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二维水动力—水质耦合模型对东昌湖生态补水的研究与应用

胡广鑫  
【摘要】:湖泊水体富营养化是当今世界各国共同面临的一个严重的水环境问题,近年来我国的众多湖泊也在不同程度上呈现出富营养化趋势,特别是以东昌湖为代表的“北方缺水城市湖泊”,由于地处城区,缺少与天然水体的连通,汇入和流出的途径较少,同时大量的城市生活污水入湖,造成湖体营养盐浓度增高、水质腐败恶化,对城市景观和居民生活产生了极大的影响。如何改善此类湖泊的水质状况、如何保持受到水质水量双重威胁的北方城市湖泊的良性运行状态是我国水环境研究急需解决的重大科学问题。如今较为有效的改善措施之一是通过人工水源进行周期性的生态补水,然而东昌湖目前只能引用黄河水进行补给,其中富含的大量悬浮泥沙,又会对湖泊水体中污染物质的迁移转化产生重要影响。因此,针对东昌湖的自身特点,通过建立二维水动力-水质耦合模型对其生态补水过程进行模拟研究,发展集湖泊富营养化治理、水量调配和污染预防于一体的综合技术,将会对湖泊水污染治理和水资源管理的理论和实践做出贡献,具有重要的科学价值和实际意义。 为了研究东昌湖人工生态补水的规律,通过在补水期间设置不同的断面实际调查湖区水动力、水质变化情况。根据实测获取的资料,本文基于丹麦水动力研究所DHI开发的MIKE21Ecolab模块的编写原理,二次开发了适合东昌湖人工生态补水特点的水质模板,使用MIKE21FM软件构建水动力模型,并与水质模板进行耦合联用,对东昌湖水动力和水质现状进行数值模拟,并通过与监测数据对比,进行模型参数的率定与模拟结果的验证。在此基础上,本文进一步设定了8种不同的具有可行性且风险较小的生态补水方案,应用已经构建完成的二维水动力-水质耦合模型进行模拟对比分析,最终筛选出较优方案,从而为流域水资源管理和有效利用提供一定的参考。 通过对东昌湖水动力现状的模拟分析可知,风应力拖曳系数是影响风生流状况的重要参数。该参数设定为恒定常数时,模拟结果误差较大,将该值设定为随风速连续变化,模拟精度有了较大提高,对比六种风应力拖曳系数模拟情景,可知采用Wu公式模拟效果较好。北方冬季气候寒冷,水体结冰也会对风生流数值模拟产生较大影响,在被冰覆盖的区域,风应力作用被抵消甚至可以忽略不计。 本文二次开发的水质模板在经典的溶解氧-生化需氧量-营养物质模型的基础上,又引入了悬浮颗粒物和底部沉积物两个状态变量,能够更为完整地描述东昌湖生态补水过程的水质变化情况。结果分析表明,黄河水源中携带的大量悬浮泥沙对污染物的吸附解吸及自身沉降和再悬浮过程对水质模拟结果影响较大。 通过对东昌湖生态补水过程变化发展的规划研究,以补水源、补水量、补水口和补水方式为影响因子,本文采用情景分析法设定了8种生态补水方案,通过已构建完成的水动力-水质耦合模型进行模拟,最终采用模糊综合评价法和综合营养状态指数法对模拟结果进行评价。分析可知不同补水方案对不同湖区水质影响差异较大,通过增大补水量,合理增设补水口以及进行集中式补给等方式均能不同程度上改善水质,因此建议采用效果最佳的方案6。


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