白洋淀富营养化评价与数值模拟研究

论文摘要

湖泊在生态环境系统中发挥着重要作用,富营养化是当前普遍存在的问题。通过建立合理的数学模型是开展湖泊水环境系统综合研究的重要手段之一。本文在总结前人研究成果的基础上,首先概述了富营养化评价的方法,并总结了湖泊水动力学模型及水质生态模型的研究现状,并主要作了如下的工作:(1)根据白洋淀2004年实际监测数据,应用评分法、综合指数评价法、遗传算法和灰色聚类法四种方法,对白洋淀的14个断面的富营养化程度进行评价。评价结果表明,综合指数评价法和遗传算法较好的体现了各个断面的富营养化程度,而评分法在等级划分和灰色聚类法在权重选取上仍可作改进。(2)在综合分析了白洋淀水环境系统的基础上,在水动力方程中引入芦苇阻力作用,建立了二维水动力学模型,采用ADI方法对控制方程进行离散,模拟了白洋淀的流场。(3)在美国环保局开发的WASP湖泊富营养化模型的基础上,引入了浮游动物这一影响因子,表征了浮游动物生长动力学及其对营养盐与溶解氧作用,使得模型对富营养化过程的描述更加全面。建立的湖泊生态模型,共涉及浮游植物、浮游动物、氮、磷、溶解氧等9个变量,揭示了变量之间的相互关系以及湖泊富营养化的变化规律。结合白洋淀水域2004年的总氮、总磷、溶解氧、碳生化需氧量的实际监测数据,将WASP模型和改进后的模型进行对比分析,表明改进后的模型能更好的与实测值吻合。(4)将含有芦苇阻力作用的水动力方程,与引入了浮游动物相关动力学方程的WASP富营养化改进模型相结合,建立了白洋淀富营养化生态动力学模型,模拟浮游植物、浮游动物、氮、磷和溶解氧等9个水质状态变量相互耦合的变化过程。利用实测数据对模型模拟的氨氮、总氮、总磷和溶解氧进行验证计算的结果表明,模型的计算值与实测值有较好的吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 富营养化评价研究进展
• 1.2.2 水动力学模型研究进展
• 1.2.3 富营养化模型研究进展
• 1.3 论文的主要内容与技术路线
• 1.3.1 论文的主要内容
• 1.3.2 论文的技术路线
• 2 白洋淀富营养化评价
• 2.1 白洋淀水环境分析
• 2.2 富营养化概述
• 2.3 富营养化评价方法
• 2.3.1 评分法
• 2.3.2 综合营养状态指数法
• 2.3.3 基于遗传算法优化的湖泊富营养化评价普适指数公式
• 2.3.4 灰色聚类法
• 2.4 白洋淀富营养化评价结果与讨论
• 3 白洋淀富营养化生态动力学模型
• 3.1 水动力学模型
• 3.1.1 浅水环流问题
• 3.1.2 白洋淀水动力学方程
• 3.1.3 水动力方程的离散及求解
• 3.1.4 白洋淀水动力模拟
• 3.2 WASP富营养化改进模型
• 3.2.1 WASP模型及其改进模型
• 3.2.2 浮游植物的生长动力学方程
• 3.2.3 浮游动物生长动力学方程
• 3.2.4 氮循环
• 3.2.5 磷循环
• 3.2.6 溶解氧平衡
• 3.2.7 模型参数的率定
• 3.2.8 模型的求解
• 3.2.9 WASP模型及改进后模型的对比验证
• 3.3 富营养化生态动力学模型
• 3.3.1 水平二维迁移扩散控制方程的数值求解
• 3.3.2 生态动力学数值模拟结果与分析
• 4 白洋淀富营养化治理措施建议
• 4.1 削减入淀污水中的污染物
• 4.2 运用生态技术控制非点源污染
• 4.3 淀区自身水污染防治
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢