淺水型富營養(yǎng)化水庫三維水動力及水質(zhì)數(shù)值模擬研究與應(yīng)用.pdf

1、富營養(yǎng)化被認(rèn)為是全球水庫和湖泊生態(tài)系統(tǒng)最普遍和最嚴(yán)重的問題，我國現(xiàn)已成為世界上水庫污染和藻類爆發(fā)最為嚴(yán)重的國家之一。在富營養(yǎng)化水體中，藻類的大量繁殖是常見的次生生態(tài)問題，對供水安全和水源地保護都有著極顯著的影響。為富營養(yǎng)化水庫水環(huán)境治理、生態(tài)調(diào)控和水庫優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)指導(dǎo)工具是水庫研究的一項緊迫和重要課題。研究和應(yīng)用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型開展水庫水動力與水生態(tài)數(shù)值模擬是研究這一課題的重要手段。2013年，為推進天津建設(shè)、明顯改善全市生態(tài)環(huán)境和群

2、眾生產(chǎn)生活條件，天津市政府規(guī)劃并實施了“美麗天津·一號工程”，主要實施“四清一綠”五項行動，其中就包括了清水河道行動，要求堅持控源、截污在先，治污、修河、調(diào)水、開源多措并舉，構(gòu)筑與美麗天津要求相適應(yīng)的水環(huán)境體系。作為天津市唯一的飲用水源地，于橋水庫流域自然是天津水環(huán)境體系的關(guān)鍵一環(huán)，由于富營養(yǎng)化嚴(yán)重，水庫中近年來發(fā)生了較為嚴(yán)重的藍藻水華，對水庫管理和供水安全提出了新的要求，因此對水庫富營養(yǎng)化研究顯得極其必要。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，本文以于橋水

3、庫為研究對象，建立了三維EFDC水動力和 WASP水質(zhì)耦合數(shù)值模型，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非機理模型來研究水庫中水體富營養(yǎng)化，取得了具有理論意義和實用價值的成果。論文研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果主要有：
　　（1）本文基于?坐標(biāo)系下所建立的三維水動力模型能夠有效模擬水庫中三維流場結(jié)構(gòu)和吞吐流、補償流、風(fēng)生環(huán)流等復(fù)雜流速，以及垂向各分層流場的流速差異，克服了二維水庫水動力模型難以模擬真實水流形態(tài)的局限性，符合當(dāng)前環(huán)境水動力學(xué)發(fā)展趨勢。另外，本文綜合

4、考慮了風(fēng)場、吞吐流和地形對水庫流場的影響，彌補了以往水庫或湖泊進行水動力研究僅單一考慮水庫中風(fēng)場、吞吐流作用的片面性。
　　（2）成功將 EFDC模型與 WASP模型耦合，將 EFDC中水動力信息導(dǎo)入WASP模型中，建立了三維水環(huán)境數(shù)值模型，克服了EFDC模型水質(zhì)模擬和WASP模型水動力模擬方面的局限性，同時克服了國內(nèi)水庫或湖泊僅用單一模型進行水質(zhì)模擬方面的局限性。另外，經(jīng)過模型驗證，應(yīng)用所建立的模型分析了水庫中水質(zhì)的時間和空間變

5、化。從水動力條件，氮磷比、溶解性無機氮源與藻類生長關(guān)系三個方面分析了于橋水庫中藻類水華的成因。最后，通過減少邊界負(fù)荷、提高運行水位、調(diào)水時間提前三個模擬情景探討降低水庫中葉綠素濃度的方法，為富營養(yǎng)化控制措施提供依據(jù)。
　　（3）應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行水質(zhì)預(yù)測，在輸入?yún)?shù)中引入降雨、太陽輻射等氣象條件，彌補了以往神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型只使用水質(zhì)變量為輸入?yún)?shù)的片面性；將因子分析等數(shù)據(jù)挖掘方法引入模型輸入變量選擇中，克服了以往模型僅靠經(jīng)驗知識

6、選擇參數(shù)的局限性，提高了模型預(yù)測精度；本文所建立的模型成功應(yīng)用于水質(zhì)變量的預(yù)測和預(yù)報，能夠進行水質(zhì)的短期預(yù)測。另外，將正交試驗設(shè)計方法引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，使用模型敏感性分析結(jié)果，選擇合理的可控因子進行正交表格設(shè)計，通過觀察葉綠素a濃度的響應(yīng)來找出最合理的抑制藍藻水華的環(huán)境變量控制方案。
　　（4）對于橋水庫富營養(yǎng)化控制措施進行了探討，從外源污染治理工程、內(nèi)源污染治理工程和流域綜合管理措施三個方面提供了不同方案或建議。外源污染治

7、理工程包括利用前置庫工程結(jié)合入庫河口濕地建設(shè)、水庫周邊推平魚池和河道濕地走廊三個方面建設(shè)人工濕地系統(tǒng)，建設(shè)湖濱帶、環(huán)庫截污溝等生態(tài)修復(fù)工程，安裝防護網(wǎng)、水庫視頻監(jiān)控和巡檢數(shù)字化系統(tǒng)等庫區(qū)防護工程，有效治理水庫外源污染。內(nèi)源污染治理工程包括底泥疏竣或鈍化工程和水生生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，水生生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)包括人工復(fù)合植物群落生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)結(jié)合圍隔擴展技術(shù)、人工生物浮床生態(tài)系統(tǒng)以及水生動物操縱。流域綜合管理措施包括建立水庫流域管理條例，環(huán)庫居民遷移，遵化