湖泊群水環(huán)境數學模型及其應用研究.pdf

1、湖泊作為陸地上最為重要的水資源載體之一,是人類賴以生存和可持續(xù)發(fā)展的自然依托,但以湖泊富營養(yǎng)化為代表的諸多水環(huán)境問題,已成為我國經濟發(fā)展的瓶頸。近年來,江(河)湖連通作為人們遏制湖泊富營養(yǎng)化的新途徑,在長江中下游湖群中進行了大量嘗試,并被確定我國在新時期的重要水利發(fā)展戰(zhàn)略。對于連通工程形成的“自然-人工”復合水系,連通方式的選擇和連通效應的評估是兩大核心問題,直接關系到連通工程對湖泊水環(huán)境的改善效果,而湖泊水環(huán)境數學模型作為解決這兩個問

2、題的重要途徑,一直是江(河)湖連通研究領域的熱點和前沿。
　　湖泊水環(huán)境數學模型是以湖泊水動力學模型為基礎,并與水質模型和水溫模型耦合后得到的。本文首先以武漢“大東湖生態(tài)水網構建工程”所涉及的湖泊群為對象,基于靜壓水動力學模型建立了湖泊群水環(huán)境數學模型,對連通工程的引水調度模式和水環(huán)境效應進行了研究。鑒于靜壓模型無法模擬地形突變區(qū)的水流和短波等存在明顯垂向流動的水流現象,應用對象的范圍有限,本文又分別建立了平面二維和垂向二維的非靜

3、壓水動力學模型,并對模型的多種求解方法和計算效率作了創(chuàng)新性的科學研究工作。主要工作和創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)以沙湖、東湖、嚴西湖和北湖組成的大型城市湖泊群為研究對象,建立了平面二維湖泊群水動力-水質模型,模擬分析了三種引水調度模式的湖泊群水質改善效果,提出了推薦調度模式。然后對推薦調度模式的三種引水規(guī)模進行了模擬,分析了引水規(guī)模與水質改善效果之間的關系,為連通工程的實施提供了科學的決策依據。
　　(2)以沙湖和東湖為研究

4、對象,建立了三維湖泊水動力-水溫-水質模型,以氣溫典型年為背景,模擬了江湖連通前和江湖連通后(推薦調度模式)兩種情景,通過對比兩種情景下的湖流運動規(guī)律、子湖間水體交換和溫度場,分析了江湖關系變化的水動力與水環(huán)境效應。此外,通過分析江湖連通后湖泊群的水體置換率和總磷變化情況,探索性的提出了“三循環(huán)”調度策略。
　　(3)推導了非靜壓的平面二維水動力學控制方程,并分別采用顯格式法、θ法和新ADI法對其進行求解。其中新ADI法不僅避免了