高原湖泊湿地生态水动力学模拟研究

论文摘要

高原浅水湖泊作为高原上的一颗明珠,她孕育着高原上的人民,在高原生态环境中起着至关重要的作用。随着城市化进程的加快,生活污水及工业废水的大量排放,浅水湖泊的生态环境不断恶化,湖泊水环境治理刻不容缓。开展高原湖泊水环境整治规划是指导水环境治理的前提和关键,而湖泊水环境模拟研究是规划中的一个重要技术手段。本文结合国家自然科学基金项目（50769001）高原湖泊湿地植物-水流-泥沙-污染物交互作用机理研究以及水利部公益项目（201101042）高原盆地城市水源地保护和恢复技术研究,针对高原城市浅水湖泊污染加剧的现状,综合考虑湿地植物、底泥、污染物（氮、磷）和水域条件变化,根据水动力学原理建立了垂向平均化的二维生态水动力学模型。通过室内模拟生态河道的水槽实验来确定湿地的综合糙率,通过野外布置试验场试验确定湿地对污染物（氮磷）的去除速率、氮磷的沉降系数、底泥中氮磷释放系数。对模型方程采用分步杂交法,按时间分为前后两半分步。前半分步采用改型特征线法,后半分步采用集中质量有限元法进行求解。本文以高原明珠滇池为研究对象,根据环滇池保护规划纲要建设滇池人工湿地,并将湿地水体纳入到滇池水体当中。模拟湖泊风生流的各种情况下的流场与氮磷浓度场：模拟研究了滇池现有水体、拆除防浪堤水域扩展后水体及滇池湿地建成后水体3种情况的流场和水质浓度场,及入滇河道达标排放水质浓度场,分析了水域扩展和湿地植物对滇池流场的影响,以及水域扩展、湿地植物、入滇河道达标排放对滇池水质的影响。分析对比各情况模拟结果得出：改变了原边界条件和风生流的局部流向,滇池局部区域的流场发生了改变；生态湿地建设对滇池流场的影响主要发生在湿地区域,对其他区域的流场影响较小；水域扩展有利于增加水体自净能力；人工湿地有效降低湖泊污染；入滇河道的达标排放和人工湿地的建设,合并作用将大为降低湖泊的污染,对净化水质起到决定性作用。模拟计算结果对滇池的生态建设具有支持作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出背景及研究意义
• 1.2 湖泊模拟国内外的研究进展
• 1.2.1 湖泊水动力模拟的研究进展
• 1.2.2 湖泊水质数值模拟研究进展
• 1.2.3 我国在水质模型研究发展领域所作贡献
• 1.2.4 生态水动力学模拟当前存在的问题
• 1.3 研究内容及研究方法
• 第二章 二维湖泊湿地生态水动力学模型的建立
• 2.1 二维湖泊湿地生态水动力学模型方程
• 2.1.1 基本方程
• 2.1.2 初始条件及边界条件
• 2.2 计算方法
• 2.2.1 分布杂交法
• 2.2.2 改型特征线格式
• 2.2.3 集中质量有限元法
• 2.3 本章小结
• 第三章 生态水动力模型在水流流场计算中的应用研究
• 3.1 滇池流域概况
• 3.2 模拟方案确定
• 3.3 计算网格的划分
• 3.4 模型参数的确定
• 3.4.1 湖底糙率
• 3.4.2 生态湿地糙率
• 3.4.3 风应力
• 3.5 计算结果及其分析
• 3.5.1 模型方程的验证
• 3.5.2 相同方案在不同水期下的流场模拟计算及分析
• 3.5.3 相同水期下三种方案流场分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 生态水动力模型在污染物浓度场计算中的应用研究
• 4.1 参数确定
• 4.1.1 湿地对污染物去除速率的确定
• 4.1.2 底泥TP、TN的释放系数的确定
• 4.1.3 底泥TP、TN的沉降系数的确定
• 4.2 氮、磷浓度场模拟结果及分析
• 4.2.1 模型验证
• 4.2.2 相同方案不同水期的TN、TP浓度模拟
• 4.2.3 相同水期下不同方案的TN和TP浓度模拟
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录