浅水湖泊群连通与调水的二维水动力-水质耦合模型研究

第32卷第1期2015年1月长江科学院院报JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVol_32No．1Jan．2015DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2015．01．005浅水湖泊群连通与调水的二维水动力一水质耦合模型研究黎育红。贺石磊(华中科技大学水电与数字化工程学院，武汉430074)摘要：将湖?自群连通并进行引清调水的水环境污染治理模式在浅水湖泊分布比较集中的地区逐渐受到人们的关注。为了探究独立湖泊群相互连通引水后各湖区的水动力水质变化情况，以武汉大东湖生态水网工程的建设为背景，建立了湖泊群二维水动力一水质耦合模型。采用适合复杂边界的非结构化网格，考虑湖底地形和气候条件，考虑污染物的输入、迁移和转化，以及蓝藻等浮游生物的生长条件，分别利用东湖2006年6月和2007年6月的野外数据对所建模型进行参数的率定和校核，并利用2012年6月实测数据对3种引水方案与3种连通模式组合情况下湖泊群的BOD，TP，TN以及Ch1．a等生化指标的变化情况进行模拟，对稳定运行30d后的模拟结果进行比较分析。结果表明：引水工程中，对于水域面积较大的湖泊，风力作用依旧是影响流场的主要因素；同样的引水流量下，不同的调水方案对水质改善结果有较大差别；湖泊群中隔堤的存在会给湖?自污染治理带来困难，而在湖?自群中适当区域设置生态小岛对水质变化过程影响微弱。关键词：浅水湖?白群；水动力一水质耦合模型；调水方案；风生流；情景规划方法中图分类号：)(524文献标志码：A文章编号：1001—5485(2015)01—0021—071研究背景近几十年来，随着社会经济的发展和人口增长，湖泊水体水质恶化问题逐渐凸显I2J。为了研究湖泊水质恶化的过程与机制，国内外学者进行了众多的水动力水质模拟方法及相应模型的研究，HahramMissaghi等运用三维水动力模型(EFDC)耦合生态模型(CAEDYM)对具有复杂地形的Minnetonka浅水湖进行水质参数的模拟研究，并对各水质参数与生态变化之间的联系进行了探讨。ChangshengChen等构建了美国Michigan湖水动力与生态模型，模拟结果很好地描述了Michigan湖藻类及浮游微生物随季节变化的生长繁殖状况。LouiseC．Bruce等_5通过耦合的水动力模型(DYRESM)和水生态系统动力学模型(CAEDYM)对位于以色列的Kinneret湖进行营养盐、浮游动物和浮游植物的季节性变化模拟，结果很好地显示了浮游动物在Kin—neret湖N，P等营养盐循环中的作用。国内龚春生等对浅水湖泊平面二维水流一水质一底泥污染模型研究，其数值模拟的科学性得到普遍认可。韩龙喜等根据大型内陆湖泊水动力、气象、水环境特征，建立了博斯腾湖二维水动力、矿化度数学模型，预测分析了不同风场、水文条件、水资源调度方案对湖流、矿化度空间分布的影响。万金保等详细介绍了湖泊水质模型国内外研究动态、类型、常用软件和应用实例，并综观湖泊水质模型的研究历史和应用前景，系统分析了湖泊水质模型研究的发展趋势等等。但是通过总结可以发现，这些模型和方法基本上都是针对单个湖泊，而以连通的浅水湖泊群为对象的模型研究并不多见。对于湖泊分布比较集中的区域，湖泊问连通能够彼此建立水力联系，有利于污染物的输移和转化，实施调水冲污过程中则能改善整个湖泊群的水质。不过，湖泊连通和引水对于湖泊群水质改善的具体效果，还需要进行科学的模型分析。因此建立对象为浅水湖泊群的连通与调水二维水动力一水质耦合模型，对于浅水湖泊群水质水生态研究以及实际湖泊连通引水工程的设计，都具有十分重要的意义。以武汉东湖为主的大东湖湖泊群落是国内最大的城市浅水湖泊群，近年来由于人类活动的强力干涉，使得各子湖水质都存在不同程度的恶化。为改善湖泊群水环境，武汉市政府正在实施“大东湖生态水网构建工程”，即通过污染控制、水网连通和收稿日期：2013—09—12：修回日期：2013—11—22作者简介：黎育红(1972一)，男，湖北孝感人，副教授，博士，研究方向为复杂系统分析及其工程应用，(电话)13886101077(电子信箱)liyuhong@hust．edu．eno24长江科学院院报污染以及底泥释放，其中点源占绝对的主导地位，所以模型中主要考虑点源污染排放量。东湖一沙湖周边的排污口众多，无法一一统计，模型中把污染口进行整合，最后整合成7大排污口，如表1所示。表1排污口位置及排放量Table1Locationanddischargeofdrainageoutlets10Vd官桥湖喻家湖水果湖东湖港小潭湖后湖尖沙湖合计4．3521．211．51162006年东湖一沙湖减排后日排约16万t污水，相当于流量1．85m。／s。按照甘义群《武汉