城市景观湖泊水环境数值模拟研究进展

胡思骙 张诗军 任晨媛 王庆国* 梁 英

1.四川大学建筑与环境学院

2.成都市湿地保护中心

3.成都大熊猫繁育研究基地

数学模型的发展从上世纪60年代开始已经有众多学者开展了相关的研究，从开始的单层、单室、单成分和零维的简单模型到70年代后期的多层、多室、多成分和三维的复杂生态模型用来揭示湖泊水体生态系统的动力学演变，并逐步开始应用在河湖水库的污染管理和水生态恢复治理等水环境管理方面。根据对不同水生态模型建立框架和思路的不同，可将模型分为简单水质回归模型、单一营养盐负荷平衡模型、生态动力学模型和复杂水质-生态-水动力耦合模型四类[1]。

加拿大学者Vollenweider 在1968 年首次提出简单的总磷输入输出平衡模型，开始了营养盐平衡模型的发展，该数学模型假定湖库中的TP 浓度随时间的变化值是单位体积水体内输入的磷与从湖库中输出的磷及沉淀到沉积物中的磷之间的差值。之后Laesen、Mercier 和Dillon 等学者在后续的研究中对Vollenweider模型进行了相关改进和修正，考虑湖泊上下分层和输入输出及沉积物之间磷的交换，应用不同形态磷的微分方程将营养盐浓度与生物量描述为随时间和水深变化的连续函数。近年来，营养盐平衡的水质模型已经从一维发展为三维，从单个线性方程到多个线性系统方程和初步的相互作用非线性系统模型[2]。水质模型在应用到湖泊水体时需要的较少且简单的基础数据，因此在预测湖泊水体的水质演变是具有较高的灵活度和适用性。Dahl 等利用水质模型对瑞典Vnern 湖的磷和悬浮颗粒物的相互关系进行模拟，通过对目标水体进行分区提高了模型的准确率[3]。Arhonditsis 等针对华盛顿湖开发了富营养化模型，对于包括磷酸盐、总磷、总氮和溶解氧的大部分水质参数都能单一进行平衡模拟，且模型预测值的相对误差低于20%[4]。然而目前的营养盐平衡水质模型并未彻底认清污染物在湖泊水体中的迁移转化规律，使模拟的数值与实际水质偏差较大。为提高水生态模型对不同类型湖泊水体的适用性，逐步开发出一批用于湖泊水库水生态系统演变规律的承受商用水生态模型，比如MIKE系列模型、EFDC 模型、WASP 模型、AQUATOX 模型和QUAL2K模型。

近年来，国内外对于富营养化水体进行的数模研究也越来越多，特别是针对国内一些富营养化问题严重大型湖泊，比如刘玉生在1991 年建立最早的滇池生态系统动力学模型[5]、太湖流域藻类生长综合数学模拟[6]、基于Ecopath 模型建立的巢湖生态系统模型[7]、武汉东湖三维水质和水动力数值模拟[8]。对目前国内对湖泊生态系统数值模拟进行综合分析，具有代表性的研究有：

杨具瑞等根据对滇池的实测水质和边界数据资料对其富营养化情况建立了Chl-a、透明度、藻量生物量和TN、TP 之间的相互关系，搭建了垂向平均化的水动力-水质模型，对滇池的上述五个指标的分布进行了数值模拟计算[9]；李一平等利用EFDC 模型对太湖采用拉丁超立方（LHS）取样的方法研究了风拖曳、粗糙度、涡粘系数、紊流扩散系数及风遮挡系数对湖泊流场的影响模拟，发现风场和床面粗糙度是主要影响参数[10]；谢彪以武汉大东湖生态水网的构建为研究对象，首先使用MIKE21FM 软件构建东湖的水动力模型，并针对东湖的实测水质数据利用MIKE ECO Lab的水质模块编写使用的水质模型，搭建东湖水动力-水质耦合模型，对大东湖生态系统构建的几种工程措施进行了数值模拟，分析其对水环境的影响[11]；计勇以紊动扩散理论为基础，在对流扩散方程中引入了底泥污染项参数，构建考虑了底泥污染影响的垂向水平三维水质模型，并结合玄武湖底泥营养物释放数据建立底泥污染物释放通量方程，耦合为水动力-水质-底泥水生态模型，对玄武湖的流场和浓度场进行了较为精准的模拟[12]；刘晓臣等使用生态动力学模型DELFT-3D对兴凯湖的入湖污染物负荷和富营养化状况进行了数值模拟，根据实测的基础数据校正模型确立了适用于兴凯湖的水环境特征参数，并较好的模拟了水体的水质演变情况和藻类浓度的动态变化，为兴凯湖可能发生的藻类水花提供了预警[13]；姜毅等针对人工景观湖泊比较封闭的情况，基于WASP 富营养模型对西安芙蓉湖进行了水生态模拟研究，考虑了氨氮、硝态氮、无机磷、浮游植物、BOD、溶解氧、有机氮和有机磷等8个水质指标，系统的分析了浮游植物生长系统、氮循环、磷循环和溶解氧平衡，与实测数据对比拟合度较高[14]；陈彦熹针对有非常规水体作为主要补水来源的城市景观水体进行了水环境数值模拟研究，利用CFD 模型FLUENT对湖泊的水动力进行分析，并结合湖泊的气象资料和外源污染负荷分析利用水生态模型AQUATOX 进行水质和水生态数值模拟，分析了水体的流动掺混、营养盐循环、颗粒物及附浮游生物的食物网之间的相互关系进行了分析[15]。陈无歧等利用AQUATOX 模型对洱海的富营养化程度加剧及蓝藻爆发等问题进行了模拟研究，模拟报道了营养盐的输入对洱海富营养化状态的响应关系，结果显示藻类对N、P的输入都比较敏感[16]。

总的来说，国内对于水环境模型的研究多是针对大型的湖泊或水库，针对城市景观水体的研究仍不多，且多为借鉴和引用已经成熟的国外商用模型为主。