分層異重流背景下香溪河庫(kù)灣水質(zhì)模型的建立與應(yīng)用.pdf

1、三峽水庫(kù)蓄水后,香溪河庫(kù)灣每年暴發(fā)不同情勢(shì)的水華現(xiàn)象,對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)不利影響。水華暴發(fā)過(guò)程中,水體中豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。水體營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源主要包括點(diǎn)源、面源及內(nèi)源。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),由于水庫(kù)干流與香溪河庫(kù)灣、庫(kù)灣與上游來(lái)水之間存在密度差異,從而形成倒灌異重流,對(duì)庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽、葉綠素a濃度和分布產(chǎn)生重要影響。本論文以香溪河為研究對(duì)象,利用立面二維水流水質(zhì)模型CE-QUAL-W2建立香溪河庫(kù)灣水質(zhì)模型,采用差分演化算法對(duì)水質(zhì)

2、模型進(jìn)行自動(dòng)率定,并探討不同分層異重流背景下香溪河庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽輸移分布規(guī)律和通量以及水華情勢(shì),得出的主要結(jié)果與結(jié)論如下:
　　1、基于差分演化算法的水質(zhì)模型自動(dòng)率定:
　　對(duì)2010年春季香溪河庫(kù)灣水溫、TP、TN、NO3-N和Chl-a率定的AME分別為0.1458、0.0351、0.1511、0.0863、10.711,RMS分別為0.1757、0.0425、0.1831、0.1138、12.633;對(duì)2010年夏秋季香溪

3、河庫(kù)灣水溫、TP、TN、NO3-N和 Chl-a進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),其平均誤差分別為0.53℃、0.017mg/L、0.15mg/L、0.11mg/L、5.163mg/m3,W2模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好?；诓罘盅莼惴ǖ乃|(zhì)自動(dòng)率定精度較高,不僅可以節(jié)省大量時(shí)間,而且可以避免在模型率定過(guò)程中因模型使用者主觀因素而產(chǎn)生的誤差。
　　2、通過(guò) CE-QUAL-W2模擬,分析不同分層異重流背景下香溪河庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽的輸移規(guī)律和通量:

4、>　　(1)營(yíng)養(yǎng)鹽輸移規(guī)律
　　當(dāng)發(fā)生表層倒灌異重流時(shí),干流倒灌補(bǔ)給營(yíng)養(yǎng)鹽隨表層倒灌異重流進(jìn)入庫(kù)灣,隨著異重流的不斷發(fā)展,輸移至整個(gè)庫(kù)灣,對(duì)庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽造成影響。當(dāng)異重流發(fā)展至穩(wěn)定階段時(shí),庫(kù)灣TN濃度整體增大,而TP濃度整體降低;干支流溫差越大,表層倒灌異重流補(bǔ)給的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)庫(kù)灣水體的影響范圍越大。
　　當(dāng)發(fā)生中層倒灌異重流時(shí),干流補(bǔ)給營(yíng)養(yǎng)鹽隨中層倒灌異重流進(jìn)入庫(kù)灣,隨著異重流的不斷發(fā)展,輸移至整個(gè)庫(kù)灣,對(duì)庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽造成影響,干

5、流水體對(duì)庫(kù)灣中下游的影響程度明顯大于中上游;干流水體與庫(kù)灣表層水體的溫度差越小,中層倒灌異重流補(bǔ)給的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)庫(kù)灣的影響范圍越大。
　　當(dāng)發(fā)生底層倒灌異重流時(shí),底層倒灌異重流補(bǔ)給的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)庫(kù)灣水體的影響范圍小于表層和中層倒灌異重流,主要影響區(qū)域?yàn)楹涌谥翈?kù)灣中游河段;干支流溫差越大,底層倒灌異重流補(bǔ)給的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)庫(kù)灣水體的影響范圍越大。
　　(2)營(yíng)養(yǎng)鹽通量
　　當(dāng)發(fā)生表層倒灌異重流時(shí),干支流溫差越大,干流對(duì)支流營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的

6、凈瞬時(shí)通量越大,隨著異重流發(fā)展,凈瞬時(shí)通量隨之減小。
　　當(dāng)發(fā)生中層倒灌異重流時(shí),在工況運(yùn)行的初期,干流溫度與表層溫差相差越小,干流對(duì)支流輸入的TN、TP凈瞬時(shí)通量越大;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),干流對(duì)支流輸入的凈瞬時(shí)通量隨著干流與支流表層溫差的增大而增大。
　　當(dāng)發(fā)生底層倒灌異重流時(shí),干支流溫差越大,底層倒灌異重流補(bǔ)給的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)庫(kù)灣水體的影響范圍越大,TN和 TP的凈瞬時(shí)通量越大,其凈瞬時(shí)通量均隨著異重流的發(fā)展而減小。
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7、、通過(guò) CE-QUAL-W2模擬,分析了不同分層異重流背景下香溪河庫(kù)灣水華情勢(shì):
　　表層倒灌異重流發(fā)生時(shí),香溪河庫(kù)灣的水溫結(jié)構(gòu)易被破壞,中上層水溫趨于均勻分布,水體混合層深度增大,水體穩(wěn)定性減弱,水體垂向摻混加劇,表層藻類(lèi)易被帶入下層水體,表層水體Chl-a濃度降低;上游來(lái)流量增大時(shí),庫(kù)灣中下游表層Chl-a濃度變化不大,庫(kù)灣上游Chl-a濃度顯著降低;適當(dāng)泄水可以顯著的抑制庫(kù)灣上游的水華情勢(shì),而蓄水可以降低整個(gè)庫(kù)灣的Chl-a

8、濃度;先泄水后蓄水可以抑制庫(kù)灣水華,蓄泄幅度越大庫(kù)灣Chl-a濃度越低。
　　中層倒灌異重流發(fā)生時(shí),XX00-XX05區(qū)域表層流速增大,浮游植物隨水流輸運(yùn)出庫(kù)灣,表層水體 Chl-a濃度降低;XX06-XX08區(qū)域受異重流影響,形成階梯狀水溫分布形式,水體穩(wěn)定系數(shù)增大,藻類(lèi)迅速繁殖,表層水體Chl-a濃度增大;上游來(lái)流量改變對(duì)庫(kù)灣下游表層 Chl-a濃度影響較小,中上游表層 Chl-a濃度隨著上游來(lái)流量的增大而減小;適當(dāng)增大三峽水

9、庫(kù)的蓄水幅度可以更好的抑制庫(kù)灣的水華情勢(shì);先泄水后蓄水可以抑制庫(kù)灣水華,蓄泄幅度越大庫(kù)灣 Chl-a濃度越低。
　　底層倒灌異重流發(fā)生時(shí),香溪河庫(kù)灣Chl-a濃度整體偏低,水庫(kù)干流水體由底層潛入庫(kù)灣,庫(kù)灣水體由表層流出庫(kù)灣,浮游植物隨水流輸運(yùn)出庫(kù)灣,進(jìn)一步降低庫(kù)灣表層Chl-a的濃度;上游來(lái)流量增大時(shí),庫(kù)灣Chl-a濃度顯著降低,當(dāng)上游來(lái)流量進(jìn)一步增大時(shí),庫(kù)灣Chl-a濃度變化較小;蓄、泄水均可以降低香溪河庫(kù)灣Chl-a的濃度,隨