大型浅水湖泊生态动力学特性的数值研究

摘要

太湖是我国第三大淡水湖泊，属于大型浅水湖泊，由于湖泊水体流量小、流速慢而封闭、水体置换周期长、污染胁迫压力大，生态系统自我恢复能力较差。近年来，太湖一直面临着严重的富营养化问题。根据以往的研究可知，浮游植物过量生长是富营养化的直接原因，而湖泊总氮、总磷是浮游植物生长的主要营养物质来源，此外，对于浅水湖泊，底泥营养盐释放也是导致湖泊富营养化的一个不容忽视的因素。因此本文在前人的研究基础上开展了如下工作： (1)在水量模型的基础上，利用WASP5模型中的氮循环、磷循环、氧平衡以及浮游植物生长动力学理论，建立了浅水湖泊二维水量－水质耦合模型，并应用有限体积法和黎曼近似解的通量向量分裂格式(FVS)求解模型； (2)利用建立的模型模拟2000年5月～8月太湖的流场和总氮、总磷、溶解氧及浮游植物的浓度场，为了分析风场、底泥分布对太湖流场和浓度场的影响，本文分别模拟了不考虑风场作用、考虑风场作用、考虑底泥分布以及考虑风场和底泥的共同作用四种不同运行模式下太湖流场和浓度场分布，并根据模拟结果分析流场和浓度场与太湖藻类爆发的相互关系。通过模型率定可知，建立的二维水量－水质耦合模型能很好的模拟太湖的流场和浓度场，具有较高的模拟精度； (3)将模型应用于太湖的引调水方案设计中，分析太湖引调水方案对太湖流场和总氮、总磷浓度场的影响，确定引调水对太湖水质的改善作用，为大型浅水湖泊水环境污染控制及管理提供了理论依据。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1问题的提出背景及研究意义

1.2浅水湖泊水量水质数值模拟的研究进展

1.2.1目前数学模型的主要数值计算方法

1.2.2水动力数学模型研究进展

1.2.3湖泊富营养化数值模拟的研究进展

1.2.4浅水湖泊数学模型的研究现状评价

1.3本论文的主要研究内容

第二章浅水湖泊二维水量—水质耦合模型的建立与求解

2.1平面二维水量—水质耦合模型的建立

2.1.1二维水流运动基本方程

2.1.2二维物质输运基本方程

2.1.3二维水流运动和物质输运耦合的基本方程

2.2水质因子的循环原理与浓度变化方程

2.2.1 WASP5模型的氮循环原理

2.2.2 WASP5模型的磷循环原理

2.2.3 WASP5模型的氧平衡原理

2.2.4 WASP5模型的浮游植物动力学原理

2.3平面二维水量—水质耦合模型的求解

2.3.1有限体积法基本公式

2.3.2法向通量计算—解黎曼问题

2.3.3通量向量分裂(FVS)格式的计算步骤

2.3.4边界条件的处理

第三章二维水量—水质耦合模型在太湖中的验证与应用

3.1太湖流域概况

3.1.1自然概况

3.1.2社会经济概况

3.2太湖水环境概况

3.3太湖计算区域网格的生成

3.4模型参数的率定与验证

3.4.1模型应用中的简化

3.4.2模型应用中的基础资料

3.4.3模型的初始条件和边界条件

3.4.4模型中参数值的选择

3.4.5模型验证的结果

3.5模型对太湖模拟结果的分析

3.5.1太湖水动力模拟结果分析

3.5.2太湖水质模拟结果分析

3.5.3流场、浓度场与太湖藻类爆发的相关性分析

3.6模型在太湖引调水方案中的应用

第四章结论与展望

4.1主要结论

4.2研究展望

参考文献

致谢