城市景觀湖泊水環境數值模擬研究進展

胡思骙 張詩軍 任晨媛 王慶國* 梁 英

1.四川大學建筑與環境學院

2.成都市濕地保護中心

3.成都大熊貓繁育研究基地

數學模型的發展從上世紀60年代開始已經有眾多學者開展了相關的研究，從開始的單層、單室、單成分和零維的簡單模型到70年代后期的多層、多室、多成分和三維的復雜生態模型用來揭示湖泊水體生態系統的動力學演變，并逐步開始應用在河湖水庫的污染管理和水生態恢復治理等水環境管理方面。根據對不同水生態模型建立框架和思路的不同，可將模型分為簡單水質回歸模型、單一營養鹽負荷平衡模型、生態動力學模型和復雜水質-生態-水動力耦合模型四類[1]。

加拿大學者Vollenweider 在1968 年首次提出簡單的總磷輸入輸出平衡模型，開始了營養鹽平衡模型的發展，該數學模型假定湖庫中的TP 濃度隨時間的變化值是單位體積水體內輸入的磷與從湖庫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 等學者在后續的研究中對Vollenweider模型進行了相關改進和修正，考慮湖泊上下分層和輸入輸出及沉積物之間磷的交換，應用不同形態磷的微分方程將營養鹽濃度與生物量描述為隨時間和水深變化的連續函數。近年來，營養鹽平衡的水質模型已經從一維發展為三維，從單個線性方程到多個線性系統方程和初步的相互作用非線性系統模型[2]。水質模型在應用到湖泊水體時需要的較少且簡單的基礎數據，因此在預測湖泊水體的水質演變是具有較高的靈活度和適用性。Dahl 等利用水質模型對瑞典Vnern 湖的磷和懸浮顆粒物的相互關系進行模擬，通過對目標水體進行分區提高了模型的準確率[3]。Arhonditsis 等針對華盛頓湖開發了富營養化模型，對于包括磷酸鹽、總磷、總氮和溶解氧的大部分水質參數都能單一進行平衡模擬，且模型預測值的相對誤差低于20%[4]。然而目前的營養鹽平衡水質模型并未徹底認清污染物在湖泊水體中的遷移轉化規律，使模擬的數值與實際水質偏差較大。為提高水生態模型對不同類型湖泊水體的適用性，逐步開發出一批用于湖泊水庫水生態系統演變規律的承受商用水生態模型，比如MIKE系列模型、EFDC 模型、WASP 模型、AQUATOX 模型和QUAL2K模型。

近年來，國內外對于富營養化水體進行的數模研究也越來越多，特別是針對國內一些富營養化問題嚴重大型湖泊，比如劉玉生在1991 年建立最早的滇池生態系統動力學模型[5]、太湖流域藻類生長綜合數學模擬[6]、基于Ecopath 模型建立的巢湖生態系統模型[7]、武漢東湖三維水質和水動力數值模擬[8]。對目前國內對湖泊生態系統數值模擬進行綜合分析，具有代表性的研究有：

楊具瑞等根據對滇池的實測水質和邊界數據資料對其富營養化情況建立了Chl-a、透明度、藻量生物量和TN、TP 之間的相互關系，搭建了垂向平均化的水動力-水質模型，對滇池的上述五個指標的分布進行了數值模擬計算[9]；李一平等利用EFDC 模型對太湖采用拉丁超立方（LHS）取樣的方法研究了風拖曳、粗糙度、渦粘系數、紊流擴散系數及風遮擋系數對湖泊流場的影響模擬，發現風場和床面粗糙度是主要影響參數[10]；謝彪以武漢大東湖生態水網的構建為研究對象，首先使用MIKE21FM 軟件構建東湖的水動力模型，并針對東湖的實測水質數據利用MIKE ECO Lab的水質模塊編寫使用的水質模型，搭建東湖水動力-水質耦合模型，對大東湖生態系統構建的幾種工程措施進行了數值模擬，分析其對水環境的影響[11]；計勇以紊動擴散理論為基礎，在對流擴散方程中引入了底泥污染項參數，構建考慮了底泥污染影響的垂向水平三維水質模型，并結合玄武湖底泥營養物釋放數據建立底泥污染物釋放通量方程，耦合為水動力-水質-底泥水生態模型，對玄武湖的流場和濃度場進行了較為精準的模擬[12]；劉曉臣等使用生態動力學模型DELFT-3D對興凱湖的入湖污染物負荷和富營養化狀況進行了數值模擬，根據實測的基礎數據校正模型確立了適用于興凱湖的水環境特征參數，并較好的模擬了水體的水質演變情況和藻類濃度的動態變化，為興凱湖可能發生的藻類水花提供了預警[13]；姜毅等針對人工景觀湖泊比較封閉的情況，基于WASP 富營養模型對西安芙蓉湖進行了水生態模擬研究，考慮了氨氮、硝態氮、無機磷、浮游植物、BOD、溶解氧、有機氮和有機磷等8個水質指標，系統的分析了浮游植物生長系統、氮循環、磷循環和溶解氧平衡，與實測數據對比擬合度較高[14]；陳彥熹針對有非常規水體作為主要補水來源的城市景觀水體進行了水環境數值模擬研究，利用CFD 模型FLUENT對湖泊的水動力進行分析，并結合湖泊的氣象資料和外源污染負荷分析利用水生態模型AQUATOX 進行水質和水生態數值模擬，分析了水體的流動摻混、營養鹽循環、顆粒物及附浮游生物的食物網之間的相互關系進行了分析[15]。陳無歧等利用AQUATOX 模型對洱海的富營養化程度加劇及藍藻爆發等問題進行了模擬研究，模擬報道了營養鹽的輸入對洱海富營養化狀態的響應關系，結果顯示藻類對N、P的輸入都比較敏感[16]。

總的來說，國內對于水環境模型的研究多是針對大型的湖泊或水庫，針對城市景觀水體的研究仍不多，且多為借鑒和引用已經成熟的國外商用模型為主。