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水库(湖泊)水体中“三氮”迁移转化的数学模型及其应用

王鹤名  
【摘要】:水库湖泊是陆地水文系统中重要的淡水蓄积体,与人类的生活密切相关,它不仅是人类重要的饮用水源之一,同时还具有调节河川径流防洪减灾、农业灌溉、水产养殖以及发电旅游等重要的使用功能。 我国湖泊水库星罗棋布,类型繁多,随着我国工业生产的发展和都市化程度的提高,若不积极采取相应措施,水体富营养化将日趋严重。为了保护水库湖泊的水质,科学地利用水资源,必须对水库湖泊的富营养化状况进行有效的监测、评价与预测。 水库湖泊富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养物质,使水体中藻类以及其他水生生物异常繁殖,水体透明度和溶解氧变化,造成水库湖泊水体恶化,加速水库湖泊老化,从而使水库生态和水功能受到阻碍和破坏,危害水资源利利用。 本文是结合973重点基础发展规划项目G1999045705《密云水库及上游水环境污染形成输送机理及其环境效应》的研究进行的。密云水库是北京市重要水源地之一,近年来水体富营养化问题严重,水质急剧恶化,使北京市的供水受到了威胁。水库富营养化和生活污染的防治中,搞清“三氮”迁移转化规律是人们所关注而较难解决的问题。 由丁“三氮”在水体中是互相转化的,若不作统一考虑,很难掌握迁移转化规律。从而进行定量评价就更加困难了。 1.本文首次建立了“三氮”迁移转化三维定解问题与水温迁移问题耦合构成了“二氮”迁移转化的完整模型,该模型不尽考虑了“三氮”在水体中的弥散作川,平流作川,NH+4,NO-2, NO-3之间在氧化条件下化学变化的转换作用,而且考虑了水温对化学变化的转换影响,把这些因素组合构成一个完整的系统。使“三氮”迁移规律更加精确。基本解决了“三氮”污染状态下难以定量评价问题。因此,“三氮”耦合模型的建立,对防治水体富营养化问题具有重要意义。 2.为了对“三氮”和“总氮”在平均意义下随时问的变化规律有所认识,我们建立了混合型水库“三氮”和“总氮”迁移转化数学模型,并给山了“三氮”和“总氮”随时间变化的分析表达式,解决了平均值的预测问题,同时还给出了在稳态情况下,根据入库利山库量计算水库“三氮”和“总氮”的计算公式。从而可绘出“总氮”的负荷图以及危险极限线,贫、中营养和富营养的分界线。 3.深入的讨论了垂向“三氮”的变化规律,并给出了“三氮”在稳态情况下,“三氮” WP=70 随深度变化的分析表达式,冈而可求出随深度变化的任何位置“三氮”浓度值。 4.给出了“三氮”在氧化条什下,NH+4-N转变为NO-2-N,NO-2-N转化为 NO-3 –N的速率常数的计算公式,为建立“三氮”迁移转化模型奠定了基础。 5.根据密云水库环境水文地质条什,机制分析及监测资料,建立密云水库的水体“二氮”迁移转化模型,并根据水库面积人,流速缓慢的特点,我们采川了Galerkln有限单元法,求解“三氮”迁移转化模型,其模拟结果基本反映了密云水库水体“二氮”迁移转化规律,这说明所建立的模型是正确的,所采用的数值方法是有效的,该成果已被项目组采纳。 6.我们采川了惩罚函数法及最优化技术,较好地解决了参数识别利模型拟合问题,获得了符合实际的最优参数,为精确模拟“三氮”迁移转化规律创造了条什。 7.较深入的讨论了“三氮”迁移转化的一般模型Galerkin有限元法和识别参数的惩罚函数法,这对丁解决其它水库有一定的指导和借鉴意义。 8.建立了混合型分层水库“三氮”迁移转化模型,使“二氮”浓度平均值随时间变化规律更符合实际。 本文所建立的数学模型并川其对密云水库水体中“三氮”迁移转化进行具体分析,为研究氮对水库富营养化影响的预测提供了可靠的依据。并可与其他湖泊研究相比较,在环境地球化学方面具有更确切的理论和实际意义。


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