东湖生态水网工程调度模型及其应用研究

论文摘要

过去几十年间,以资源过度消耗为支撑的社会经济的高速发展,给湖泊水环境带来了前所未有的压力,使湖泊自身的环境状况发生了巨大的变化。以太湖、巢湖和滇池为代表的“三湖”,走过了一条“先污染再治理、边治理边污染”的道路,多年的水环境治理没有从根本上扭转其污染日益恶化的趋势,水质好转的目标也未能实现。当前,我国正处在推进资源节约型、环境友好型社会(简称“两型社会”)建设的新时期,社会对水环境治理的需求发生了很大的变化,必须抛弃不适应社会发展的“先污染再治理、边治理边污染”的治理思路。在这一新的时代背景下,武汉市在“大东湖”地区开展了大东湖生态水网构建工程的湖泊水环境治理与修复实践,以期通过污染控制、水网连通和生态环境修复等措施,实现大东湖地区水生态环境的综合治理,促进区域内的经济结构调整,探索符合时代发展趋势的城市内湖污染控制、治理及恢复的新思路与新途径。湖泊水环境受气象、水文、生化等多方面的影响。在风力、出入流等自然因素作用下产生的湖泊水体运动,是湖泊水环境研究的基础。尤其是在一些浅水湖泊中,这一水动力过程在很大程度上决定着水质的变化和悬移质的输移,从而深刻地影响着湖泊的水环境健康状况。大东湖生态水网构建工程遵循湖泊水环境演变的自然规律,将东湖与长江重新连通,以从长江引水为手段,通过科学调度,达到加速东湖水环境自我修复的目的。对于东湖生态水网工程的调度运行,姜铁兵提出了“大连通,小循环;慎引水,勤调度”的理念。实现这个理念目标,需要对不同方案下东湖水动力过程进行深入地研究,明确引水对东湖的水生态环境将要产生的影响。本文以东湖为研究对象,针对大东湖生态水网的构建,建立东湖生态水网工程调度模型(DENED),从理论方法和技术层面上对大东湖生态水网工程的引水调度运行进行研究。DENED模型以1978年7、8月份的实测气象数据为背景,对东湖现状条件下、东湖生态水网工程一期运行、二期运行和拆除湖中部分隔堤等不同方案下东湖的湖流运动模式以及水温和水质的变化进行了模拟,并从水温、水体更新率和水质等方面对不同方案下东湖生态水网工程调度运行效果进行了评价,比较了调度方案的优劣,提出了东湖生态水网工程初步的调度运行过程。本文的研究内容主要分两部分:一是在湖泊水动力学的基础上,根据东湖生态水网工程调度的虚拟边界,建立了东湖生态水网工程调度的DENED模型;二是以实测数据为背景,运用DENED模型对不同的调度方案进行了模拟分析和研究。本文主要的研究成果和创新总结如下:1.建立了东湖调度的虚拟边界。运用隔板和源汇的概念对东湖中的隔堤以及东湖生态水网工程的引水口出水口进行了概化,初步地解决了东湖湖区分割的问题,得以从整体上对东湖进行数值模拟,便于在东湖生态水网工程的不同调度方案下运用。2.以湖泊水动力学理论为基础,运用东湖调度的虚拟边界,建立了东湖生态水网工程调度模型。3.提出了东湖生态水网工程调度运行的初步方案。在工程运行的初始阶段,考虑湖区水质的优劣次序,不使用后湖湖区的出水口,东湖生态水网在一期工程条件下运行;运行40天后,按东湖生态水网二期工程全调度运行;待全湖水体水质趋于稳定后,对湖中的隔堤进行拆建改造,消除湖区间水体运动的障碍,以充分发挥东湖生态水网的工程效益。本文的研究对象为处于湿润地区的、国内最大的城中湖——武汉东湖,研究具有鲜明的地域特色。本文的研究结果可以为武汉大东湖生态水网工程的实施提供决策支持和理论依据,对武汉市促进“大东湖”地区水生态环境治理、推进“两型社会”综合改革试验区的探索具有积极的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 “三湖”的水环境治理
• 1.3 “大东湖”生态水网构建
• 1.4 湖泊水动力环境研究
• 1.5 国内外研究概况
• 1.6 研究内容
• 2 东湖边界的虚拟化
• 2.1 东湖边界的特殊性
• 2.2 湖区间隔堤的概化
• 2.3 引水口的概化
• 2.4 东湖虚拟边界的概化模型
• 2.5 小结
• 3 东湖生态水网工程调度模型DENED研究
• 3.1 东湖生态水网工程调度模型
• 3.2 模型的数值离散
• 3.3 数值边界条件
• 3.4 计算参数
• 3.5 分析解的验证
• 3.6 小结
• 4 DENED模型调度评价指标
• 4.1 水温
• 4.2 水体更新率
• 4.3 水质
• 4.4 小结
• 5 DENED模型应用研究
• 5.1 气象水质条件
• 5.2 调度计算方案
• 5.3 水温结果分析
• 5.4 水体运动模式分析
• 5.5 调度流量的分配
• 5.6 调度策略的确定
• 5.7 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文