浅水型富营养化水库三维水动力及水质数值模拟研究与应用

摘要

富营养化被认为是全球水库和湖泊生态系统最普遍和最严重的问题，我国现已成为世界上水库污染和藻类爆发最为严重的国家之一。在富营养化水体中，藻类的大量繁殖是常见的次生生态问题，对供水安全和水源地保护都有着极显著的影响。为富营养化水库水环境治理、生态调控和水库优化调度提供科学指导工具是水库研究的一项紧迫和重要课题。研究和应用水环境数学模型开展水库水动力与水生态数值模拟是研究这一课题的重要手段。2013年，为推进天津建设、明显改善全市生态环境和群众生产生活条件，天津市政府规划并实施了“美丽天津·一号工程”，主要实施“四清一绿”五项行动，其中就包括了清水河道行动，要求坚持控源、截污在先，治污、修河、调水、开源多措并举，构筑与美丽天津要求相适应的水环境体系。作为天津市唯一的饮用水源地，于桥水库流域自然是天津水环境体系的关键一环，由于富营养化严重，水库中近年来发生了较为严重的蓝藻水华，对水库管理和供水安全提出了新的要求，因此对水库富营养化研究显得极其必要。为应对这一挑战，本文以于桥水库为研究对象，建立了三维EFDC水动力和 WASP水质耦合数值模型，以及人工神经网络非机理模型来研究水库中水体富营养化，取得了具有理论意义和实用价值的成果。论文研究内容和创新成果主要有：　　（1）本文基于?坐标系下所建立的三维水动力模型能够有效模拟水库中三维流场结构和吞吐流、补偿流、风生环流等复杂流速，以及垂向各分层流场的流速差异，克服了二维水库水动力模型难以模拟真实水流形态的局限性，符合当前环境水动力学发展趋势。另外，本文综合考虑了风场、吞吐流和地形对水库流场的影响，弥补了以往水库或湖泊进行水动力研究仅单一考虑水库中风场、吞吐流作用的片面性。　　（2）成功将 EFDC模型与 WASP模型耦合，将 EFDC中水动力信息导入WASP模型中，建立了三维水环境数值模型，克服了EFDC模型水质模拟和WASP模型水动力模拟方面的局限性，同时克服了国内水库或湖泊仅用单一模型进行水质模拟方面的局限性。另外，经过模型验证，应用所建立的模型分析了水库中水质的时间和空间变化。从水动力条件，氮磷比、溶解性无机氮源与藻类生长关系三个方面分析了于桥水库中藻类水华的成因。最后，通过减少边界负荷、提高运行水位、调水时间提前三个模拟情景探讨降低水库中叶绿素浓度的方法，为富营养化控制措施提供依据。　　（3）应用人工神经网络模型进行水质预测，在输入参数中引入降雨、太阳辐射等气象条件，弥补了以往神经网络模型只使用水质变量为输入参数的片面性；将因子分析等数据挖掘方法引入模型输入变量选择中，克服了以往模型仅靠经验知识选择参数的局限性，提高了模型预测精度；本文所建立的模型成功应用于水质变量的预测和预报，能够进行水质的短期预测。另外，将正交试验设计方法引入人工神经网络模型中，使用模型敏感性分析结果，选择合理的可控因子进行正交表格设计，通过观察叶绿素a浓度的响应来找出最合理的抑制蓝藻水华的环境变量控制方案。　　（4）对于桥水库富营养化控制措施进行了探讨，从外源污染治理工程、内源污染治理工程和流域综合管理措施三个方面提供了不同方案或建议。外源污染治理工程包括利用前置库工程结合入库河口湿地建设、水库周边推平鱼池和河道湿地走廊三个方面建设人工湿地系统，建设湖滨带、环库截污沟等生态修复工程，安装防护网、水库视频监控和巡检数字化系统等库区防护工程，有效治理水库外源污染。内源污染治理工程包括底泥疏竣或钝化工程和水生生态修复系统，水生生态修复系统包括人工复合植物群落生态修复系统结合围隔扩展技术、人工生物浮床生态系统以及水生动物操纵。流域综合管理措施包括建立水库流域管理条例，环库居民迁移，遵化市企业和生活污水处理，取缔潘家口、大黑汀水库网箱养鱼和水库菹草和蓝藻爆发应急管理措施。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究进展

1.4主要内容与技术路线

1.5主要创新点

第二章 水库三维水动力及水质数学模型

2.1 EFDC三维水动力数学模型

2.2 WASP三维水质数学模型

第三章 基于EFDC模型的水库水动力数值模拟

3.1 研究区域概况

3.2 于桥水库三维水动力数学模型

3.3 EFDC模型配置

3.4 模型结果验证与分析

3.5 风场、吞吐流和地形对于桥水库流场影响

3.6 本章小结

第四章 基于EFDC和WASP耦合模型的水库水质数值模拟

4.1 WASP水质模型与EFDC水动力模型耦合

4.2 WASP/EUTRO模型配置

4.3 结果验证与分析

4.4 于桥水库藻类水华成因分析

4.5 模拟情景分析

4.6 本章小结

第五章 基于人工神经网络模型的水库水质预测和预报

5.1 人工神经网络模型

5.2 模型应用配置

5.3 结果和讨论

5.4 敏感性分析

5.5 藻类水华的环境控制

5.6 本章小结

第六章 于桥水库富营养化控制措施探讨

6.1 外源污染治理工程

6.2 内源污染治理工程

6.3 流域综合管理措施

6.4 本章小结

第七章 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

发表论文及科研情况

致谢