淺水型富營(yíng)養(yǎng)化水庫(kù)三維水動(dòng)力及水質(zhì)數(shù)值模擬研究與應(yīng)用.pdf

1、富營(yíng)養(yǎng)化被認(rèn)為是全球水庫(kù)和湖泊生態(tài)系統(tǒng)最普遍和最嚴(yán)重的問(wèn)題，我國(guó)現(xiàn)已成為世界上水庫(kù)污染和藻類(lèi)爆發(fā)最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，藻類(lèi)的大量繁殖是常見(jiàn)的次生生態(tài)問(wèn)題，對(duì)供水安全和水源地保護(hù)都有著極顯著的影響。為富營(yíng)養(yǎng)化水庫(kù)水環(huán)境治理、生態(tài)調(diào)控和水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)指導(dǎo)工具是水庫(kù)研究的一項(xiàng)緊迫和重要課題。研究和應(yīng)用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型開(kāi)展水庫(kù)水動(dòng)力與水生態(tài)數(shù)值模擬是研究這一課題的重要手段。2013年，為推進(jìn)天津建設(shè)、明顯改善全市生態(tài)環(huán)境和群

2、眾生產(chǎn)生活條件，天津市政府規(guī)劃并實(shí)施了“美麗天津·一號(hào)工程”，主要實(shí)施“四清一綠”五項(xiàng)行動(dòng)，其中就包括了清水河道行動(dòng)，要求堅(jiān)持控源、截污在先，治污、修河、調(diào)水、開(kāi)源多措并舉，構(gòu)筑與美麗天津要求相適應(yīng)的水環(huán)境體系。作為天津市唯一的飲用水源地，于橋水庫(kù)流域自然是天津水環(huán)境體系的關(guān)鍵一環(huán)，由于富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，水庫(kù)中近年來(lái)發(fā)生了較為嚴(yán)重的藍(lán)藻水華，對(duì)水庫(kù)管理和供水安全提出了新的要求，因此對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化研究顯得極其必要。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文以于橋水

3、庫(kù)為研究對(duì)象，建立了三維EFDC水動(dòng)力和 WASP水質(zhì)耦合數(shù)值模型，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非機(jī)理模型來(lái)研究水庫(kù)中水體富營(yíng)養(yǎng)化，取得了具有理論意義和實(shí)用價(jià)值的成果。論文研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新成果主要有：
　　（1）本文基于?坐標(biāo)系下所建立的三維水動(dòng)力模型能夠有效模擬水庫(kù)中三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和吞吐流、補(bǔ)償流、風(fēng)生環(huán)流等復(fù)雜流速，以及垂向各分層流場(chǎng)的流速差異，克服了二維水庫(kù)水動(dòng)力模型難以模擬真實(shí)水流形態(tài)的局限性，符合當(dāng)前環(huán)境水動(dòng)力學(xué)發(fā)展趨勢(shì)。另外，本文綜合

4、考慮了風(fēng)場(chǎng)、吞吐流和地形對(duì)水庫(kù)流場(chǎng)的影響，彌補(bǔ)了以往水庫(kù)或湖泊進(jìn)行水動(dòng)力研究?jī)H單一考慮水庫(kù)中風(fēng)場(chǎng)、吞吐流作用的片面性。
　　（2）成功將 EFDC模型與 WASP模型耦合，將 EFDC中水動(dòng)力信息導(dǎo)入WASP模型中，建立了三維水環(huán)境數(shù)值模型，克服了EFDC模型水質(zhì)模擬和WASP模型水動(dòng)力模擬方面的局限性，同時(shí)克服了國(guó)內(nèi)水庫(kù)或湖泊僅用單一模型進(jìn)行水質(zhì)模擬方面的局限性。另外，經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)證，應(yīng)用所建立的模型分析了水庫(kù)中水質(zhì)的時(shí)間和空間變

5、化。從水動(dòng)力條件，氮磷比、溶解性無(wú)機(jī)氮源與藻類(lèi)生長(zhǎng)關(guān)系三個(gè)方面分析了于橋水庫(kù)中藻類(lèi)水華的成因。最后，通過(guò)減少邊界負(fù)荷、提高運(yùn)行水位、調(diào)水時(shí)間提前三個(gè)模擬情景探討降低水庫(kù)中葉綠素濃度的方法，為富營(yíng)養(yǎng)化控制措施提供依據(jù)。
　　（3）應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)，在輸入?yún)?shù)中引入降雨、太陽(yáng)輻射等氣象條件，彌補(bǔ)了以往神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型只使用水質(zhì)變量為輸入?yún)?shù)的片面性；將因子分析等數(shù)據(jù)挖掘方法引入模型輸入變量選擇中，克服了以往模型僅靠經(jīng)驗(yàn)知識(shí)

6、選擇參數(shù)的局限性，提高了模型預(yù)測(cè)精度；本文所建立的模型成功應(yīng)用于水質(zhì)變量的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，能夠進(jìn)行水質(zhì)的短期預(yù)測(cè)。另外，將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，使用模型敏感性分析結(jié)果，選擇合理的可控因子進(jìn)行正交表格設(shè)計(jì)，通過(guò)觀察葉綠素a濃度的響應(yīng)來(lái)找出最合理的抑制藍(lán)藻水華的環(huán)境變量控制方案。
　?。?）對(duì)于橋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化控制措施進(jìn)行了探討，從外源污染治理工程、內(nèi)源污染治理工程和流域綜合管理措施三個(gè)方面提供了不同方案或建議。外源污染治

7、理工程包括利用前置庫(kù)工程結(jié)合入庫(kù)河口濕地建設(shè)、水庫(kù)周邊推平魚(yú)池和河道濕地走廊三個(gè)方面建設(shè)人工濕地系統(tǒng)，建設(shè)湖濱帶、環(huán)庫(kù)截污溝等生態(tài)修復(fù)工程，安裝防護(hù)網(wǎng)、水庫(kù)視頻監(jiān)控和巡檢數(shù)字化系統(tǒng)等庫(kù)區(qū)防護(hù)工程，有效治理水庫(kù)外源污染。內(nèi)源污染治理工程包括底泥疏竣或鈍化工程和水生生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，水生生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)包括人工復(fù)合植物群落生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)結(jié)合圍隔擴(kuò)展技術(shù)、人工生物浮床生態(tài)系統(tǒng)以及水生動(dòng)物操縱。流域綜合管理措施包括建立水庫(kù)流域管理?xiàng)l例，環(huán)庫(kù)居民遷移，遵化