湖泊水動力模型研究進展

何智偉

摘 要：通過對文獻的閱讀，論文論述了國內外湖泊流域一維二維水動力應用研究的相關進展，并提出了其發展趨勢的一些展望，湖泊水動力學研究應該結合計算機科學技術，對水體運動過程進行精細而全面的模擬，建立全面、系統、適用性更強的數值模型。

關鍵詞：湖泊水動力;發展趨勢;數值模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.183

1 前言

湖泊作為一個相對完整的生態系統[1，2]，承接著上游河流的來水、流域產生的廢物，眾所周知，在我國廣大的地域中，大大小小的湖泊數量眾多，其類型，涵蓋各種各樣，分布各個地方，在《中國湖泊志》有記載的湖泊，九十年代的湖泊面積為90000多平方千米，其中大于1平方千米的湖泊2700多個，但是這個數字在2010年有所下降，面積超過8萬平方公里。因此，我國湖泊數量和面積呈現出下降的趨勢，與此同時湖泊面臨的水質問題更加嚴重。就鄱陽湖而言面臨著水土流失、水質污染、土壤退化等眾多問題。

在對湖泊水質、水動力污染等問題研究中，大部分研究采用原位觀測等方法進行觀測，耗時耗力，且實據受預算、氣候、地域、技術等的影響，存在許多不確定因素，很難有說服力，目前3S技術的發展給水土流失，水質污染研究帶來了很多方便之處，但受天氣的影響，時間上的數據連續性較差，在實物物理模型模擬方面，受經費、比尺效應影響對實驗數據的波動較大，不具有很好地說服力，在上世紀，隨著計算機技術和計算機科學的發展，對水體運動過程進行精細、全面的模擬成為可能，又因為經費少，精度高等特點，越來越受到學者的青睞。計算機科學的興起，對傳統實驗帶來了翻天覆地的變化，水動力、水質模型運用也越來越成熟。

2 湖泊水動力水質數值模擬研究

水質數值模型是指污染物在水環境中的化學、物理和生物相互作用的數學描述以及各因素之間的相互作用關系，水質數值模型是對污染物在水環境中的化學、物理和生物相互作用的數學描述，是定量的描述水中污染物之間遷移轉化的數學方程式。水質數值模擬方程的運用，可以定量的模擬水中各物質的分布情況，從而進行水資源的規劃與管理及預測。隨著水質模型的發展，不同發展階段的人們有不同的分類方法。李繼選等（2006）把水質數學模型的研究按時間劃分為三個階段。第一階段（1925-1980）這一階段的研究主體為水體水質，比較關注水質內部成分之間的關系，主要研究受生活污染及工業污染的湖泊河流系統，其中發展歷程為（1925-1965）開發了比較簡單的生物化學需氧量和溶解氧（BOD-DO）平衡的方程，之后的研究中不斷對簡單氧平衡提出了修正與補充，在（1960-1975）計算機的運用對水質模型產生了深遠影響，并開始計算二維湖泊海灣等水質問題，（1970-1975）非線性系統模型的研究與發展，對該海域的氮磷循環系統、浮游植物系統和浮游動物系統進行了研究，使用了有限元等方法計算，空間維度一二維結合計算，（1975-1980）涉及到多種系統的相互作用效果，空間尺度發展到三維;第二階段（1980-1995）在這一階段中模型模擬水質組成成分數量的增加，底泥的作用納入模型模擬中，模型的初始輸入值為非點源污染.;第三階段（1995-至今）在第三階段（1995年至今），通過控制反源污染，減少了模型中的非點源污染，但同時大氣污染物增加，伴隨著雨水進入到流域中，從而進入水體。葉常明認為水質模型經歷了三個階段：簡單氧平衡模型階段;形態模型階段和多媒體環境綜合生態模型階段。

3 湖泊流域系統水文水動力聯合模擬研究

近年來，河流流域水文模型和湖泊水動力學模型得到了迅速發展和成功應用。水文模型是利用已有的降雨徑流數據建立數學關系，然后利用新的輸入來推導輸出。它主要用于盆地過程模擬。水動力模型主要用于河流或大型水體的二維或三維水動力模擬。然而，流域水文模型往往不具備湖泊水動力模擬的能力。相反，水動力模型通常不考慮流域水文變化的過程。只有單側流域水文或水動力模擬不能準確描述流域與湖泊之間的復雜響應關系。因此，有必要結合水文和水動力學模型來研究湖盆系統。

湖泊流域聯合模擬研究主要可分為外部耦合，內部耦合和全耦合技術。

3.1 外部耦合

流域水文模型的徑流輸出作為湖泊水動力模型的輸入條件（邊界條件）。該聯合模型能夠再現時空變化及其復雜的流場變化特征。例如，中國學者李云良利用流域分布式水文模型WATLAC、湖泊平原徑流模型和水動力模型Mike21三種不同的子模型來實現對這一復雜系統的模擬。模型的組合使用輸入輸出驅動器和子模型來順序執行該過程。以五個子流域和平原湖泊徑流為輸入條件，驅動湖泊水動力模型，模擬湖泊水位對流域徑流的響應。該聯合模型能夠再現時空變化及其復雜的流場變化特征。

3.2 內部耦合

內部耦合是指模型之間邊界條件、內部數據和參數信息的共享。模型獨立求解，在迭代過程中不斷更新和替換模型的共享信息。它主要用于流域水文過程和河流徑流過程的聯合模擬研究，主要是因為這些相對獨立的模型構件之間存在著密切的水力關系。實際應用較少。

3.3 全耦合技術

完全耦合技術是指模型控制方程的同時解或整體解，從理論上講，它是最可靠的模擬方法，但它涉及的變量較多，變量之間的關系難以建立，數值求解也比較困難。這些因素使得全耦合技術在大多聯合模型中難以實現。

4 總結

隨著當前經濟的發展，湖泊的環境問題日益嚴重，相應的數值模擬方法也變得越來越復雜，為了是數值模擬的結果更切合實際，就必須要求數值模型的初始條件，邊界條件，地形，溫度等一些參數的處理更符合實際。所以我們必須建立一個更全面，更系統，更加適用的數值模型來研究湖泊水動力特征，湖泊水動力學與大氣動力學、現代沉積學和生態環境動力學的結合將推動我國湖泊研究和數值模擬方法的進一步發展。

參考文獻：

[1]賀彬，陳異暉，李躍青.高原湖泊環境與生態系統綜合研究框架設計[J].環境科學導刊，2004，23（03）：16-8.

[2]楊文龍，王文義.湖泊生態系統的結構與功能——湖泊恢復與管理基礎淺析[J].環境科學導刊，1997（03）：33+6.