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Falls Lake水库水质的数值模拟研究及分析

李杰

   作为一种重要的水体形式,水库与人类的日常用水密切相关。Falls Lake水库位于美国北卡罗来纳州,为北卡州府罗利及其周边地区提供生活用水。当地政府对水库的治理颇见成效,水质状况较历史水平已有明显改善。但近几年的观测资料显示:水库中Chl-a经常会出现超标现象。为了防止可能出现的水体富营养化问题,更加有效地保护水库的水质,确保当地饮用水的质量,有必要对水库目前的水质状况以及演变趋势进行深入研究,以便全面了解水库内是否存在富营养化问题。如果已经存在,那么将就富营养化问题对水库水质在时间和空间上产生的影响深度及广度进行研究分析,揭示各要素的对水质状况的影响机制,为管理方案的制定提供科学依据。 本文以水库及其周边地区的水文、水质及气象观测资料为基础,对历史数据进行了综合分析,并利用一个三维富营养化-水动力数值模型HEM-3D,对2005、2006、2007年水库内的水质状况进行模拟研究。力求从生态动力学角度揭示水库内能流、物流的循环特点。本文研究着重从以下几方面进行分析:1)水库水质在干、湿年份表现出来的特点和差异,以及形成这些特点和差异的根本原因;2)存在于下游深水区的季节性温跃层对水质状况的影响;3)悬浮颗粒物对水质状况的影响;4)点源污染和面源污染对水质的影响;5)营养盐在水库内的输运过程以及水质要素与之的响应关系;6)各因子对水质状况的影响机制。 通过对涉及25年的历史资料进行分析发现: 1)千年份的水质状况较差,产生原因主要由于水位较低,营养盐在水体中的浓度较高;就区域而言,上游的水质明显较下游差,夏、秋两季的Chl-a超标严重。近几年对水库污染的有效控制,Falls Lake水库内的水质状况有了明显的改善,但夏、秋两季水库的上游仍存在较为严重的富营养化问题。 2)统计结果显示,观测资料中无机N与无机P的比值与Redfield Ratio非常接近,所以与湖泊、水库中经常出现的单一P限制所不同,N、P在特定的时间、特定的区域都可能限制水体中的初级生产 观测资料存在时间和空间上的局限性,因此有必要运用数值模型对FallsLake水库的水质状况进行模拟研究。不仅可以弥补观测的缺失,使得我们对水库的富营养化状况有更为全面的认识,并且有助于对某些相关科学问题的理解和分析,从本质上揭示水库内能量、物质的循环过程。研究结果表明: 1)通过径流输入和底部溶出两种不同形式进入水体的营养盐对水库水质的影响区域和表现形式有本质的差别:径流输入主要源于上游,水体中营养盐的比例表现为N限制,由于污染物在水库内的滞留时间比较长,所以径流输入主要影响上游的水质状况;下游营养盐主要来源于底部溶出对水体的补充,并呈现P限制。光照对初级生产的影响也比较明显,特别是在下游深水区。 2)季节性温跃层主要存在于深水区,它的存在和消失对于下游水质状况的变化趋势产生重要的影响。春末至秋初这段时间,温跃层的存在使得底部溶出的营养盐在底层堆积;当温跃层消失后强烈的垂向混合将这些营养盐输送到上层水体,满足了秋末及次年春季“水华”的需求。 3)持续时间较长的水体交换对改善水库内的水质状况有促进作用;但当大规模的水体交换在短时间内发生时,使得水库内营养盐充分混合,此时不仅起不到改善水质的作用,甚至还会导致水质的进一步恶化。 4)利用示踪模型对物质输运过程的试验研究表明,平均年龄、滞留时间和周转时间基本上都与水库内水体交换量呈反比关系,特别是后两者。利用水体交换量计算平均年龄时需要考虑储水量的影响,同等水交换条件下,较少的储水量会加速物质在水库内的输运过程。研究得到平均年龄的半经验计算公式:(?)τDis(τ)/Vol(τ)dτ=c,在根据水库的特点确定常数c之后,依据径流量和水库储水量可以简单有效地分析污染物在水库内的输运过程。 5)水库内沉积物的再悬浮主要受到风浪产生的底部剪切力的影响。悬浮颗粒物对初级生产的影响较小,模型对两者关系诊断分析的结果为:悬浮颗粒物对初级生产主要表现为抑制作用;但当水体中营养盐浓度较低,且存在大规模水体置换的时段,沉积物通过再悬浮大量进入上层水体,它吸附的底部营养盐对上层水体有微弱的补充作用,可以对初级生产起到一定程度的促进作用。……   
[关键词]:Falls Lake;HEM-3D数值模型;富营养化;限制元素;平均年龄;悬浮颗粒物
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国海洋大学2010年