基于Delft3D模型的深圳湾水动力水质模拟

摘要

深圳市作为我国改革开放的窗口城市，在过去的四十年里经济得到了飞速发展，人口急剧膨胀，随之而来的资源及环境问题也日益突出，深圳湾作为深圳海域的一部分，受深圳市和香港政府同时管理，根据过去的监测资料来看，深圳湾常年水质较差，连续多年处于国家Ⅳ类水质标准，如何有效解决深圳湾的水环境问题已经迫在眉睫。 本文面对深圳湾的水环境问题，基于国际知名水动力模型软件Delft3D，建立了深圳湾三维水动力水质耦合模型，水动力模型方面，在搜集到实测资料的基础上，本文验证了水位、水温、盐度。从水位的模拟结果发现，该水动力模型在能够较好的反映出深圳湾的潮汐特征，涨潮时海水淹没湾顶，退潮时湾顶潮滩干出。温度和盐度的验证结果也比较准确。 在水动力模型验证的基础上，本文建立了深圳湾水动力水质耦合模型，验证了深圳湾2010年的溶解氧浓度、氨氮浓度和生化需氧量浓度，验证结果良好，并在此基础上分析了溶解氧、氨氮和生化需氧量的年均平面分布和季节变化，结果显示河口处的溶解氧浓度的年均值为4～5mg/L，其它区域分布较为平均，都保持在5～6mg/L，一年内的四个季度没有明显变化，整体偏低，氨氮和BOD在河口处的年均浓度明显高于其它区域，呈现出由湾顶向湾口逐渐下降的趋势。 基于已经建立的深圳湾水动力水质耦合模型，本文结合全球气候变化的大背景，将气温提高2℃，设计了三种假设情景，即正常浓度排放，一半浓度排放和两倍浓度排放，分别进行模拟，并将模拟结果进行了对比讨论，通过对比发现温度上升2℃所带来的对于水质的影响要弱于改变排放浓度带来的影响。 本文所构建的深圳湾三维水动力水质模型对于深圳湾水环境问题的决策具有一定参考性，同时对于其他区域的水动力水质建模也具有一定的借鉴意义。

目录

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 水动力模型研究进展

1.2.2 水质模型研究进展

1.3 主要研究内容及研究路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究路线

2 研究区域概况

2.1 深圳湾自然气候情况

2.1.1 地理概况

2.1.2 气候情况

2.1.3 集水区域

2.1.4 水环境现状

2.2 实测数据来源

3.1 水动力模型部分

3.1.1 近似假定

3.1.2 直角坐标系下的控制方程推导

3.1.3 sigma坐标系与曲线坐标系

3.1.4 Delft3D的控制方程

3.2 水质模型部分

3.2.1 对流-扩散-反应方程的推导

3.2.2 模拟方法

3.3 数值离散和求解方法

3.3.1 有限差分

3.3.2 隐式求解

3.3.3 ADI交替隐式求解方法

3.4 计算原理小结

4 模型的建模与验证

4.1 水动力模型的建模与验证

4.1.1 计算区域的边界获取

4.1.2 网格划分

4.1.3 生成水下地形

4.1.4 建立水动力模型

4.1.5 水动力模型的验证

4.2 水质模型的建模与验证

4.2.1 搭建水质模型框架

4.2.2 耦合水动力模拟结果

4.2.3 检查质量守恒

4.2.4 水质模型的建立

4.2.5 水质模型的验证

4.3 小结

5 模型测试——气候变化背景下的深圳湾水质情景分析

5.1 温度对比

5.2 生化需氧量对比

5.3 氨氮对比

5.4 小结

6.1 研究结论

6.2 展望

致 谢

参考文献