城市景觀湖泊水環(huán)境數(shù)值模擬研究進(jìn)展

胡思骙 張?jiān)娷?任晨媛 王慶國(guó)* 梁 英

1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院

2.成都市濕地保護(hù)中心

3.成都大熊貓繁育研究基地

數(shù)學(xué)模型的發(fā)展從上世紀(jì)60年代開始已經(jīng)有眾多學(xué)者開展了相關(guān)的研究，從開始的單層、單室、單成分和零維的簡(jiǎn)單模型到70年代后期的多層、多室、多成分和三維的復(fù)雜生態(tài)模型用來(lái)揭示湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演變，并逐步開始應(yīng)用在河湖水庫(kù)的污染管理和水生態(tài)恢復(fù)治理等水環(huán)境管理方面。根據(jù)對(duì)不同水生態(tài)模型建立框架和思路的不同，可將模型分為簡(jiǎn)單水質(zhì)回歸模型、單一營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷平衡模型、生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型和復(fù)雜水質(zhì)-生態(tài)-水動(dòng)力耦合模型四類[1]。

加拿大學(xué)者Vollenweider 在1968 年首次提出簡(jiǎn)單的總磷輸入輸出平衡模型，開始了營(yíng)養(yǎng)鹽平衡模型的發(fā)展，該數(shù)學(xué)模型假定湖庫(kù)中的TP 濃度隨時(shí)間的變化值是單位體積水體內(nèi)輸入的磷與從湖庫(kù)中輸出的磷及沉淀到沉積物中的磷之間的差值。之后Laesen、Mercier 和Dillon 等學(xué)者在后續(xù)的研究中對(duì)Vollenweider模型進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)和修正，考慮湖泊上下分層和輸入輸出及沉積物之間磷的交換，應(yīng)用不同形態(tài)磷的微分方程將營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與生物量描述為隨時(shí)間和水深變化的連續(xù)函數(shù)。近年來(lái)，營(yíng)養(yǎng)鹽平衡的水質(zhì)模型已經(jīng)從一維發(fā)展為三維，從單個(gè)線性方程到多個(gè)線性系統(tǒng)方程和初步的相互作用非線性系統(tǒng)模型[2]。水質(zhì)模型在應(yīng)用到湖泊水體時(shí)需要的較少且簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此在預(yù)測(cè)湖泊水體的水質(zhì)演變是具有較高的靈活度和適用性。Dahl 等利用水質(zhì)模型對(duì)瑞典Vnern 湖的磷和懸浮顆粒物的相互關(guān)系進(jìn)行模擬，通過對(duì)目標(biāo)水體進(jìn)行分區(qū)提高了模型的準(zhǔn)確率[3]。Arhonditsis 等針對(duì)華盛頓湖開發(fā)了富營(yíng)養(yǎng)化模型，對(duì)于包括磷酸鹽、總磷、總氮和溶解氧的大部分水質(zhì)參數(shù)都能單一進(jìn)行平衡模擬，且模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差低于20%[4]。然而目前的營(yíng)養(yǎng)鹽平衡水質(zhì)模型并未徹底認(rèn)清污染物在湖泊水體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，使模擬的數(shù)值與實(shí)際水質(zhì)偏差較大。為提高水生態(tài)模型對(duì)不同類型湖泊水體的適用性，逐步開發(fā)出一批用于湖泊水庫(kù)水生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律的承受商用水生態(tài)模型，比如MIKE系列模型、EFDC 模型、WASP 模型、AQUATOX 模型和QUAL2K模型。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行的數(shù)模研究也越來(lái)越多，特別是針對(duì)國(guó)內(nèi)一些富營(yíng)養(yǎng)化問題嚴(yán)重大型湖泊，比如劉玉生在1991 年建立最早的滇池生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[5]、太湖流域藻類生長(zhǎng)綜合數(shù)學(xué)模擬[6]、基于Ecopath 模型建立的巢湖生態(tài)系統(tǒng)模型[7]、武漢東湖三維水質(zhì)和水動(dòng)力數(shù)值模擬[8]。對(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模擬進(jìn)行綜合分析，具有代表性的研究有：

楊具瑞等根據(jù)對(duì)滇池的實(shí)測(cè)水質(zhì)和邊界數(shù)據(jù)資料對(duì)其富營(yíng)養(yǎng)化情況建立了Chl-a、透明度、藻量生物量和TN、TP 之間的相互關(guān)系，搭建了垂向平均化的水動(dòng)力-水質(zhì)模型，對(duì)滇池的上述五個(gè)指標(biāo)的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算[9]；李一平等利用EFDC 模型對(duì)太湖采用拉丁超立方（LHS）取樣的方法研究了風(fēng)拖曳、粗糙度、渦粘系數(shù)、紊流擴(kuò)散系數(shù)及風(fēng)遮擋系數(shù)對(duì)湖泊流場(chǎng)的影響模擬，發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)和床面粗糙度是主要影響參數(shù)[10]；謝彪以武漢大東湖生態(tài)水網(wǎng)的構(gòu)建為研究對(duì)象，首先使用MIKE21FM 軟件構(gòu)建東湖的水動(dòng)力模型，并針對(duì)東湖的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)利用MIKE ECO Lab的水質(zhì)模塊編寫使用的水質(zhì)模型，搭建東湖水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，對(duì)大東湖生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的幾種工程措施進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析其對(duì)水環(huán)境的影響[11]；計(jì)勇以紊動(dòng)擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，在對(duì)流擴(kuò)散方程中引入了底泥污染項(xiàng)參數(shù)，構(gòu)建考慮了底泥污染影響的垂向水平三維水質(zhì)模型，并結(jié)合玄武湖底泥營(yíng)養(yǎng)物釋放數(shù)據(jù)建立底泥污染物釋放通量方程，耦合為水動(dòng)力-水質(zhì)-底泥水生態(tài)模型，對(duì)玄武湖的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了較為精準(zhǔn)的模擬[12]；劉曉臣等使用生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型DELFT-3D對(duì)興凱湖的入湖污染物負(fù)荷和富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)校正模型確立了適用于興凱湖的水環(huán)境特征參數(shù)，并較好的模擬了水體的水質(zhì)演變情況和藻類濃度的動(dòng)態(tài)變化，為興凱湖可能發(fā)生的藻類水花提供了預(yù)警[13]；姜毅等針對(duì)人工景觀湖泊比較封閉的情況，基于WASP 富營(yíng)養(yǎng)模型對(duì)西安芙蓉湖進(jìn)行了水生態(tài)模擬研究，考慮了氨氮、硝態(tài)氮、無(wú)機(jī)磷、浮游植物、BOD、溶解氧、有機(jī)氮和有機(jī)磷等8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，系統(tǒng)的分析了浮游植物生長(zhǎng)系統(tǒng)、氮循環(huán)、磷循環(huán)和溶解氧平衡，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比擬合度較高[14]；陳彥熹針對(duì)有非常規(guī)水體作為主要補(bǔ)水來(lái)源的城市景觀水體進(jìn)行了水環(huán)境數(shù)值模擬研究，利用CFD 模型FLUENT對(duì)湖泊的水動(dòng)力進(jìn)行分析，并結(jié)合湖泊的氣象資料和外源污染負(fù)荷分析利用水生態(tài)模型AQUATOX 進(jìn)行水質(zhì)和水生態(tài)數(shù)值模擬，分析了水體的流動(dòng)摻混、營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)、顆粒物及附浮游生物的食物網(wǎng)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了分析[15]。陳無(wú)歧等利用AQUATOX 模型對(duì)洱海的富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇及藍(lán)藻爆發(fā)等問題進(jìn)行了模擬研究，模擬報(bào)道了營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入對(duì)洱海富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果顯示藻類對(duì)N、P的輸入都比較敏感[16]。

總的來(lái)說，國(guó)內(nèi)對(duì)于水環(huán)境模型的研究多是針對(duì)大型的湖泊或水庫(kù)，針對(duì)城市景觀水體的研究仍不多，且多為借鑒和引用已經(jīng)成熟的國(guó)外商用模型為主。