太湖水体透明度影响因子实验及模型研究

论文摘要

湖水透明度是描述湖泊光学的一个重要参数,能够直观反映湖泊水下光场的分布情况,而水下光场是湖泊水生态系统的重要影响因子,直接影响到水生植物的生长和繁殖,探求影响透明度的主导因子和有效改善措施是进行水生植被恢复的基础和前提。太湖透明度主要受悬浮物、藻类和可溶性有机物浓度的影响,而这三者又均与湖泊水动力过程密切相关。本文通过室内外实验,研究了水动力条件下透明度各影响因子的特征和变化规律,并建立了相应的数学模型,最后将各影响因子的数学模型耦合,建立了水动力作用下的太湖透明度模型,为太湖水生植被恢复和健康生态系统重建提供了科学依据。 太湖透明度的各影响因子均受水动力过程的影响,所以研究太湖水动力特征是透明度研究的基础和前提。本文基于实测资料,分析了太湖湖流和波浪的基本特征,分别建立了数学模型。并将湖流模型和波浪模型耦合,分析了湖流对波浪的影响。波浪模型采用的是基于动谱平衡方程的SWAN波浪模型,在考虑实际水底地形、波浪折射、浅化、反射、破碎、湖流等条件下,对太湖在盛行风作用下的波高、波周期、波长、波陡、近底水质点的运动速度等波浪参数进行模拟并研究了太湖波浪的影响因子。 悬浮物是太湖透明度的主要影响因子,通过室内外实验,研究了太湖底泥在水动力作用下的再悬浮、沉降规律,并建立了水动力条件下太湖悬浮物模型。在室内环形水槽中,模拟了太湖底泥的起动规律,得出了太湖底泥在不同起动标准下的起动流速,建立了底泥中TN、TP的释放通量与水体流速的定量化关系;在野外实验中,着重研究了水动力作用下,太湖底泥的再悬浮和沉降规律、以及底泥再悬浮沉降中引起的营养盐的变化规律。探讨了再悬浮通量的计算方法,并建立了太湖底泥再悬浮通量、悬浮物沉降通量与水动力条件的关系。通过室内静沉降实验,计算了悬浮物在不同浓度下的沉降速度。根据实验结果和悬浮物特征,建立了水动力作用下太湖悬浮物模型。在模型中综合考虑波浪和湖流对底泥的扰动,并将床面层附近底泥的起悬量和沉降量分开处理,引入了底泥起悬条件,动态模拟了水动力作用下悬浮物的变化规律。 另外,太湖藻类和可溶性有机物对光也具有吸收和散射作用,是影响水体透明度的次要因子。藻类和有机物对透明度的影响不确定性较大,藻类对透明度的影响受季节影响,夏季较冬季要大;可溶性有机物对透明度影响一直不是很大,但也不能忽视

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 湖泊水动力学研究回顾
• 1.2.2 水质数值模型研究综述
• 1.2.3 湖泊富营养化模型研究综述
• 1.2.4 湖泊悬浮物、沉积物研究综述
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.4 论文的创新点
• 第二章 太湖底泥起动和水体悬浮物沉降规律实验研究
• 2.1 水动力作用下太湖底泥起动规律研究
• 2.1.1 太湖底泥起动实验研究
• 2.1.2 太湖底泥起动流速的理论计算
• 2.1.3 太湖起动流速实验成果和理论模型成果的对比
• 2.1.4 水动力条件下底泥中总氮、总磷释放通量研究
• 2.2 太湖悬浮物的静沉降性能研究
• 2.2.1 材料与方法
• 2.2.2 实验结果与分析
• 2.3 太湖水体悬浮物沉降及营养盐浓度变化规律研究
• 2.3.1 实验设计与操作方法
• 2.3.2 太湖悬浮物的沉降规律及再悬浮通量计算
• 2.3.3 野外悬浮沉降实验中营养盐和藻类浓度变化规律研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 太湖湖流和波浪观测与模拟
• 3.1 太湖湖流观测及模拟研究
• 3.1.1 太湖湖流观测
• 3.1.2 太湖湖流数值模拟
• 3.2 太湖波浪特征及模拟研究
• 3.2.1 太湖波浪观测
• 3.2.2 太湖波浪数值模拟
• 3.3 本章小结
• 第四章 太湖水质特征及模拟研究
• 4.1 太湖水质特征
• 4.1.1 太湖水质因子分析
• 4.1.2 太湖水质时空相关性分析
• 4.1.3 太湖悬浮物和透明度观测资料分析
• 4.2 太湖水质模拟研究
• 4.2.1 太湖水质模型
• 4.2.2 水质模型的验证
• 4.2.3 外源性污染对梅梁湾水质影响的定量化研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 太湖富营养化数学模型研究
• 5.1 多元线性回归模型
• 5.1.1 基于相关性分析的因子重要度排序
• 5.1.2 基于多元回归分析的chla模拟
• 5.2 太湖藻类生长的人工神经网络模拟
• 5.2.1 BP人工神经网络模型简介
• 5.2.2 太湖藻类人工神经网络模拟
• 5.3 太湖富营养化生态学模型研究
• 5.3.1 太湖富营养化模型概述
• 5.3.2 模型的率定和验证
• 5.3.3 模型预测结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 太湖悬浮物及透明度数值模型研究
• 6.1 波流共同作用下太湖悬浮物模拟研究
• 6.1.1 湖流、波浪、悬浮物耦合模型研究
• 6.1.2 模型参数的确定
• 6.1.3 底泥起悬量与沉降量计算公式的率定
• 6.1.4 模型解法和定解条件
• 6.1.5 悬浮物模型验证
• 6.2 太湖透明度模拟研究
• 6.2.1 太湖透明度影响因子分析
• 6.2.2 太湖透明度模拟
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录 不同风速风向下太湖有效波高分布图
• 科研工作、发表论文及获奖情况
• 致谢