太湖水体透明度影响因子实验及模型研究

【摘要】：湖水透明度是描述湖泊光学的一个重要参数,能够直观反映湖泊水下光场的分布情况,而水下光场是湖泊水生态系统的重要影响因子,直接影响到水生植物的生长和繁殖,探求影响透明度的主导因子和有效改善措施是进行水生植被恢复的基础和前提。太湖透明度主要受悬浮物、藻类和可溶性有机物浓度的影响,而这三者又均与湖泊水动力过程密切相关。本文通过室内外实验,研究了水动力条件下透明度各影响因子的特征和变化规律,并建立了相应的数学模型,最后将各影响因子的数学模型耦合,建立了水动力作用下的太湖透明度模型,为太湖水生植被恢复和健康生态系统重建提供了科学依据。 太湖透明度的各影响因子均受水动力过程的影响,所以研究太湖水动力特征是透明度研究的基础和前提。本文基于实测资料,分析了太湖湖流和波浪的基本特征,分别建立了数学模型。并将湖流模型和波浪模型耦合,分析了湖流对波浪的影响。波浪模型采用的是基于动谱平衡方程的SWAN波浪模型,在考虑实际水底地形、波浪折射、浅化、反射、破碎、湖流等条件下,对太湖在盛行风作用下的波高、波周期、波长、波陡、近底水质点的运动速度等波浪参数进行模拟并研究了太湖波浪的影响因子。 悬浮物是太湖透明度的主要影响因子,通过室内外实验,研究了太湖底泥在水动力作用下的再悬浮、沉降规律,并建立了水动力条件下太湖悬浮物模型。在室内环形水槽中,模拟了太湖底泥的起动规律,得出了太湖底泥在不同起动标准下的起动流速,建立了底泥中TN、TP的释放通量与水体流速的定量化关系;在野外实验中,着重研究了水动力作用下,太湖底泥的再悬浮和沉降规律、以及底泥再悬浮沉降中引起的营养盐的变化规律。探讨了再悬浮通量的计算方法,并建立了太湖底泥再悬浮通量、悬浮物沉降通量与水动力条件的关系。通过室内静沉降实验,计算了悬浮物在不同浓度下的沉降速度。根据实验结果和悬浮物特征,建立了水动力作用下太湖悬浮物模型。在模型中综合考虑波浪和湖流对底泥的扰动,并将床面层附近底泥的起悬量和沉降量分开处理,引入了底泥起悬条件,动态模拟了水动力作用下悬浮物的变化规律。 另外,太湖藻类和可溶性有机物对光也具有吸收和散射作用,是影响水体透明度的次要因子。藻类和有机物对透明度的影响不确定性较大,藻类对透明度的影响受季节影响,夏季较冬季要大;可溶性有机物对透明度影响一直不是很大,但也不能忽视