水库水体总磷三维数学模型及其应用

论文题目: 水库水体总磷三维数学模型及其应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 地球探测与信息技术

作者: 聂晶

导师: 杨天行

关键词: 水库水体,总磷,三维生态模型,有限元,数值方法,生物作用

文献来源: 吉林大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在水库水体的各种污染问题中，“富营养化”是发生最普遍、危害最大的水环境问题，尤其是有些在城市区域的水库，因迅速的城市化受到严重的污染，富营养化严重，失去了作为饮用水水源的功能，例如北京曾经的饮用水水源的官厅水库。显然水库的富营养化控制是水资源保护的重要措施和目标之一。水体富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养性物质，使水体中藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成水库水体恶化，从而使水库生态环境和水功能受到阻碍和破坏，危害水资源的利用。根据OECD(世界经济合作与发展组织)的研究，80％的水体富营养化受磷元素的制约，10％的水体富营养化与氮、磷元素直接相关，其余10％的水体是氮与其它因素起作用。因此，世界各国开始采取措施限制向水体排放氮、磷，如1986年瑞士联邦政府制定的“禁用含磷洗涤剂”法案正式生效。绝大部分水体的富营养化受磷元素的制约原因在于：水体中的氮磷之比(N／P)约在10-15之间时最利于藻类繁殖，促使水体迅速向富营养化方向发展。由于藻类等水生植物对多数形态的氮都能吸收，并可在生长环境缺氮的情况下，通过呼吸作用从大气中吸收氮。由于这一因素的存在，氮在水体中含量很难人为控制，突出了磷限制作用的重要性。也就是只要我们控制了磷在水体中的含量，也就控制了水体中氮磷之比，也就控制了水体向富营养化方向的发展。因此磷元素是水体营养化的限制因子，绝大多数水库被规定为磷控制水库。为了有效地控制水库的富营养化，为了保护水库水质，科学地利用水资源，了解营养元素磷在水库水体中的含量、分布和迁移转化规律是十分必要的。目前有关磷在水体中迁移的机理和数学模型的论述中主要存在两个方面的问题: 一个是对磷在水体中迁移转化的机理的分析，绝大多数只考虑污染质在水体中扩散和运移及源汇项的作用。对由化学和生物因素而产生的转化和降解作用等考虑很少，实际上，生物对水体中磷的迁移转化所产生的作用中是不可忽视的。另一个是有关磷在水体中迁移转化所建立的数学模型，现有成形的模型中零维、一维模型为多，二维模型、三维模型相对较少。而零维模型适用于水体均匀分布、性质相同的理想情况，一维和二维的模型适用于在x、y、z三个方向中有一至两个方向存在变化的水体。基于上述分析，本论文重点阐述了生物作用对磷在水体中的迁移转化的影响，生物作用的深入研究是本论文的创新点之一。同时，建立了通用的水库水体总磷三维迁移转化数学模型，三维模型的建立是本文又一创新点。水体中磷的来源可分为外源性磷和内源性磷，而水库沉积物是水体内源性磷的主要来源。水体中的外源性磷主要来源于大气沉降、工农业生产以及城市生活废水、家畜排泄物和农业径流等。近年来，人为污染排放是水体中磷负荷的一个重要来源，有时这种来源的磷要远远超过自然输入过程，对生态系统的危害性也很大。人为污染磷来源分为“点源”和“面源”，最大的磷的点源污染是大量使用的工业和家用洗涤剂，而磷的面污染源是农业施肥的结果。水体中磷可分为有机态磷和无机态磷两大类。有机态磷即以C一于P或C一P键结合的含磷化合物。无机态磷又可细分为钙型磷、铝型磷、铁型磷、可还原态磷、残渣态磷，通常情况下自然水体中无机磷的主要形式是磷酸盐。绝大部分磷是有机磷或者被生物细胞组织吸收的无机磷，以溶解态和颗粒态存在。通过对水库水体中磷的来源，磷在水体中存在的状态，能够影响磷迁移转化的各种因素的分析对水库水体中磷元素的迁移转化机理进行了研究，针对不同已知条件和参数建立不同维数的数学模型，系统地分析了各种零维、一维、二维、三维模型，并给出模型的解析解或数值解。我们又首次建立了水质、水温、生态祸合的三维数学模型，该模型不仅考虑了总磷在水体中的分子扩散、紊动扩散、弥散作用、平流作用，而且考虑了沉降和生物作用以及水温对总磷迁移转化的影响，可以对水库总磷的变化情况做到预测。论文深刻的讨论了起始点源、无限分布源、有限分布源、时间连续源总磷的迁移规律及解析解表达式，还讨论了有岸情形对总磷迁移规律的影响。论述不同条件模型的解析解，适用于完全混合模型以及有些一维模型。论文分析了常用的四种数值方法:有限差分法、有限元法、广义差分法、特征有限体积法，通过算例比较各方法的优缺点，指出各方法的适用)少夕条件。这对不同条件下，选择数值求解方法是有益的。并针对总磷生态模型采用Gal erkin有限元法并给出得到数值解的过程。同时给出用数值方法求模型参数的过程，是逆问题的实例。论文针对密云水库周界环境及水文地质条件和监测资料分析，首次建立了密云水库水体磷迁移转化三维生态模型，并根据水库面积大流速缓慢的特点，采用了求解总磷方程的三维Galerkin有限单元法:用惩罚函数法及最优化技术获得了最优参数。模型的模拟结果与实测值比较误差小，基本反映了总磷的变化规律。总结了密云水库总磷浓度变化规律，结合密云水库地形图绘制了总

论文目录:

第一章绪论

1．1 立题的背景及研究意义

1．2 研究内容及国内外现状

1．3 选题的两个创新点

第二章水库水体磷迁移转化机理

2．1 磷的来源

2．2 磷的形态

2．3 影响磷迁移转化的主要因素

第三章总磷数学模型的建立

3．1 零维模型

3．2 一维模型

3．3 二维模型

3．4 三维模型

第四章总磷迁移方程的解析解及其应用

4．1 总磷迁移方程的解析解

4．2 总磷迁移方程解析解的应用

第五章污染物迁移模型正反演的数值解法

5．1 数值求解方法

5．2 迦辽金有限元法

5．3 求解污染质迁移方程的特征有限体积法

5．4 计算总磷水温生态数学模型逆问题的Galerkin有限元法

第六章总磷数学模型的应用

6．1 密云水库上游流域及库区基本概况

6．2 密云水库水体污染的来源及水质现状

6．3 密云水库水体总磷的含量及其分布规律

6．4 密云水库水体总磷生态模型的建立

第七章结论

7．1 密云水库水体总磷浓度变化规律

7．2 密云水库水体总磷模型的验证

7．3 水库水体治理措施

7．4 结论

参考文献

攻博期间发表的学术论文及参与的主要科研项目

致谢

摘要

Abstract

发布时间: 2005-01-31

参考文献

[1].三峡水库水体甲基汞光化学降解特征及其作用机制与影响因素[D]. 孙荣国.西南大学2014
[2].分层型水库水体细菌群落演变机制与扬水曝气强化作用研究[D]. 杨霄.西安建筑科技大学2016
[3].混合充氧对分层水库水质改善及微生物种群结构调控研究[D]. 周子振.西安建筑科技大学2017

水库水体总磷三维数学模型及其应用

猜你喜欢