Falls Lake水庫水質(zhì)的數(shù)值模擬研究及分析.pdf

1、作為一種重要的水體形式,水庫與人類的日常用水密切相關(guān)。Falls Lake水庫位于美國北卡羅來納州,為北卡州府羅利及其周邊地區(qū)提供生活用水。當(dāng)?shù)卣畬λ畮斓闹卫眍H見成效,水質(zhì)狀況較歷史水平已有明顯改善。但近幾年的觀測資料顯示:水庫中Chl-a經(jīng)常會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。為了防止可能出現(xiàn)的水體富營養(yǎng)化問題,更加有效地保護(hù)水庫的水質(zhì),確保當(dāng)?shù)仫嬘盟馁|(zhì)量,有必要對水庫目前的水質(zhì)狀況以及演變趨勢進(jìn)行深入研究,以便全面了解水庫內(nèi)是否存在富營養(yǎng)化問題。如

2、果已經(jīng)存在,那么將就富營養(yǎng)化問題對水庫水質(zhì)在時(shí)間和空間上產(chǎn)生的影響深度及廣度進(jìn)行研究分析,揭示各要素的對水質(zhì)狀況的影響機(jī)制,為管理方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。本文以水庫及其周邊地區(qū)的水文、水質(zhì)及氣象觀測資料為基礎(chǔ),對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析,并利用一個三維富營養(yǎng)化-水動力數(shù)值模型HEM-3D,對2005、2006、2007年水庫內(nèi)的水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬研究。力求從生態(tài)動力學(xué)角度揭示水庫內(nèi)能流、物流的循環(huán)特點(diǎn)。本文研究著重從以下幾方面進(jìn)行分析:

3、r>　　1)水庫水質(zhì)在干、濕年份表現(xiàn)出來的特點(diǎn)和差異,以及形成這些特點(diǎn)和差異的根本原因;
　　2)存在于下游深水區(qū)的季節(jié)性溫躍層對水質(zhì)狀況的影響;
　　3)懸浮顆粒物對水質(zhì)狀況的影響;
　　4)點(diǎn)源污染和面源污染對水質(zhì)的影響;
　　5)營養(yǎng)鹽在水庫內(nèi)的輸運(yùn)過程以及水質(zhì)要素與之的響應(yīng)關(guān)系;
　　6)各因子對水質(zhì)狀況的影響機(jī)制。
　　通過對涉及25年的歷史資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):
　　1)千年份的水質(zhì)狀況

4、較差,產(chǎn)生原因主要由于水位較低,營養(yǎng)鹽在水體中的濃度較高;就區(qū)域而言,上游的水質(zhì)明顯較下游差,夏、秋兩季的Chl-a超標(biāo)嚴(yán)重。近幾年對水庫污染的有效控制,Falls Lake水庫內(nèi)的水質(zhì)狀況有了明顯的改善,但夏、秋兩季水庫的上游仍存在較為嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題。
　　2)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,觀測資料中無機(jī)N與無機(jī)P的比值與Redfield Ratio非常接近,所以與湖泊、水庫中經(jīng)常出現(xiàn)的單一P限制所不同,N、P在特定的時(shí)間、特定的區(qū)域都可能

5、限制水體中的初級生產(chǎn)觀測資料存在時(shí)間和空間上的局限性,因此有必要運(yùn)用數(shù)值模型對FallsLake水庫的水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬研究。不僅可以彌補(bǔ)觀測的缺失,使得我們對水庫的富營養(yǎng)化狀況有更為全面的認(rèn)識,并且有助于對某些相關(guān)科學(xué)問題的理解和分析,從本質(zhì)上揭示水庫內(nèi)能量、物質(zhì)的循環(huán)過程。
　　研究結(jié)果表明:
　　1)通過徑流輸入和底部溶出兩種不同形式進(jìn)入水體的營養(yǎng)鹽對水庫水質(zhì)的影響區(qū)域和表現(xiàn)形式有本質(zhì)的差別:徑流輸入主要源于上游,水體中

6、營養(yǎng)鹽的比例表現(xiàn)為N限制,由于污染物在水庫內(nèi)的滯留時(shí)間比較長,所以徑流輸入主要影響上游的水質(zhì)狀況;下游營養(yǎng)鹽主要來源于底部溶出對水體的補(bǔ)充,并呈現(xiàn)P限制。光照對初級生產(chǎn)的影響也比較明顯,特別是在下游深水區(qū)。
　　2)季節(jié)性溫躍層主要存在于深水區(qū),它的存在和消失對于下游水質(zhì)狀況的變化趨勢產(chǎn)生重要的影響。春末至秋初這段時(shí)間,溫躍層的存在使得底部溶出的營養(yǎng)鹽在底層堆積;當(dāng)溫躍層消失后強(qiáng)烈的垂向混合將這些營養(yǎng)鹽輸送到上層水體,滿足了秋末及

7、次年春季“水華”的需求。
　　3)持續(xù)時(shí)間較長的水體交換對改善水庫內(nèi)的水質(zhì)狀況有促進(jìn)作用;但當(dāng)大規(guī)模的水體交換在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生時(shí),使得水庫內(nèi)營養(yǎng)鹽充分混合,此時(shí)不僅起不到改善水質(zhì)的作用,甚至還會導(dǎo)致水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。
　　4)利用示蹤模型對物質(zhì)輸運(yùn)過程的試驗(yàn)研究表明,平均年齡、滯留時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間基本上都與水庫內(nèi)水體交換量呈反比關(guān)系,特別是后兩者。利用水體交換量計(jì)算平均年齡時(shí)需要考慮儲水量的影響,同等水交換條件下,較少的儲水量會

8、加速物質(zhì)在水庫內(nèi)的輸運(yùn)過程。研究得到平均年齡的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:∫τDis(τ)/Vol(τ)dτ=c,在根據(jù)水庫的特點(diǎn)確定常數(shù)c之后,依據(jù)徑流量和水庫儲水量可以簡單有效地分析污染物在水庫內(nèi)的輸運(yùn)過程。
　　5)水庫內(nèi)沉積物的再懸浮主要受到風(fēng)浪產(chǎn)生的底部剪切力的影響。懸浮顆粒物對初級生產(chǎn)的影響較小,模型對兩者關(guān)系診斷分析的結(jié)果為:懸浮顆粒物對初級生產(chǎn)主要表現(xiàn)為抑制作用;但當(dāng)水體中營養(yǎng)鹽濃度較低,且存在大規(guī)模水體置換的時(shí)段,沉積物通過