平原区大型浅水湖泊生态动力学模拟技术研究——以太湖湖区为例

摘要

太湖是我国第三大淡水湖，随着经济社会的高速发展，太湖水环境受到严重污染，质量呈现每10年下降一个等级的发展趋势。掌握湖区各区域的营养物含量、水环境机理，并进行模拟预测，对于遏制太湖水体持续恶化、减轻湖泊富养化程度具有一定的指导意义，为水环境治理工作提供技术支撑和决策支持。
　　本文收集太湖湖区及周边的实测数据，并且考虑引江济太工程调度对湖区水动力及水生态环境的影响，选用美国弗吉尼亚州海洋研究所研发的环境流体动力学(EFDC)模型建立湖区二维生态动力学模型，模拟太湖水环境随时间、空间的变化过程，并进行率定、验证和归纳分析。
　　本文主要研究成果有:(1)概化太湖环湖出入流边界，以15条大流量河道表征太湖边界，模拟效果良好，概化合理;(2)考虑引江济太工程对湖区水体的影响，在风生流基础上加入吞吐流模拟太湖湖流，结果表明引江济太工程对太湖湖流影响很小，并未明显改变太湖水体环境;(3)太湖二维水动力学模型的模拟精度高，水位模拟的日平均偏差在2cm以内，水温模拟的日平均误差在2℃以内;(4)太湖二维水质、生态动力学模型的模拟输出结果表明:溶解氧、化学需氧量的模拟精度最高，氨氮、总磷、叶绿素a的模拟效果良好，总氮的输出模拟除夏季误差偏大外，其他时段模拟精度较高;(5)根据水质、生态相关参数的调试工作，总结出各营养物质的敏感参数，以及多个参数之间的关联性。
　　从本文研究结果可以得出:
　　(1)太湖湖区面积大，不同区域流速、温度、底泥释放量均不同，导致不同区域的营养物质浓度之间具有显著的空间差异，水生态环境相差较大;
　　(2)湖区内藻类含量较低的区域与总氮、总磷浓度没有明显的线性相关性;而藻类爆发的区域与总磷浓度有明显的线性相关性，与总氮浓度也有较明显相关性。导致湖区藻类爆发的关键因素是总磷浓度，总氮次之。藻类生长的最适总磷浓度为0.15-0.35mg/l，总氮浓度为2-2.5mg/l，氮/磷比为5-15;
　　(3)当湖区中总氮、总磷的浓度相对较低时对藻类生长起促进作用，但当总氮、总磷浓度达到一定值后又会抑制藻类生长。所以在治理湖区富营养化问题上，不能仅考虑氮、磷含量降低，还应从生态角度探寻治理方法;
　　(4)基于EFDC模型建立太湖湖区水动力、水质-生态模型，水动力模型模拟精度高，水位模拟误差在0.62％，水温模拟误差在18.5％以内，水质-生态动力学模型的模拟误差都在30％以内，表明用EFDC模型模拟太湖水环境具有一定可行性，可为太湖治理、防治等工作提供技术支撑和决策支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 水质模型研究现状

1．2．1 国外水质模型研究进展

1．2．2 国外主要水质模型介绍

1．2．3 国内水质模型研究进展

1．2．4 太湖研究进展及模型应用

1．3 主要研究内容和技术路线

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 技术框架

第2章 太湖流域及太湖湖区水质特征分析

2．1 研究区概况

2．1．1 自然概况

2．1．2 流域社会经济概况

2．1．3 太湖水情

2．1．4 太湖水质状况

2．1．5 太湖蓝藻水华

2．2 太湖水质特性分析

2．2．1 聚类分析

2．2．2 因子分析

2．2．3 因子分析原理

2．3 太湖营养物质时空相关性分析

2．3．1 氮元素

2．3．2 磷元素

2．4 太湖水质因子分析

2．4．1 因子分析设置

2．4．2 分析数据的选取与整理

2．4．3 因子分析的结果

2．4．4 湖区各主成分含义

2．4．5 因子得分函数

2．4．6 各因子空间分布特征及其揭示意义分析

2．5 太湖藻类与氮磷定量分析

2．5．1 空间分区

2．5．2 实测值随机性剔除

2．5．3 相关性分析

2．6 本章小结

第3章 基于EFDC的太湖生态动力学模型建立

3．1 环境流体力学模型EFDC模拟原理

3．1．1 EFDC模型的应用流程

3．1．2 EFDC模型的主要控制方程

3．2 EFDC水质模块

3．2．1 模型状态变量及原理

3．2．2 主要水质指标的源汇项

3．2．3 藻类与氮磷的关系

3．3 EFDC模型优势

3．4 模型计算网格生成

3．5 模型计算边界确定

3．5．1 边界的概化

3．5．2 边界的设置

3．6 模型计算步长

3．7 本章小结

第4章 太湖生态动力学模型率定与验证

4．1 太湖水动力学模拟

4．1．1 模型参数确定

4．1．2 模拟与分析

4．1．3 模型界面空间分布图

4．2 太湖湖泊水质模拟

4．2．1 模型水质参数率定

4．2．2 率定输出结果与实测数据比较时间序列图

4．2．3 验证输出结果与实测数据比较时间序列图

4．3 太湖生态动力学模拟

4．3．1 模型生态参数率定

4．3．2 率定输出结果与实测对比

4．3．2 验证输出结果与实测对比

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要成果

5．2 展望

参考文献

科研工作、发表论文

致谢