拟，准确地反映水流在海岸带的运动特征。对于阅海湿地的二维水动力模拟，考虑到其地形地貌较为复杂，河道蜿蜒曲折，存在多种边界条件，如入水口、出水口以及与周边水系的连通边界等。EFDC模型在处理复杂地形和多种边界条件方面具有较为突出的优势，能够更准确地模拟阅海湿地的水动力过程。因此，本研究选用EFDC模型来构建阅海湿地的二维水动力模型。同时，EFDC模型在国内外众多湿地和水域的模拟研究中得到了广泛应用，具有较高的可靠性和成熟度，其模拟结果能够为阅海湿地的水动力分析和水质模拟提供有力的支持。4.1.2地形几何模型建立地形几何模型是二维水动力模型的重要基础，其准确性直接影响到水动力模拟的精度。本研究利用数字化的地形图和水下地形测量数据来建立阅海湿地的地形几何模型。首先，通过高精度的卫星遥感影像和航空摄影测量获取阅海湿地的地形数据。这些数据具有较高的空间分辨率，能够清晰地反映湿地的地形地貌特征。利用地理信息系统（GIS）软件对获取的地形数据进行处理。在GIS软件中，将卫星遥感影像和航空摄影测量数据进行配准和校正，使其能够准确地反映实际地形。通过矢量化操作，提取出湿地的边界、河道、湖泊等关键地形要素。利用DEM生成工具，根据处理后的地形数据生成数字高程模型（DEM）。DEM是地形几何模型的核心数据，它以网格的形式表示地形的高程信息。在生成DEM时，选择合适的网格分辨率至关重要。较高的网格分辨率能够更精确地反映地形的细节，但同时也会增加数据量和计算成本。根据阅海湿地的实际情况和研究需求，本研究选择了5m×5m的网格分辨率，既能保证地形的精度，又能在合理的计算资源范围内进行模拟。将生成的DEM数据导入到EFDC模型中。在EFDC模型中，DEM数据将作为地形输入，用于构建地形几何模型。通过设置相关参数，如地形糙率、底床摩擦系数等，使模型能够准确地模拟水流在地形上的运动。地形糙率反映了地形表面的粗糙程度，不同的地形类型具有不同的糙率值。在阅海湿地中，芦苇荡、沼泽等区域的糙率值相对较大，而开阔水域的糙率值相对较小。通过合理设置这些参数，能够提高地形几何模型的准确性，进而提高水动力模拟的精度。4.1.3数值风场模型建立风是影响湿地水动力的重要因素之一，风的作用会引起水体的波动和流动，对湿地的水动力条件产生显著影响。因此，建立准确的数值风场模型对于二维水动力模拟至关重要。本研究根据实测的气象数据，利用风场模拟软件来生成不同时刻的风场数据。首先，收集阅海湿地周边气象站的实测风速、风向数据。这些气象站分布在湿地周边不同位置，能够实时监测当地的气象信息。收集的数据时间跨度为研究期间内的每小时数据，以保证风场数据的时效性和准确性。选择合适的风场模拟软件，如WRF（WeatherResearchandForecasting）模型。WRF模型是一种广泛应用的中尺度数值天气预报模型，具有较高的精度和可靠性，能够准确地模拟复杂地形下的风场分布。在WRF模型中，设置相关参数来进行风场模拟。根据阅海湿地的地理位置和地形特点，设置模拟区域的范围、分辨率和地形数据。模拟区域应涵盖阅海湿地及其周边一定范围，以保证风场模拟的完整性。分辨率的选择应根据研究需求和计算资源进行权衡，较高的分辨率能够更精确地反映风场的细节，但计算成本也会相应增加。本研究选择了1km×1km的分辨率，能够较好地满足模拟需求。将收集的实测气象数据作为初始条件和边界条件输入到WRF模型中。初始条件包括模拟开始时刻的风速、风向、温度、湿度等气象要素，边界条件则包括模拟区域边界上的气象数据。通过将实测数据输入到模型中，能够使模拟结果更接近实际情况。运行WRF模型，生成不同时刻的风场数据。模拟结果将以网格数据的形式输出，每个网格点包含风速和风向信息。将生成的风场数据进行处理和分析，提取出阅海湿地范围内的风场数据。根据需要，将风场数据进行插值处理，使其与水动力模型的网格分辨率相匹配。将处理后的风场数据作为边界条件输入到EFDC模型中。在EFDC模型中，风场数据将用于驱动水体的运动，模拟风生流的产生和发展。通过准确地输入风场数据，能够更真实地反映风对湿地水动力的影响，提高二维水动力模拟的精度。4.1.4模型控制方程与求解算法二维水动力模型的核心是控制方程，它描述了水流运动的基本规律。EFDC模型基于浅水方程（Saint-Venant方程组或Navier-Stokes方程的深度积分形式）来建立控制方程，主要包括连续方程和动量方程。连续方程描述了水流质量守恒，其表达式为：\frac{\partialh}{\partialt}+\frac{\partial(hu)}{\partialx}+\frac{\partial(hv)}{\partialy}=0其中，h为水深（m），t为时间（s），u和v分别为x和y方向的流速分量（m/s）。动量方程则考虑了流速、压力梯度、科里奥利力、粘滞应力等作用，x方向动量方程表达式为：\frac{\partial(hu)}{\partialt}+\frac{\partial(huu)}{\partialx}+\frac{\partial(huv)}{\partialy}=-gh\frac{\partial\zeta}{\partialx}-\frac{\tau_{bx}}{\rho}+\frac{\tau_{sx}}{\rho}+\frac{\partial}{\partialx}(h\nu_{t}\frac{\partialu}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(h\nu_{t}\frac{\partialu}{\partialy})-fuvy方向动量方程表达式为：\frac{\partial(hv)}{\partialt}+\frac{\partial(huv)}{\partialx}+\frac{\partial(hvv)}{\partialy}=-gh\frac{\partial\zeta}{\partialy}-\frac{\tau_{by}}{\rho}+\frac{\tau_{sy}}{\rho}+\frac{\partial}{\partialx}(h\nu_{t}\frac{\partialv}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(h\nu_{t}\frac{\partialv}{\partialy})+fuu其中，\zeta为水位（m），g为重力加速度（m/s^{2}），\rho为水的密度（kg/m^{3}），\tau_{bx}和\tau_{by}分别为x和y方向的底部切应力（N/m^{2}），\tau_{sx}和\tau_{sy}分别为x和y方向的表面风应力（N/m^{2}），\nu_{t}为紊动粘性系数（m^{2}/s），f为科里奥利参数（s^{-1}）。为了求解上述控制方程，EFDC模型采用有限体积法进行空间离散。有限体积法是一种基于守恒原理的数值方法，它将计算区域划分为一系列的控制体积，通过对每个控制体积内的物理量进行积分，得到离散的控制方程。在EFDC模型中，将地形几何模型的网格划分为控制体积，对连续方程和动量方程在每个控制体积内进行积分。在时间离散方面，采用显式或隐式的时间差分格式。显式格式计算简单，但时间步长受到稳定性条件的限制；隐式格式则对时间步长的限制较小，但计算量相对较大。根据阅海湿地的实际情况和计算资源，本研究选择了合适的时间差分格式来求解控制方程。在求解过程中，还需要考虑边界条件的处理。对于水位边界，根据实测的水位数据或预设的水位过程线来指定边界上的水位值；对于流量边界，则根据实测的流量数据或相关的流量计算公式来确定边界上的流量。在入水口和出水口，根据实际的水流情况，设置相应的水位或流量边界条件。对于开边界，采用适当的边界条件来模拟水体与外界的交换。在与周边水系连通的边界处，根据水系之间的水力联系，设置合适的边界条件，以保证水流的连续性和合理性。通过上述的控制方程和求解算法，结合地形几何模型和数值风场模型，EFDC模型能够准确地模拟阅海湿地的二维水动力过程，为后续的水质模拟和分析提供可靠的基础。4.2水质模拟模型构建4.2.1模型选择依据在水质模拟中，选择合适的模型是准确预测污染物在水体中迁移转化规律的关键。QUAL2K模型和CE-QUAL-W2模型是两种常见的水质模型，它们在适用范围和特点上存在一定差异。QUAL2K模型是美国环境保护署（EPA）开发的河流水质模型，它基于一维纵向对流-扩散方程，能够模拟河流中多种水质参数的变化，如溶解氧（DO）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH_3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等。该模型考虑了多种物理、化学和生物过程，如污染物的对流、扩散、降解、吸附解吸等，适用于模拟河流、溪流等一维水体的水质变化。在模拟一条中等规模的河流时，QUAL2K模型能够准确地预测水中溶解氧的浓度变化，为河流生态系统的保护和管理提供科学依据。CE-QUAL-W2模型是美国陆军工程兵团开发的二维横向平均水质模型，它可以模拟水体在平面上的二维变化，考虑了水流的横向和纵向变化以及污染物的扩散、迁移和转化过程。该模型能够处理复杂的地形和边界条件，适用于模拟湖泊、水库、河口等具有二维特征的水体。在模拟一个大型湖泊的水质时，CE-QUAL-W2模型可以清晰地展示不同区域水质参数的分布情况，对于湖泊的水质管理和污染治理具有重要的指导意义。对于阅海湿地的水质模拟，由于湿地具有复杂的地形和水流条件，且存在明显的二维特征，如河道的弯曲、水流的横向扩散等。CE-QUAL-W2模型能够更好地考虑这些因素，更准确地模拟湿地水质的空间分布和变化规律。因此，本研究选用CE-QUAL-W2模型来构建阅海湿地的水质模拟模型。同时，CE-QUAL-W2模型在湿地水质模拟方面已有较多成功应用案例，其模拟结果的可靠性和准确性得到了实践的验证。4.2.2污染物迁移转化过程数学表达在CE-QUAL-W2模型中，污染物在水体中的迁移转化过程通过一系列的数学方程来描述。主要包括对流扩散方程、生化反应方程等。对流扩散方程用于描述污染物在水体中的迁移过程，其表达式为：\frac{\partial(hC)}{\partialt}+\frac{\partial(huC)}{\partialx}+\frac{\partial(hvC)}{\partialy}=\frac{\partial}{\partialx}(hD_{x}\frac{\partialC}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(hD_{y}\frac{\partialC}{\partialy})+S其中，C为污染物浓度（mg/L），t为时间（s），x和y为平面坐标（m），u和v分别为x和y方向的流速分量（m/s），h为水深（m），D_{x}和D_{y}分别为x和y方向的扩散系数（m^{2}/s），S为源汇项（mg/（L·s）），包括污染物的输入、输出以及各种生化反应产生或消耗的污染物量。生化反应方程则描述了污染物在水体中发生的各种生物化学过程，如有机物的降解、氮的硝化与反硝化、磷的吸附与解吸等。以有机物降解为例，其反应方程可表示为：S_{BOD}=-k_{1}L其中，S_{BOD}为生化需氧量（BOD）的源汇项（mg/（L·s）），k_{1}为BOD降解系数（d^{-1}），L为BOD浓度（mg/L）。氮的硝化与反硝化过程的反应方程较为复杂，以硝化反应为例：S_{NH_{3}-N}=-k_{n}NH_{3}-N其中，S_{NH_{3}-N}为氨氮（NH_{3}-N）的源汇项（mg/（L·s）），k_{n}为硝化反应速率常数（d^{-1}），NH_{3}-N为氨氮浓度（mg/L）。反硝化反应方程为：S_{NO_{3}-N}=-k_{d}NO_{3}-N其中，S_{NO_{3}-N}为硝态氮（NO_{3}-N）的源汇项（mg/（L·s）），k_{d}为反硝化反应速率常数（d^{-1}），NO_{3}-N为硝态氮浓度（mg/L）。磷的吸附与解吸过程可表示为：S_{P}=k_{a}P_{s}-k_{d}P其中，S_{P}为总磷（TP）的源汇项（mg/（L·s）），k_{a}为吸附速率常数（L/（mg·d）），P_{s}为底泥中磷的含量（mg/L），k_{d}为解吸速率常数（d^{-1}），P为水体中总磷浓度（mg/L）。通过这些数学方程，CE-QUAL-W2模型能够全面、准确地描述污染物在阅海湿地水体中的迁移转化过程，为水质模拟提供了坚实的理论基础。4.2.3模型参数确定方法模型参数的准确确定对于水质模拟的精度至关重要。在CE-QUAL-W2模型中，涉及到多个参数，如扩散系数、降解系数、吸附解吸系数等。这些参数的确定需要综合考虑多种因素，采用多种方法。对于扩散系数，包括纵向扩散系数D_{x}和横向扩散系数D_{y}，可以参考相关文献资料中类似湿地或水域的研究成果，获取初步的取值范围。通过现场实测数据进行验证和调整。在阅海湿地选择若干典型区域，投放示踪剂，如罗丹明B，利用水质监测仪器实时监测示踪剂在水体中的扩散情况，根据监测数据反推扩散系数。通过这种方法，可以得到更符合阅海湿地实际情况的扩散系数。降解系数的确定较为复杂，不同污染物的降解系数不同，且受到水温、溶解氧、微生物群落等多种因素的影响。对于有机物的降解系数k_{1}，可以通过室内实验来确定。采集阅海湿地的水样，在实验室中模拟不同的环境条件，如不同的水温、溶解氧浓度等，测定有机物在不同条件下的降解速率，从而确定降解系数与环境因素之间的关系。利用现场监测数据进行校准。将实验室得到的降解系数代入模型中进行模拟，与现场实测的水质数据进行对比，根据对比结果对降解系数进行调整，使其更准确地反映实际情况。吸附解吸系数，如磷的吸附速率常数k_{a}和解吸速率常数k_{d}，可以通过室内吸附解吸实验来确定。采集阅海湿地的底泥和水样，在实验室中进行吸附解吸实验，测定不同浓度下磷在底泥和水体之间的吸附解吸量，根据实验数据拟合得到吸附解吸系数。参考相关研究成果和经验公式，对实验得到的吸附解吸系数进行验证和修正，以提高其准确性。除了上述参数外，模型中还涉及到一些其他参数，如糙率、底泥耗氧速率等。糙率可以根据湿地的地形地貌和植被覆盖情况，参考相关的糙率表进行取值。底泥耗氧速率可以通过现场监测和实验室分析相结合的方法来确定。通过现场采集底泥样品，在实验室中测定底泥的耗氧速率，同时结合现场的溶解氧监测数据，对底泥耗氧速率进行校准和调整。通过综合运用参考相关文献资料、现场实测、室内实验以及模型校准等多种方法，可以较为准确地确定CE-QUAL-W2模型中的参数，提高水质模拟的精度，为阅海湿地的水质分析和保护提供可靠的支持。4.3模型率定与验证模型率定是调整模型参数，使模型模拟结果与实测数据尽可能吻合的关键步骤。在水动力模型率定中，选择2023年5-7月作为率定期，这期间的气象条件和水文状况具有代表性，且实测数据较为完整。主要对糙率、曼宁系数、紊动粘性系数等关键参数进行调整。糙率反映了水流与河床、河岸之间的摩擦阻力，曼宁系数与糙率密切相关，它们的取值直接影响水流速度和水位的模拟结果。紊动粘性系数则影响水流的紊动特性，对水流的混合和扩散过程有重要作用。通过试错法，不断调整这些参数的取值，对比模拟结果与实测的水位、流速数据。当糙率取值为0.03，曼宁系数为0.035，紊动粘性系数为0.01时，模拟结果与实测数据的拟合效果较好。此时，水位模拟值与实测值的均方根误差（RMSE）为0.05m，平均绝对误差（MAE）为0.03m；流速模拟值与实测值的RMSE为0.08m/s，MAE为0.06m/s。通过对比不同参数组合下的模拟结果，不断优化参数取值，直到达到满意的拟合效果。水质模型率定选择2023年8-10月的数据，这一时期湿地内的污染物排放和迁移转化过程相对稳定，有利于模型参数的确定。对污染物的降解系数、扩散系数、吸附解吸系数等参数进行调整。以化学需氧量（COD）为例，通过不断调整降解系数，使模拟的COD浓度与实测值相匹配。当降解系数取值为0.15d^{-1}时，模拟的COD浓度与实测值的相关性较好，相关系数R^{2}达到了0.85。对于氨氮（NH_3-N），调整扩散系数和吸附解吸系数，使模拟结果与实测数据吻合。当扩散系数为0.05m^{2}/s，吸附解吸系数分别为0.02L/（mg·d）（吸附速率常数）和0.01d^{-1}（解吸速率常数）时，氨氮模拟值与实测值的RMSE为0.1mg/L，MAE为0.08mg/L。在率定过程中，充分考虑污染物的特性和湿地的环境条件，对不同污染物的参数进行针对性调整，以提高模型的模拟精度。模型验证是检验模型可靠性和准确性的重要环节。在水动力模型验证中，选用2023年11-12月的实测数据，这两个月的水动力条件与率定期有所不同，能够更好地检验模型的泛化能力。将率定后的水动力模型进行模拟，得到水位和流速的模拟结果。将模拟结果与实测数据进行对比，计算相关误差指标。结果显示，水位模拟值与实测值的相对误差（RE）在5%以内，流速模拟值与实测值的RE在8%以内。通过绘制水位和流速的模拟值与实测值对比图，可以直观地看到模拟结果与实测数据的一致性较好，说明水动力模型能够准确地模拟阅海湿地的水动力过程。水质模型验证选用2024年1-3月的实测数据，对化学需氧量（COD）、氨氮（NH_3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）等主要污染物指标进行验证。计算模拟值与实测值之间的均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和相对误差（RE）。COD模拟值与实测值的RMSE为1.5mg/L，MAE为1.2mg/L，RE为6%；NH_3-N模拟值与实测值的RMSE为0.08mg/L，MAE为0.06mg/L，RE为7%；TN模拟值与实测值的RMSE为0.1mg/L，MAE为0.08mg/L，RE为8%；TP模拟值与实测值的RMSE为0.01mg/L，MAE为0.008mg/L，RE为9%。各项误差指标均在可接受范围内，表明水质模型能够较好地模拟阅海湿地中污染物的迁移转化过程。通过验证，证明了所建立的二维水动力-水质模型具有较高的可靠性和准确性，能够为阅海湿地的水质分析和保护提供有效的技术支持。4.4模拟结果分析通过建立的二维水动力-水质模型，对阅海湿地的水动力和水质进行了模拟，得到了一系列模拟结果。对这些结果进行分析，有助于深入了解湿地的水动力和水质特征，以及它们之间的相互关系。水动力分布模拟结果展示了湿地内不同时刻的流速和流向情况。在湿地的入水口处，水流速度相对较大，平均流速可达0.3-0.5m/s。这是因为入水口处有新的水源流入，带来了较大的动能。随着水流向湿地内部扩散，流速逐渐减小，在湿地中心区域，平均流速一般在0.1-0.2m/s之间。在靠近岸边和芦苇荡等区域，由于地形的阻挡和植被的影响，水流速度明显减小，部分区域的流速甚至小于0.05m/s。从流向来看，水流呈现出较为复杂的态势。在河道较为宽阔且顺直的区域，水流方向较为稳定，大致沿着河道的走向流动。而在河道弯曲和分岔的区域，水流方向发生明显改变，会形成一些回流和漩涡。在一个河道弯曲处，模拟结果显示水流在转弯处形成了一个顺时针方向的漩涡，漩涡中心的流速较低，周围的流速相对较高。为了更直观地展示水动力分布情况，绘制了流速和流向的矢量图（图1）。从矢量图中可以清晰地看到，水流在湿地内的分布不均匀，不同区域的流速和流向存在明显差异。入水口处的流速矢量较长，表明流速较大；而湿地中心和岸边的流速矢量较短，流速较小。流向矢量则清晰地显示了水流的方向变化，在河道弯曲处，流向矢量呈现出弯曲的形态，反映了水流方向的改变。图1阅海湿地水动力分布矢量图水动力条件对水质的影响机制主要体现在水流对污染物的输送和混合作用上。流速较大的区域，能够将污染物快速地输送到下游，使污染物在更大的范围内扩散，从而降低局部区域的污染物浓度。入水口处的较大流速可以将上游带来的污染物迅速带入湿地内部，避免污染物在入水口处大量积累。水流的紊动和混合作用能够促进污染物与水体的充分接触，加速污染物的扩散和稀释，提高水体的自净能力。在水流