Falls Lake水庫水質的數值模擬研究及分析.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。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。當地政府對水庫的治理頗見成效,水質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經常會出現超標現象。為了防止可能出現的水體富營養(yǎng)化問題,更加有效地保護水庫的水質,確保當地飲用水的質量,有必要對水庫目前的水質狀況以及演變趨勢進行深入研究,以便全面了解水庫內是否存在富營養(yǎng)化問題。如

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

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

4、較差,產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,上游的水質明顯較下游差,夏、秋兩季的Chl-a超標嚴重。近幾年對水庫污染的有效控制,Falls Lake水庫內的水質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重的富營養(yǎng)化問題。
　　2)統計結果顯示,觀測資料中無機N與無機P的比值與Redfield Ratio非常接近,所以與湖泊、水庫中經常出現的單一P限制所不同,N、P在特定的時間、特定的區(qū)域都可能

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

6、營養(yǎng)鹽的比例表現為N限制,由于污染物在水庫內的滯留時間比較長,所以徑流輸入主要影響上游的水質狀況;下游營養(yǎng)鹽主要來源于底部溶出對水體的補充,并呈現P限制。光照對初級生產的影響也比較明顯,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狀況的變化趨勢產生重要的影響。春末至秋初這段時間,溫躍層的存在使得底部溶出的營養(yǎng)鹽在底層堆積;當溫躍層消失后強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)時間較長的水體交換對改善水庫內的水質狀況有促進作用;但當大規(guī)模的水體交換在短時間內發(fā)生時,使得水庫內營養(yǎng)鹽充分混合,此時不僅起不到改善水質的作用,甚至還會導致水質的進一步惡化。
　　4)利用示蹤模型對物質輸運過程的試驗研究表明,平均年齡、滯留時間和周轉時間基本上都與水庫內水體交換量呈反比關系,特別是后兩者。利用水體交換量計算平均年齡時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、加速物質在水庫內的輸運過程。研究得到平均年齡的半經驗計算公式:∫τDis(τ)/Vol(τ)dτ=c,在根據水庫的特點確定常數c之后,依據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的輸運過程。
　　5)水庫內沉積物的再懸浮主要受到風浪產生的底部剪切力的影響。懸浮顆粒物對初級生產的影響較小,模型對兩者關系診斷分析的結果為:懸浮顆粒物對初級生產主要表現為抑制作用;但當水體中營養(yǎng)鹽濃度較低,且存在大規(guī)模水體置換的時段,沉積物通過