大伙房水库水体滞留时间及水质的数值模拟研究

摘要

随着国民经济的高速发展，日益加剧的人类活动对水库淡水资源的依托更为密切、对控制流域环境产生的压力终将会在水库汇集。因此，研究并掌握物质在水库中的输运过程对水环境管理和水资源可持续利用有重要意义。本文以大伙房水库为例数值研究了物质在水库中随水体的输运过程及其滞留时间。本文在三维水动力模型ECOMSED的框架中加入了干湿判断法动边界处理技术。改进后的模型以抛物形盆地内水体的自由振荡问题为例进行了验证，模型计算得到的自由水表面、纵向、横向和垂向流速均与解析解吻合良好。为进一步研究奠定了基础。
　　本研究基于改进的ECOMSED模型建立了大伙房水库三维水动力模型。模拟得到的水位、水温与实际观测值吻合良好，其中坝前测站水位的模拟值与实测值的均方根误差为0.459 m，模型成功再现了水库水温近一年内在垂向上随时间均匀分布—分层—均匀分布的变化历程。随后数值研究了大伙房水库水体滞留时间的时空变化特征，并系统分析了入流和出流、热通量和风对大伙房水库水体滞留时间的影响，结果表明入流和出流是水库水体滞留时间的决定性因素，入流和出流越强，水体滞留时间越短；热通量是有温度分层的水库水体滞留时间的控制性因素，热通量引起的水平密度环流使得水体滞留时间分布更为均一，但其引起的水体温度分层又增强了滞留时间在垂向上的不同；风对水库水体滞留时间的影响最小，但它却可以加强库水的水平对流和垂向混合，改变水体滞留时间的分布。以上的物质输运研究是基于一般的水体环流理论（利用保守示踪质反映水体的输移和混合等过程）而不是针对特定的污染物，因此我们将改进的ECOMSED模型和RCA模型相结合建立了大伙房水库三维水动力水质模型。模拟得到的溶解氧、氨氮、硝酸盐氮、总氮、总磷和叶绿素a等水质要素与监测点位的实测值符合良好。随后分析了各水质要素随时间的变化特征及其空间分布规律，并系统研究了各河流营养盐输入对水库水质要素的影响，结果表明将各河流氮、磷输入均减少一半后，可明显增加水库水体夏季溶解氧浓度，减小水库氮、磷及叶绿素a浓度；苏子河的磷输入对抚顺取水口处总磷和浮游植物生长的贡献大于浑河的磷输入。针对重金属迁移转化机理复杂，确定性模型参数难以确定的问题，建立了大伙房水库重金属迁移的人工神经网络模拟模型。模型对镉和总铜的浓度的模拟值与实测值的最大相对误差分别为17.5%和17.9%，对汞和总锌的浓度的模拟值与实测值的确定系数分别为0.741和0.762，而对镉和总铜的确定系数更是达到了0.96以上。结果表明模拟值与实测值符合良好，用神经网络模拟水库中的重金属迁移快速且准确。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外相关工作研究进展

1.3 本文的主要工作

2 水动力、水质模型介绍、改进及其验证

2.1 ECOMSED模型介绍

2.2 ECOMSED模型改进

2.3 改进的ECOMSED模型验证

2.4 RCA水质模型介绍

2.5 RCA水质模型动边界相关处理

2.6 本章小结

3 大伙房水库水动力学模型建立及验证

3.1 大伙房水库概况

3.2 模型设置

3.3 模型验证

3.4 本章小结

4 大伙房水库水体滞留时间及其影响因素的数值模拟研究

4.1 水体滞留时间定义及其计算方法

4.2 大伙房水库水体滞留时间特性

4.3 不同因素对大伙房水库水体滞留时间特性的影响

4.4 本章小结

5 大伙房水库富营养化数值模拟研究

5.1 富营养化模型设置

5.2 结果与讨论

5.3 各河流营养盐输入对大伙房水库富营养化的影响

5.4 本章小结

6 大伙房水库重金属污染的神经网络模拟研究

6.1 监测资料和研究方法

6.2 重金属模拟的神经网络模型构建

6.3 结果和分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介