大型浅水湖泊三维水环境数值模拟及关键参数研究
基于数值模拟的湖库型景观水体生态设计方法研究——以MIKE 21模型在大官塘水库规划方案中的应用为例
基于数值模拟的湖库型景观水体生态设计方法研究——以MIKE 21模型在大官塘水库规划方案中的应用为例周燕;冉玲于;苟翡翠;余洋【摘要】以大官塘水库为例,应用MIKE 21水环境模拟软件,建立水体二维水动力和水质模型,模拟库区水流及水质条件,将数值分析结果转译为水环境景观设计的科学基础,提出强化库区水动力、提升水质的水域空间设计总体策略,并对规划方案进行定量评估.研究发现,通过调整水域空间形态、布设水工设施,可有效提升整体水动力水平;通过合理配置挺水、浮水和沉水植物,构建高效植物生态系统,可有效提升湖区水质,降低大官塘水库局部区域水质恶化的风险,从而实现水生态环境质量改善和景观效果提升的耦合统一.此次研究探索了水动力、水质数值模拟指导下集咸水景观空间规划与水生态修复技术的湖库型水体景观综合生态规划方法,可为今后类似的项目实践提供建设思路与经验参考.%This study took the Daguantang Reservoir as an example,two-dimensional hydrodynamic and water quality models were established by using MIKE 21 water environment simulation software to simulate the water flow and water quality conditions in the reservoir area.The numerical analysis results will be translated into the scientific basis of water environment landscape design,the overall strategy of water space design for strengthening the hydrodynamic and enhancing water quality was proposed,and the planning scheme was quantitatively evaluated.It is found that the water dynamics can be improved effectively by adjusting the water space form,and the layout of the hydraulic facilities.By rational allocation of water,floating water and submerged plants,an efficient plant ecosystem can be constructed,the water quality ofartificial lake were effectively enhanced,and the risk of water quality deterioration of partial area was basically eliminated,so as to achieve the coupling unity of water ecological environment quality and the landscape effect improvement.This study explored the integrated ecological planning method of integrated lake water landscape planning and aquatic ecological restoration technology under the guidance of hydrodynamic and water quality simulation,which can provide reference for the construction of similar project practice in the future.【期刊名称】《中国园林》【年(卷),期】2018(034)003【总页数】6页(P123-128)【关键词】风景园林;水体景观规划;数值模拟;湖库型水体;生态设计方法【作者】周燕;冉玲于;苟翡翠;余洋【作者单位】武汉大学城市设计学院武汉430072;武汉大学城市设计学院武汉430072;武汉大学城市设计学院武汉430072;武汉大学城市设计学院武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TU986湖库型景观水体主要是指一些具有景观效益的湖泊或水库水体，该类水体相较于流动性强的江河溪流来说大多保持相对静止的状态，受到补水条件单一、封闭缓流和自净能力弱等水环境的约束，其生态状况愈发脆弱，难以抵制水体污染进而导致水质恶化，给水生动植物造成不可估量的损害，同时也严重削弱了水体功能和景观效果，对人体健康和生活环境带来了影响。
大型城市浅水湖泊水环境综合治理——以武汉东湖为例
大型城市浅水湖泊水环境综合治理——以武汉东湖为例大型城市浅水湖泊水环境综合治理——以武汉东湖为例大型城市的水环境综合治理一直是一个极为复杂而又具有挑战性的问题。
作为中国著名的大型城市，武汉市不仅是经济中心，也是文化中心，其中东湖作为武汉市的城市湖泊，一直是武汉市民生活中重要的组成部分。
然而，由于近年来工业化进程的加速和城市化的不断增加，东湖的水环境受到了严重的污染。
首先，大量排放的工业废水和生活污水是导致东湖水环境恶化的主要原因之一。
随着工业的发展，大量污水直接排放到湖泊中，其中含有大量有机物、重金属以及其他毒性物质，严重破坏了水体的生态平衡。
另外，大量的生活污水也直接排放到湖泊中，其中含有大量的细菌和有机物质，污染了湖泊的水质。
其次，湖泊周边的建设活动也对东湖的水环境带来了巨大的压力。
城市的扩张使得湖泊周边的土地被大量开发和利用，导致大量的城市污水和雨水排放到了湖泊中。
此外，建设活动还引起了大量的土壤侵蚀和水土流失，进一步污染了湖泊的水质。
同时，建设活动还给湖泊周边的植被和动物带来了很大的破坏，破坏了湖泊生态系统的平衡。
在面对这些问题时，武汉市积极采取了一系列的措施进行综合治理。
首先，明确责任，建立了湖泊水环境综合治理的领导小组，并制定了专门的综合治理方案。
其次，加强了水资源管理，建立完善的水资源监测体系，并制定了严格的水资源保护政策，严禁乱排污水。
同时，逐步提升了污水处理和排放标准，建设了大型的生活污水处理厂，有效地减少了污水对东湖水体的污染。
此外，武汉市还注重湖泊周边的生态修复和保护。
通过植树造林、湿地建设等方式，恢复了湖泊周边的植被覆盖，减少了水土流失和土壤侵蚀。
同时，加强了湖岸带的生态保护，保护了湖泊周边的生态系统。
综合治理的过程中，武汉市不仅注重治理措施的执行，也注重公众参与和宣传教育。
通过广泛开展环保宣传，号召市民积极参与环境保护，增强了公众对水环境保护的认识和意识。
同时，积极推动科学研究和技术创新，探索更加有效的治理手段和方法。
大型浅水湖泊水动力特性数值分析
湖泊水质模拟与预测研究
湖泊水质模拟与预测研究湖泊是人类生存和发展的重要自然资源，也是各种生物的栖息地。
然而，由于人类活动的不断扰乱和污染，湖泊水质日益恶化，给人类和生态环境带来了极大的威胁。
为了保护湖泊和人类健康，湖泊水质模拟与预测研究显得十分重要。
一、湖泊水质模拟与预测的意义湖泊水质模拟与预测是指借助数学模型，对湖泊水体中的各种物理化学过程进行模拟和预测，以了解湖泊水体的运动、污染扩散、水质演变趋势等信息，为水环境保护和管理提供科学依据。
它的意义主要体现在以下几个方面：1.为湖泊水环境治理和管理提供科学依据通过湖泊水质模拟和预测，可以了解湖泊水体的运动和污染扩散情况，为湖泊水质改善提供科学依据。
可以针对不同污染源、不同物质进行模拟分析，找出影响水质变化的主要因素，制定出科学合理的湖泊治理方案。
2.提前预测湖泊水体的水质变化趋势湖泊水体的水质变化是一个复杂的过程，不同因素的作用会相互影响，因此，对湖泊水体进行预测是非常必要的。
可以通过历史数据、实验室试验和理论计算等方式构建模型，科学预测湖泊水体的污染扩散和水质演变趋势。
3.对湖泊生态环境保护具有重要意义湖泊作为生态系统的重要组成部分，是维持生态平衡的关键。
湖泊水质的变化会对生物多样性和生态系统稳定性产生深远影响。
通过对湖泊生态系统的模拟和预测，可以为湖泊生态环境保护提供科学依据。
二、湖泊水质模拟与预测的研究方法湖泊水质模拟与预测的研究方法包括试验研究、理论研究和实地观测等多个方面。
试验研究是通过实验室实验，探究湖泊水体中的物理化学过程如水流运动、颗粒沉降、营养物质的释放等，为模型构建提供基础数据。
理论研究是基于湖泊水质变化过程的理论，通过数学建模和计算机模拟，预测湖泊水质变化趋势。
实地观测则是基于实际湖泊环境，对湖泊水质变化情况进行采样和监测，获取湖泊实际数据，为模型的建立和验证提供数据依据。
三、湖泊水质模拟与预测的应用案例湖泊水质模拟与预测的应用案例非常丰富。
例如，南京市鼓楼区将鼓楼湖作为重点湖泊，对湖泊水质进行模拟和预测，找出影响湖泊水质的主要因素，并制定出优化鼓楼湖水环境的治理方案。
基于三维水质-水动力模型的抚仙湖TMDL研究
抚仙湖流域抚仙湖位于云南省玉溪市，是一个南北向的断层溶蚀湖泊。
湖水平均深度为95.2m，最深处有158.9m；湖面海拔高度为1722.5m时，湖面积216.6km2、容积206.2亿m3；占全国淡水湖泊蓄水量的9.16%。
入湖支流主要包括南岸的路居河，东岸的五车河，西岸的尖山河，北岸的代村河、东大河、窑泥沟、马料河、沙盆河和梁王河等。
受流域人类活动加强及磷矿开采与加工的影响，近年来入湖河流水质污染迅速加重，直接影响了湖水水质。
研究表明，近20年来抚仙湖的浮游藻类数量增加了2.6倍、Chl a浓度增加了3倍、透明度减小了将近一半，综合营养状态指数急剧上升。
可见，开展对抚仙湖的水质模拟研究以获取对湖泊内部水质与外源污染物负荷的定量响应关系，并为流域管理提供科学的决策支持就是迫在眉睫的任务了。
环境流体动力学模型（Environmental Fluid Dynamics Code, EFDC）是由美国环保署（EPA）组织开发，用于模拟湖泊、水库、海湾、湿地和河口等地表水数值模型软件，已成功应用于内蒙古乌梁素海、滇池、昆承湖、三峡水库、尼亚加拉河、纽斯河河口等实际案例中。
本文以EFDC为平台，构建了抚仙湖三维水质‐水动力模型，模拟了营养盐在水体里的迁移转化动力，并准确再现了观测到的污染物物在湖体的时空分布情况。
在此基础上，以对地表水环境标准中两个不同安全度水平上的解译为出发点，，核算不同情景下的TMDL，为抚仙湖水环境管理奠定基础。
●抚仙湖水动力‐水质模型的开发是一个多步骤的过程，其中包括●网格生成●初始条件配置●边界条件设定●模型校准以及应用等●水平方向上，抚仙湖曲线网格，每个网格在垂直方向上按西格玛坐标切割成为50层以代表抚仙湖的深水特征，这样整个湖泊水体被划分为16150个计算单元进行控制方程组的求解。
●初始条件配置●初始条件是模型模拟的起点。
本研究模拟期为2009年1月~12月，并全面收集了表征流入营养负荷和湖泊水质变化的数据●设置2009年1月1日观察到的水面高度1723.28m为初始高程；●初始温度以1月初的观测值为基础，设定为13.5℃；●所有3个速度向量按水动力学常规初始化为0.0m/s；●挑选2009年1月6日获得的水质数据作为水质初始条件数据，初始TP浓度为0.005mg/L、TN为0.171mg/L、COD为0.98mg/L。
三维温排水、水质模拟方案
三维温排水、水质模拟方案1.背景丹江口水库位于汉江中上游，水域横跨鄂、豫两省，是国家南水北调中线工程的饮用水水源保护区，其水源质量关系重大，我公司通过全面的收集整理当地的水文水质条件资料，进行水动力水质模拟。
通过数值模拟的方法，可以从定性、定量的角度分析遇到突发情况时，污染物的扩散过程，因而可以更快地做出应急预案，帮助决策，减少损失。
利用水环境数值模拟软件3EWATER，对丹江口水库建立了一套三维应急水动力水质模型，模拟突发情况时，水库中的温排水以及水质的变化情况，为突发水污染应急做决策依据。
2.建模过程2.1勾画边界使用GISMODEL直接加载用户提供的丹江口水库边界文件，边界范围如下：图 1 河道边界轮廓示意图2.2绘制网格使用RGFGRID加载GISMODEL处理完毕的丹江口水库的边界文件，绘制计算网格。
共38199个网格，如下图所示：图 2 计算网格示意图2.3参数设置使用GISFLOW加载RGFGRID绘制完毕的网格，进行三维水动力、温排水、水质模拟。
三维模拟一共分为5层，每层平均分布，模拟时间步长为1min；初始条件：温排水初始温度设为25℃；选择边界：入流边界有郧县、丹江入口、淅川，出流边界有黄家港和南水北调取水口；污染物为DDT（滴滴涕），污染物的释放点如下图；释放条件：污染源为第3层（中间层）排放；DDT的衰变率为0.002。
图 3 污染物释放点位置示意图3.结果分析参数设置完毕后，开始进行模型计算。
3EWATER基于Delft3D为计算引擎，支持大时间步长而保证计算的稳定性。
计算总耗时约8分钟，用GISPLOT查看计算结果，分别选择温度和污染物，进行扩散模拟。
3.1温度场结果展示可以看到，三维模型良好地表现了各层的差异性。
查看温度的模拟结果，表层污染源附近的温度如下：图 4 表层温度示意图底层的温度如下：图 5 底层温度示意图可以看出，由于温排水温度较高，密度较小，在随水流迁移扩散的过程中，温排水向表层迁移，导致表层水体温升加大，底层基本没有温升。
水资源管理中的数值模拟技术指南
水资源管理中的数值模拟技术指南水是地球上最宝贵的资源之一，它对人类社会和自然生态系统都起着至关重要的作用。
然而，随着人口的增加和经济的发展，全球水资源面临着日益严峻的挑战。
为了更有效地管理水资源，数值模拟技术成为了一种强有力的工具。
本文将介绍水资源管理中常用的数值模拟技术，并提供相关的指南，以帮助实践者更好地应用这些技术。
第一部分：数值模拟的基本原理数值模拟是通过建立数学模型来描述和模拟实际系统中的相关过程和现象。
在水资源管理中，数值模拟可以用于模拟水资源的供求平衡、水文过程、水质变化等。
数值模拟的基本原理是根据物理规律和数学方程，在计算机上利用离散的时间和空间来模拟和预测实际水资源系统中的行为。
第二部分：常用的水资源管理数值模拟技术1. 水文模型水文模型是描述和模拟水文过程的数学模型，包括降水、蒸发、径流等。
常用的水文模型包括SWMM（Storm Water Management Model）、MIKE SHE等。
这些模型可以用于预测降雨径流、流域水文过程的模拟和分析，帮助决策者制定合理的水资源管理措施。
2. 地下水模型地下水模型是用于模拟地下水运动和污染传输的数学模型。
地下水模型可以帮助研究人员和决策者了解地下水资源的分布、补给和开发利用，预测地下水位变化、水量补给和水质污染等。
常用的地下水模型包括MODFLOW （Modular Ground-Water Flow Model）和MT3DMS （Modflow Transport Model for 3-Dimensional Ground-Water Advection and Dispersion）等。
3. 水质模型水质模型是用于模拟水体中物质传输和转化过程的数学模型。
水质模型可以用于预测水体中各种污染物的浓度分布、污染物迁移路径和影响范围，帮助决策者采取相应的水质保护和净化措施。
常用的水质模型包括CE-QUAL-W2、WASP（Water Quality Analysis Simulation Program）等。
西北黑河额济纳盆地水资源管理研究 ——三维地下水流数值模拟
西北黑河额济纳盆地水资源管理研究——三维地下水流数值模拟近年来，随着西北地区胡杨林、额济纳盆地等地干旱化、生态退化的日益加重，对于水资源的管理和保护成为越来越紧迫的问题。
为了更好地了解额济纳盆地水资源的分布与流动规律，以及制定合理有效的水资源管理措施，需要开展水资源管理研究。
本文将从三维地下水流数值模拟的角度，探讨西北黑河额济纳盆地水资源管理研究。
一、三维地下水流数值模拟的概念三维地下水流数值模拟是一种运用数学模型，将地下水流动的物理规律和地质条件等因素进行定量描述和计算预测的方法。
通过建立三维地下水流数值模型，可以计算出地下水的渗流速度、水位、流量、压力等参数，从而预测地下水流动的规律和影响。
二、三维地下水流数值模拟在西北黑河额济纳盆地的应用西北黑河额济纳盆地，属于内陆干旱区，地下水资源非常宝贵。
但近年来随着人类生产生活用水量增加，地下水补给量逐渐减少，加上气候干旱等多因素的影响，地下水水位逐渐下降，严重影响了区域的生态环境和经济发展。
因此，建立三维地下水流数值模型，可以更好地了解地下水的流动规律和水资源的分布情况，对于制定水资源管理策略具有重要的参考和指导作用。
通过采集地下水水位、渗透性、孔隙度，建立地下水数值模型，就可以计算出不同水头下的渗流速率和压力分布。
通过对比不同场景下的计算结果，可以预测不同利用水源方案的效果，以便制定出更好的水资源管理措施。
同时，还可以在建立地下水数值模型时，结合GIS等工具，将不同的空间数据集成，对地下水资源以及水源利用的空间分布进行分析和优化。
三、总结三维地下水流数值模拟是一种有效地研究地下水流动规律和水资源管理的方法，在西北地区的水资源管理研究中具有重要的参考价值。
通过建立三维地下水流数值模型，可以更好地了解地下水资产和流动规律，为制定制定水资源管理措施提供依据，也能在一定程度上为保护生态环境和促进经济发展做出贡献。
浅水水体生态修复的数值模拟
响水体水质及营养物质循环的主要种群的演化规律， 建立了浅 水水体生态动力学模型， 并将该模型应用于深圳市某实体水库，
在人 工养殖蚌 类实验的基础上模拟 了人工养殖蚌类对水库水 生 态环境的影响。
制其富营养化， 但无论是外源控制消减营养负荷 ， 还是采用各种 除藻措施（ 如养鱼等）均未能取得预期的效果或只在短期内有 ，
界各地开展了大规模 的湖泊 富营养化 调查 ， 在分 析资料 的基础
上建立 了一系列藻类生物量与营养物质负荷量之 间的相关经验 模型 ， 但这类模型不能 全面考 虑浮游植 物的动 态变 化。研究 生态系统内子系统 问相 互作用 过程 ， 综合 考虑系统 外部环境 驱 动变量的生态动力学模 型模拟 水体的富营养 化过程是采用数学 模 型方法模 拟系统 变化 ， 具有较强 的物理概念 ， 系统的发展趋 对 势有一定 的预见性 ， 因而 是 目前 众多学者 采用 的方法之 一。生 态动力学模 型的研究 始于 Ｃ ｅ ， ｉｒ 开 发 的简单 水质 动力模 ｈｎ Ｄｔ ｏ ｏ
物、 蚌类、 溶解氧和各种营养物质。将该模型应用 于深圳 市某 实体 水库 ， 模拟人 工养 殖蚌类修 复水库 水质 的效
果。数值模拟结果表明： 与蚌类养殖前相比， 浮游植物的生物量以及氮、 磷的负荷有明显的减少， 说明将蚌类用 于富营养化水体水质的修复效果是 比较理想 的， 当加以推广 。 应 关 键 词： 水环境生态学； 生态修复； 河蚌 ； 富营养化
湖、 滇池 、 太湖等我 国的大型浅水 湖泊 ， 然采取各种 措施来控 虽
生态修复方法的模拟 尚不多见 。本 研究 在实验 数据 的基 础上 。 模 拟 了人工养殖蚌类对水库环境 中藻类生物量 的影响。 本文基于 二维水动力学模 型 ， 采用具 有源 汇项 的对 流扩 散 方程 及水生态 系统 动力学模 型 ， 虑浅 水水体 中生物群 落 中影 考
长江三峡某水利工程三维数值模拟与优化设计
长江三峡某水利工程三维数值模拟与优化设计长江三峡水利工程早在20世纪50年代就被提出，但直到21世纪初才得以全面建成。
这项工程的建设改变了长江流域的水文态势，既有积极的作用，也存在一些不足。
随着科学技术的发展，人们开始关注如何对水利工程进行优化设计，以最大限度地发挥其效益。
本文将探讨长江三峡某水利工程的三维数值模拟与优化设计。
一、三峡水利工程的设计理念长江三峡水利工程由世界各地的工程师联合设计，旨在实现水电联产、船舶通航、防洪减灾等目标。
设计中主要考虑四个方面的因素：地形地貌、河流水文、水土保持和环境保护。
在水位控制方面，水利工程采用了三级调度、五级抽泄的设计理念，确保长江流域的水位变化得到平衡。
二、三峡水利工程存在的问题虽然长江三峡水利工程在水电产能、交通运输、防洪抗灾等方面取得了显著成效，但也存在一些不足之处。
首先，由于水位变化频繁，对下游的生物环境和生态系统造成一定的影响。
其次，库区淤积严重，给防洪工作带来了很大的挑战。
此外，水利工程的建设也给当地的社会经济和文化发展带来了一定程度的影响。
三、三维数值模拟的意义三维数值模拟是指采用计算机模拟技术，在虚拟环境中重现真实世界的物理过程。
在长江三峡水利工程的优化设计中，三维数值模拟有着重要的意义。
其一，三维数值模拟可以提供精确的水文数据，为水利工程的稳定性和安全性评估提供可靠的依据。
其二，通过三维数值模拟，可以发现和解决长江三峡水利工程存在的问题，比如库区淤积、生态环境损失等。
其三，三维数值模拟可以为长江三峡水利工程未来的规划和建设提供更准确、更科学的技术支持。
四、三峡水利工程的三维数值模拟在三维数值模拟的过程中，需要对长江三峡水利工程进行多方面的数据采集和处理。
首先，需要采集水位、流量、水质等水文数据，建立长江三峡水文模型。
随后，建立长江三峡水利工程的三维模型，并将水文模型的数据进行输入，模拟长江三峡水利工程在不同时间下的运行状况。
通过模拟结果，可以看出长江三峡水利工程存在的问题，并进行相应的优化设计。
湖泊水库垂向水质变化三维等值线图绘制研究
2020年31期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application湖泊水库垂向水质变化三维等值线图绘制研究*李璇，马卫星*，潘梅（盐城工学院环境科学与工程学院，江苏盐城224051）目前湖泊水库已成为大部分城市的主要供水水源，其对水质要求比较高。
由于湖泊水库的自身特点，其水质也在不断的变化，直观地掌握和了解湖泊水库的水质变化，对于保障安全供水具有重要的现实意义。
目前湖泊水库所面临的水质问题具体可概括为：（1）水体分层阻碍溶解氧传质、造成底部缺氧：由于湖泊水库水深较大，热量传递困难，形成水体的温度分层，阻碍了垂向溶解氧的传质，在底层水体和沉积物的双重耗氧作用下，造成底部水层呈现厌氧和无氧状态[1-2]。
（2）厌氧环境导致沉积物中污染物释放：厌氧或无氧条件下将导致湖泊水库底泥沉积物中的氮、磷、铁、锰等污染物的释放，有机物发生厌氧分解导致色度升高、嗅味异常，底层水质恶化[3-4]。
（3）自然混合导致水质呈周期性污染：分层型湖泊水库随气温变化，每年会发生一次或两次（北方冰封型）的自然翻转混合，水体周期性自然翻转混合时会将厌氧状态下释放于底层水体的大量污染物与上层水体产生混合，导致湖泊水库水质的周期性污染[5]。
（4）流动性差及营养盐的内源/外源补给引发藻类大量繁殖：湖泊水库流动性差，水体停留时间长，加之自然混合后氮磷营养源的补充与汇流补给，为表层藻类的大量繁殖创造了有利条件[6]。
（5）汛期径流造成水质恶化：汛期暴雨径流携带大量营养盐、有机物和泥沙进入湖泊水库，引起水质不断变差、甚至恶化，对水厂净化系统带来一定程度的冲击，直接影响城镇供水安全[7-8]。
由上可见，各种因素的变化会对湖泊水库水质造成影响。
随着对生态环境的重视及水源水质要求的提高，越来越多的湖泊水库中会设有自动监测站测量断面水质变化，或者人工定期测量水质变化。
如何将监测的结果及时直观的呈现给水管理从业者，让其直观的掌握湖泊水库的水质变化，为管理人员对湖泊水库的运行、管理与决策提供依据和支撑是急需解决的问题。
浅水型富营养化水库三维水动力及水质数值模拟研究与应用
浅水型富营养化水库三维水动力及水质数值模拟研究与
应用
首先，三维水动力模拟是指通过数学模型来模拟和分析水库内水体的
流动情况。
这些模拟可以提供有关水流速度、水面高度、湍流等参数的详
细信息。
通过对水流动力学规律的研究，可以更好地了解水库内水体的运
动特性，并预测可能出现的问题，如水库内的漩涡、死水区等。
此外，三
维水动力模拟还可以帮助优化水库的设计和管理，例如改善水体的对流换热，提高水华水体混合等。
应用方面，三维水动力及水质数值模拟研究可以为浅水型富营养化水
库的管理和保护提供重要的科学依据。
根据模拟结果，可以制定相应的管
理措施，如合理排放和控制入湖污染物、优化水库的水深和水剖面等。
此外，模拟结果还可以用于评估不同管理措施的效果，以及制定相应的修复
策略。
通过模拟研究和应用，可以更好地了解和管理浅水型富营养化水库，保护水质，维护水体生态系统的稳定性。
总之，浅水型富营养化水库的三维水动力及水质数值模拟研究与应用
具有重要意义。
通过这些模拟，可以更好地了解和分析水库内水体的运动
规律和水质状况，为水库的管理和保护提供科学依据，保护水质和维护水
体生态系统的稳定性。
浅水三角洲沉积物理模拟与数值模拟的对比研究
浅水三角洲沉积物理模拟与数值模拟的对比研究目录1. 内容概述 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 浅水三角洲沉积特征 (3)1.3 物理模拟与数值模拟方法概述 (5)2. 实验设计与方法 (6)2.1 物理模拟实验装置及参数设置 (7)2.1.1 模型设计 (9)2.1.2 流体参数 (10)2.1.3 沉积物参数 (10)2.1.4 边界条件 (12)2.2 数值模拟模型构建与参数设定 (13)2.2.1 模拟软件及理论基础 (15)2.2.2 网格划分方法 (15)2.2.3 模拟参数映射与验证 (17)3. 模拟结果与分析 (18)3.1 物理模拟实验结果 (19)3.1.1 形态演化及沉积分布 (20)3.1.2 沉积环境及特征 (21)3.2 数值模拟结果 (23)3.2.1 模拟结果验证 (23)3.2.2 形态演化及沉积分布 (24)3.2.3 沉积环境及特征 (25)3.3 物理模拟与数值模拟结果比较 (27)3.3.1 形态演化对比分析 (28)3.3.2 沉积分布对比分析 (30)3.3.3 沉积机制对比分析 (31)4. 应用价值与展望 (32)4.1 研究成果应用 (33)4.2 未来研究方向 (34)1. 内容概述本研究旨在深入探索浅水三角洲环境中沉积物的形成和分布机制，透过物理模拟和数值模拟两种方法，得出相对应的沉积动力学信息。
物理模拟通过控制流场参数和沉积物特性，构建一套实验模型来再现自然条件下的沉积环境。
通过构建数学模型并使用计算得到流场分布以及沉积物动态，探讨模拟系统与真实沉积环境的动态一致性及模式。
对比两类模拟方法，本研究设计了多组实验方案与数学模型参数，以评估物理模拟和数值模拟的拟合程度和精确度。
研究集中讨论了哪些环境因素在何种程度上影响沉积物的存放形态及沉积率的异同点，并详细分析了两种方法在解决实际环境管理问题中的优缺点，进而伙伴性地优化浅水三角洲沉积模型的准确性，为三角洲生态保育与合理开发提供科学决策依据。
湖泊营养盐通量平衡的三维数值模拟
湖泊营养盐通量平衡的三维数值模拟邹锐;吴桢;赵磊;陈异晖;余艳红;刘永【摘要】湖泊氮、磷通量是表征湖泊营养状态的重要指标,也是探究湖泊富营养化机制的重要途径.通过氮、磷通量的计算和质量平衡关系的分析,可以识别出在湖泊富营养化过程中起关键作用的过程.以三维水动力-水质模型为计算平台,模拟湖泊水动力、水质的动态过程,并以模拟结果为基础核算湖泊氮、磷循环通量及其在氮、磷循环整体中的贡献,识别湖泊氮、磷循环关键源汇过程的变化规律.滇池是我国富营养化湖泊的代表,同时其半封闭特性为营养物质循环提供了更为稳定的环境,以滇池为案例,基于前期校正和验证过的滇池水动力-水质模型来分析循环通量计算方法的适用性.结果发现,研究年度内滇池外海总氮的年总输入量(包括外源和内源)为7620.92 t,总输出量(包括出流、反硝化和沉降)为7637.31 t;总磷的年总输入量为(包括外源和内源)450.23 t,总输出量(包括出流和沉降)为429.57 t,其中陆域输入是最主要的氮、磷输入途径,而反硝化和沉降则是主要的输出过程.相较于传统的质量平衡方法,通过三维模型计算所得的营养盐通量平衡结果能更好地揭示湖体内所发生的氮、磷转化过程.%Nutrient cycling flux in lakes is an important indicator to measure the lake trophic state as well as an essential approach to explore eutrophication mechanisms.Key processes of nutrient cycling can be identified by calculating nutrient cycling fluxes and mass balance analysis.In this study,IWIND-LR,a 3D hydrodynamic and water quality model,was used to simulate nutrient cycling of lakes in this study.The nutrient cycling fluxes were calculated based on the model results to define the contributions and patterns of nutrient source and sink ke Dianchi in the Yunnan Plateau is one of the most severelypolluted lakes in China.It is a semi-closed lake and provides a stable environment for research.The model results demonstrated that,IWIND-LR performed well in Lake Dianchi.The input and output of total nitrogen in Lake Dianchi was 7620.92 t and 7637.31 t respectively in 2003;while 450.23 t and 429.57 t for total phosphorus.The exogenous loading contributed most of the input of nitrogen and phosphorus,while denitrification and sedimentation were the major outputs of Lake Dianchi.【期刊名称】《湖泊科学》【年(卷),期】2017(029)004【总页数】8页(P819-826)【关键词】营养盐;通量;质量平衡;三维模型;滇池【作者】邹锐;吴桢;赵磊;陈异晖;余艳红;刘永【作者单位】云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,昆明650034;Tetra Tech,Inc.10306 Eaton Place,Ste 340,Fairfax,VA 22030,USA;北京大学环境科学与工程学院,水沙科学教育部重点实验室,北京100871;云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,昆明650034;云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,昆明650034;云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,昆明650034;北京大学环境科学与工程学院,水沙科学教育部重点实验室,北京100871【正文语种】中文湖泊富营养化是水环境领域面临的突出问题［1-4］.为有效预防、控制和治理湖泊富营养化问题，国内外围绕其成因、危害以及控制和管理等方面开展了大量的研究［5-10］，其中成因分析是有效治理的基础.研究表明，氮（N）、磷（P）是湖泊生态系统必需的营养元素，正常的氮、磷平衡是维持湖泊健康的必要条件；但大量氮、磷的流入和累积会改变湖泊内营养盐的通量平衡，增加富营养化的风险［11-13］.因此对湖泊恢复而言，开展湖泊氮、磷营养盐循环和通量平衡研究就显得尤为重要［9，14-15］.具体而言，氮、磷的过量输入会导致湖泊营养盐循环发生改变，藻类大量生长、消亡，影响水体的理化条件并进一步改变氮、磷的内部循环过程，增加湖泊富营养化的风险［16］.研究表明，随着湖泊外源污染负荷的削减，湖泊底质内源释放对湖泊富营养化的贡献也逐渐突显出来［17］.氮、磷的内源释放和内部循环会使湖泊在大量削减外源负荷后，也继续维持长时间的富营养化状态，阻碍湖泊修复.研究发现，对于部分富营养化的湖泊，内源负荷可以占到总入湖负荷量的50%以上［18］.同时，一些富营养化湖泊的修复过程表明：在有效控制外源负荷的前提下，仍需要10～20年才能使湖泊的生态功能得到明显的恢复［19］.因此，通过对湖泊氮、磷循环通量的追踪，可分析湖体中所发生的氮、磷迁移转化过程，识别不同氮、磷循环过程的响应机制，加深对富营养化过程及机理的认知.机理模型是研究湖泊富营养化过程和营养盐通量平衡的理想手段［20-21］，通过对水体中与富营养化相关机理过程的模拟，为制定更为细致和准确的治理方案提供科学依据.在模型的应用中，简单机理模型过程简单，无法实现对重要营养盐过程的刻画；而复杂的三维水动力-水质模型研究则大多关注于模型的性能及其不确定性，对氮、磷循环过程的关注较少［22］.本文基于以EFDC为内核的三维水动力-水质模型（IWIND-LR），开发了利用数值积分的氮、磷营养盐通量与存量计算方法，并以滇池外海为例开展应用研究.滇池（24°40′～25°02′N，102°36′～102°47′E）是我国重点治理的“三湖”之一，湖面面积为306.3 km2，湖体体积为15.6×108m3，平均水深4.4 m，流域面积2920 km2［23］.由于流域社会经济的快速发展，滇池从1980s开始出现富营养化现象，目前呈重度富营养状态；外海水质在V～劣V类之间波动，且呈现北部偏高、南部偏低的趋势［24］.本文基于前期经过校正和验证的滇池三维水动力-水质模型［23］，在此基础上重点开展氮、磷的内部循环过程通量研究，分析滇池水质和藻类生物量的变化过程，识别不同氮、磷循环过程对湖泊富营养化的贡献，为滇池富营养化治理提供科学依据.1.1 模型构建模型构建基于前期经过校正和验证的滇池三维水动力-水质模型［23］，主要包含三维水动力和温度动力学模拟以及内部耦合的水质模型系统；可模拟26个水质状态变量，并可同时模拟底泥与水体间的营养盐交换动力学以及底泥对溶解氧的动态作用，动态跟踪水龄及低溶解氧区的时空分布.其核心的水质模块主要基于物质守恒，刻画物理输送、大气交换、吸附与解吸、藻类吸收、底床-水界面交换、硝化与反硝化以及沉积成岩作用等，基本控制方程如下：式中，C为水质状态变量浓度，u、v、w分别为x、y、z方向的速度矢量，Kx、Ky、Kz分别为x、y、z方向的湍流扩散系数，Sc为每单位体积内部和外部的源和汇.在一阶动力学中，存在以下关系：式中，k为动力学速率，R为由于外部负荷和内部反应引起的源汇项.在前期的滇池三维水动力-水质模型［23］构建中，将滇池外海水体划分为垂向6层，每层664个水平网格（尺度为634±148 m）（图1），主要模拟的状态变量为水温、溶解氧、藻类中氮磷含量、颗粒态有机氮磷浓度、溶解态有机氮磷浓度、磷酸盐浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度等.模型的边界条件主要包括入湖支流的流量、温度、水质、沉积床初始条件以及与时间相关的气象条件和大气边界数据［23］，其中大气湿沉降条件为磷酸盐浓度0.04 mg／L，硝态氮浓度0.70 mg／L.模型底泥模块初始条件为：活性有机磷、有机氮和有机碳底泥体积浓度分别为23±15.3、103.2±13.8和741±176.5 g／m3.1.2 营养盐存量与通量核算全湖氮、磷营养盐各组分的存量和通量计算模块是通过与三维水质模型方程耦合，并与水动力-水质模型采用相同离散化分辨率进行数值积分得到的.各组分存量考虑水质组分的时空分异性，各相关状态变量的存量通过对全湖所有网格进行积分获取：式中，M为i组分的存量，c为湖体中i组分的浓度.氮元素各组分存量考虑：藻类活体氮存量（algaeN）、颗粒有机氮存量（PON）、溶解态有机氮存量（DON）、氨氮存量（NH3）、硝酸盐存量（NO-3）；磷元素各组分存量考虑：藻类活体磷存量（algaeP）、颗粒有机磷存量（POP）、溶解态有机磷存量（DOP）、正磷酸盐存量（PO4）.各氮、磷循环过程通量通过对全湖所有网格进行积分获取，氮循环各个过程通量考虑以下过程：①流域输入（包括藻类活体氮入湖量、颗粒有机氮入湖量、溶解态有机氮入湖量、氨氮入湖量、硝酸盐／亚硝酸盐氮入湖量）；②大气沉降（包括硝酸盐氮沉降）；③出流（包括藻类活体氮出湖量、颗粒有机氮出湖量、溶解态有机氮出湖量、氨氮出湖量、硝酸盐／亚硝酸盐出湖量）；④内源（包括氨氮底泥交换通量、硝酸盐氮底泥交换通量）；⑤沉降（包括藻类活体氮沉降量和颗粒有机氮沉降量）；⑥反硝化过程和固氮.磷循环各个过程通量考虑以下过程：①流域输入（包括藻类活体磷入湖量、颗粒有机磷入湖量、溶解态有机磷入湖量、正磷酸盐入湖量）；②大气沉降（包括正磷酸盐沉降组分）；③出流（包括藻类活体磷出湖量、颗粒有机磷出湖量、溶解态有机磷出湖量、正磷酸盐出湖量）；④内源（包括正磷酸盐底泥交换通量）；⑤沉降（包括藻类活体磷沉降量、颗粒有机磷沉降量、正磷酸盐沉降量）.上述过程的主要通量计算方程如下：流域输入通量：累积大气沉降通量：累积出流通量：累积底泥-水体通量：累积沉降通量：累积反硝化通量：累积固氮量：式中，Q为入湖流量（m3／d），C为每条入湖河流中i组分的浓度（g／m3），Dd为干沉降（g／（m2·d）），Dw为湿沉降（g／（m2·d）），q为出流流量（m3／d），c为出流中i组分的浓度（g／m3），Fb为i组分的底泥释放速率（（g／（m2·d）），Fs为i组分的沉降速率（g／（m2·d）），Fdn为反硝化速率（g／（m3·d）），FNfix为固氮速率（g／（m3·d））.需要注意的是，根据以上方程计算的氮、磷循环通量结果并不是瞬时通量结果，而是累积通量结果.为计算湖泊氮、磷循环通量和存量，模型以相同条件连续运行5年以达到相对稳定状态，取第5年结果计算湖泊氮、磷循环通量及存量.2.1 模型校验模型校验是水质模型构建的核心步骤，目的是推算合理的参数化方案以实现模型对实际湖体过程的再现［25］.滇池模型的校验分2个步骤：水动力模型的校验、水质模型校验；其中水动力模型以水位和温度作为评判标准，水质模型校验以滇池外海8个国家常规监测点的月监测数据，主要校准溶解氧（DO）、总氮（TN）、总磷（TP）、NH3-N、叶绿素a（Chl.a）浓度等.由于本文采用的是前期经过校正和验证的模型，限于篇幅，其校正和验证在此不再赘述，具体结果请参阅相关文献［23］.由校正和验证结果可知［23］，TN、TP和Chl.a的模拟结果与实测值吻合较好，RMSE分别为0.619、0.064和0.040 mg／L，模型能够较为真实反映湖体物理、化学和生物过程的变化.校核后的模型参数取值如下：水体最大硝化反应速率为0.05 d-1，参照温度是25℃，温度效应系数为0.045；反硝化速率为0.06 d-1；有机氮矿化速率为0.05 d-1，有机磷矿化速率为0.04 d-1，有机碳为0.06d-1，矿化速率温度修正系数为0.069；颗粒营养盐沉降速率为0.1 m／d；蓝藻、硅藻和绿藻生长速率分别为1.35、2.5和1.9 d-1.底泥通量采用底泥成岩模块计算，主要参数为：G1类有机物降解速率为0.015 d-1，G2类为0.001 d-1，G3类为0，温度修正系数为1.09；底泥硝化最佳反应速率为0.09 d-1.2.2 滇池营养盐通量存量平衡核算在模型校准的基础上，对滇池不同形态氮、磷营养盐的存量及主要源汇过程的通量进行计算（图2）.由结果可知，氨氮、硝态氮和有机氮之间存在明显的相互转化关系和季节特征；磷酸盐是磷元素各个组分中存量最大的组分，呈现明显的夏季增加、冬季减少的趋势.氮、磷的底泥释放也存在明显的季节变化，其释放通量都表现为夏季较大、冬季较低的规律，其中氨氮和磷酸盐在冬季为负值，即底泥的吸收过程.反硝化的季节特征与其他过程不同，7月之前的反硝化通量明显小于之后的反硝化通量.2.3 关键源汇过程识别表1汇总了2003年滇池湖体氮、磷循环各个过程通量的年均值，以TN和TP计，滇池TN的年总输入量为7620.92 t，总输出量为7637.31 t；TP的年总输入量为450.23 t，总输出量为429.57 t.对于氮而言，贡献最大的源过程是陆域流入过程，占总流入的67.76%，其次是底泥释放过程，氨氮和硝态氮共占29.04%，大气沉降和固氮作用共占3.2%.氮的去除过程则主要为反硝化和沉降，共占总去除量的95.5%，其中反硝化48.99%，沉降为46.51%.对于磷而言，陆域流入过程占总流入量的79.77%，其次是磷酸盐底泥释放作用，为18.3%.磷去除则主要为沉降作用，其中颗粒态磷沉降占62.77%，藻类沉降占27.87%.3.1 数值模拟与基于监测的通量核算结果的差异首先需要明确的是本文中的营养盐质量平衡关系是基于三维复杂水动力-水质模型的模拟结果，是对全湖所有网格进行数值积分所得到的.这不同于一般的营养盐质量平衡分析方法，一般意义上的营养盐质量分析方法是基于有限的监测数据计算得到的，在空间上并不能做到与三维模型模拟结果一样细致，这也就导致2种方法所计算的营养盐质量平衡会有一定的差异［22］.虽然营养盐质量平衡分析在更大的程度上是一种估算，并不要求观测数据的空间水平和垂直分布，但对于面积较大或深度较大的湖泊而言，会造成结果的明显偏差.而如果借助于三维复杂水质模型，在监测数据的基础上，对全湖各个网格进行积分后再计算营养盐质量平衡关系就会避免不必要的偏差.以滇池为例，根据对8个湖体常规监测点位的数据，计算滇池TP存量为231.4 t，TN存量为3076 t；而通过水动力-水质模型计算可知，滇池的TP和TN存量分别为350.2和2525.4 t，二者之间均有较大的差异，计算结果TP偏高、TN略低.由国家标准监测方法可知，所检测的样品均取自水面下0.5 m，其监测数据主要表征的是表层水体的水质状态.对于滇池而言，特别是磷元素，其主要来源之一是底泥中磷酸盐的释放，这会造成湖体磷酸盐形成自下而上的浓度梯度［26-28］.这种湖体垂向浓度梯度的存在会导致在只用表层水质数据估算营养盐通量平衡时产生系统性误差（图3）.除此之外，考虑到湖泊复杂的水动力条件以及监测点位的分布并不能完全代表全湖的空间差异，这也会在估算时造成一定的误差.相比而言，基于三维水质模型的营养盐通量平衡计算则会涉及到全湖所有已划分的网格，在模型已校准的情况下，比传统的估算方法更为精确，且能提供更为详细的通量结果.3.2 滇池氮、磷营养盐存量变化对湖体内氮、磷元素的存量分析可知，不同形态的氮或磷在时间和通量上的变化趋势各异，具体表现在：①氨氮和硝态氮的变化趋势不同步.在春季，溶解氧浓度相对较高，随着氨氮浓度的降低，硝态氮浓度经历了先升高后降低的过程，这主要是因为在有氧环境下氨氮通过硝化作用可以生成硝态氮.而夏季由于藻类的大量生长甚至暴发，水体中溶解氧浓度降低，硝态氮会通过反硝化作用生成氮气逸出湖体［29-30］.在7月中下旬藻类暴发后，反硝化作用显著增强（图2e），同时缺氧环境也抑制了硝化作用，促进了底泥释放氨氮的过程，所以硝态氮在夏季保持较低浓度，而氨氮由于底泥释放作用和藻类吸收的共同作用会出现较大的波动.秋、冬季则由于藻类生物量降低，水体溶解氧浓度升高会使水体内氨氮和硝态氮浓度逐渐升高.②水体中颗粒态有机氮和溶解态有机氮浓度比例在1∶5左右，且变化趋势大致相同，这符合湖沼学基本定律中的描述［31］.但是有机氮和氨氮随时间的变化趋势差异非常明显，这表明有机氮的矿化过程受水体DO、pH和微生物活性的影响较大，有明显的季节变化，主要表现为春、冬季矿化速率较高，夏季矿化速率较低.夏季氨氮的来源主要为外源输入和内源底泥释放，多种因素的共同作用导致了滇池水体氨氮浓度随季节的复杂变化趋势［32-33］.3.3 氮、磷内源释放的贡献及变化湖体内氮、磷底泥释放和沉降通量是研究关注的重点.氨氮和磷酸盐的底泥释放过程有明显的季节特征，夏季表现为释放，冬季则会表现为吸收.造成这种现象的主要因素除风力扰动外，最为主要的是底泥氧化还原条件的改变.在缺氧条件下，底泥对氨氮和磷酸盐的吸附效率降低，从而促进了氨氮和磷酸盐的底泥释放作用［17，27，34］.综合考虑颗粒态有机氮的沉降和氨氮、硝态氮的底泥释放作用可得出，氮的水体-底泥界面交换过程对氮循环总体的贡献表现为释放，释放量为237.6 t／a.而磷的水体-底泥界面交换过程与氮不同，该过程对磷循环总体的贡献表现为沉降，沉降量为173.9 t／a.但需要注意的是，底泥磷酸盐的释放随季节变化非常大，在藻类暴发期间表现为强烈的释放作用，日最大值已达到24.2 t／d，是湖体中磷酸盐的主要来源之一［35-36］.对比之前针对滇池底泥氮、磷内源释放的研究发现，利用模拟实验的方法计算氨氮底泥释放量约为1394.1～6542.2 t／a，磷酸盐的底泥释放量约为74.9～380.2 t／a；本文模型结果中氮、磷的底泥释放量分别为2213.05和82.39 t／a，模型结果与文献中的实验结果范围基本吻合［37-38］.氮、磷元素间的上述差异主要与其化学性质相关，磷循环属于沉积态循环，其沉降到湖底的磷会经过沉积成岩过程被永久的埋藏在湖底；而氮的化学性质相对活泼，其沉降到湖底的主要为有机残体，经微生物分解后会主要以氨氮的形式再次释放到水体，使湖体氮浓度维持在较高的水平.通过对滇池氮、磷元素化学性质以及关键源汇过程通量的分析，可以为滇池富营养化的治理提供理论和决策支持.以IWIND-LR为计算平台，核算了滇池外海氮、磷循环通量及其在氮、磷循环整体中的贡献.研究发现，通过三维数值模型计算湖泊营养盐存量和关键过程通量以及质量平衡关系相较于传统的质量平衡方法更为详细，且可计算反硝化、底泥释放等很难进行实验测定的过程.其中，对于2003年滇池TN的年总输入量为7620.92 t，总输出量为7637.31 t；TP的年总输入量为450.23 t，总输出量为429.57 t.沉降和反硝化则是主要的氮、磷去除途径，反硝化占总氮去除量的48.99%，沉降占总磷去除量的62.77%.必须注意的是，上述的结果并不能推广为滇池长期的趋势.今后的研究将集中在2个方面：①通过实验手段，对模型所涉及的关键过程参数进行测定和核实，减少模型结果的不确定性和可能存在的异参同效；②对滇池进行更长期的模拟，分析不同水文气象条件和流域负荷条件下的营养盐平衡和通量，为滇池富营养化控制提供更扎实的理论依据和技术支持.【相关文献】［1］ Paerl HW，Xu H，Mccarthy MJ et al.Controlling harmful cyanobacterial blooms in a hyper-eutrophic lake（Lake Taihu，China）：The need for a dual nutrient（N＆P）management strategy.Water Research，2011，45（5）：1973-1983.［2］ Schindler DW.Eutrophication and recovery in experimental lakes：Implications for lakemanagement.Science，1974，184（4139）：897-899.［3］ Qin Boqiang.A review and prospect about the aquatic environment studies in Taihu Lake.J Lake Sci，1998，4（4）：1-9. DOI：10.18307／1998.0401.［秦伯强.太湖水环境面临的主要问题、研究动态与初步进展.湖泊科学，1998，4（4）：1-9.］［4］ Conley DJ，Paerl HW，Howarth RW et al.Controlling eutrophication：Nitrogen and phosphorus.Science，2009，323（5917）：1014-1015.［5］ Jin Xiangcan.The key scientific problems in lake eutrophication studies.Acta SciCircum，2008，28（1）：21-23.［金相灿.湖泊富营养化研究中的主要科学问题——代“湖泊富营养化研究”专栏序言.环境科学学报，2008，28（1）：21-23.］［6］ Qin Boqiang，Luo Liancong.Changes in eco-environmentand causes for lake Taihu，China.Quat Sci，2004，24（5）：561-568.［秦伯强，罗潋葱.太湖生态环境演化及其原因分析.第四纪研究，2004，24（5）：561-568.］［7］ Ruan Jingrong，Cai Qinghua，Liu Jiankang.A phosphorus-phytoplankton dynamicmodel for Lake Donghu in Wuhan.Acta Hydrobiol Sin，1988，12（4）：289-307.［阮景荣，蔡庆华，刘建康.武汉东湖的磷-浮游植物动态模型.水生生物学报，1988，12（4）：289-307.］［8］ Wu Fengchang，Jin Xiangcan，Zhang Runyu et al.Effects and significance of organic nitrogen and phosphorus in the lake aquatic environment.J Lake Sci，2010，22（1）：1-7.DOI：10.18307／2010.0101.［吴丰昌，金相灿，张润宇等.论有机氮磷在湖泊水环境中的作用和重要性.湖泊科学，2010，22（1）：1-7.］［9］ Carpenter SR，Caraco NF，Correll DL et al.Nonpoint pollution of surfacewaterswith phosphorus and nitrogen.Ecol Appl，1998，8（3）：559-568.［10］ Spears BM，Carvalho L，Perkins R et al.Long-term variation and regulation of internal phosphorus loading in loch leven. Hydrobiologia，2012，681（1）：23-33. ［11］ Bernhardt ES.Cleaner lakes are dirtier lakes.Science，2013，342（6155）：205-206. ［12］ Finlay JC，Small GE，Sterner RW.Human influences on nitrogen removal in lakes.Science，2013，342（6155）：247-250.［13］ Elser JJ，Bracken ME，Cleland EE et al.Global analysis of nitrogen and phosphorus limitation of primary producers in freshwater，marine and terrestrial ecosystems.Ecology Letters，2007，10（12）：1135-1142.［14］ Sondergaard M，Jensen JP，Jeppesen E etal.Seasonal dynamics in the concentrations and retention of phosphorus in shallow danish lakes after reduced loading.Aquatic Ecosystem Health＆Management，2002，5（1）：19-29.［15］ Sondergaard M，Jeppesen E，Lauridsen TL et ke restoration：Successes，failures and long-term effects.Journal of Applied Ecology，2007，44（6）：1095-1105. ［16］ Hanson PC，Bade DL，Carpenter SR kemetabolism：Relationshipswith dissolved organic carbon and phosphorus. Limnology Oceanography，2003，48（3）：1112-1119.［17］ Nowlin WH，Evarts JL，Vanni MJ.Release rates and potential fates of nitrogen and phosphorus from sediments in a eutrophic reservoir.Freshwater Biology，2005，50（2）：301-322.［18］ Sondergaard M，Bjerring R，Jeppesen E.Persistent internal phosphorus loading during summer in shallow eutrophic lakes. Hydrobiologia，2013，710（1）：95-107. ［19］ Kleeberg A，Kozerski HP.Phosphorus release in lake grossermuggelsee and its implications for lake restoration.Hydrobiologia，1997，342：9-26.［20］ Janse JH.A model of nutrient dynamics in shallow lakes in relation tomultiple stable states.Hydrobiologia，1997，342：1-8.［21］ MooijWM，Trolle D，Jeppesen E et al.Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches. Aquatic Ecology，2010，44（3）：633-667.［22］ Rowe MD，Kreis RG，Jr Dolan DM.A reactive nitrogen budget for lake michigan.J Gt Lakes Res，2014，40（1）：192-201.［23］ Wang Z，Zou R，Zhu X etal.Predicting lakewater quality responses to load reduction：A three-dimensionalmodeling approach for totalmaximum daily load.Int JEnviron Sci Technol，2014，11（2）：423-436.［24］ He prehensive evaluation and trend analysis forwater quality of Dianchi Lake.Yangtze River，2012，43（12）：37-41.［贺克雕.滇池水质状况综合评价及变化趋势分析.人民长江，2012，43（12）：37-41.］［25］ Liu Yong，Zou Rui，Guo Huaicheng eds.Intelligentwatershedmanagement.Beijing：Science Press，2012.［刘永，邹锐，郭怀成.智能流域管理研究.北京：科学出版社，2012.］［26］ Gao Li，Yang Hao，Zhou Jianmin et al.Sediment burden and release potential of phosphorus to water in Dianchi Lake，China.Acta SciCircum，2004，24（5）：776-781.［高丽，杨浩，周健民等.滇池沉积物磷内负荷及其对水体贡献的研究.环境科学学报，2004，24（5）：776-781.］［27］ Wang Jianjun，Shen Ji，Zhang Lu etal.Sediment-water nutrient fluxes and the effects of oxygen in Lake Dianchiand Lake Fuxian，Yunnan Province.JLake Sci，2010，22（5）：640-648.DOI：10.18307／2010.0503.［王建军，沈吉，张路等.云南滇池和抚仙湖沉积物-水界面营养盐通量及氧气对其的影响.湖泊科学，2010，22（5）：640-648.］［28］ Xiong Qiang，Jiao Lixin，Wang Shengrui et al.Characteristics and bioavailability of organic phosphorus from different sources of sediments in Dianchi Lake.Environmental Science，2014，35（11）：4118-4126.［熊强，焦立新，王圣瑞等.滇池沉积物有机磷垂直分布特征及其生物有效性.环境科学，2014，35（11）：4118-4126.］［29］ Hasegawa T，Okino T.Seasonal variation of denitrification rate in lake suwa sediment.Limnology，2004，5（1）：33-39.［30］ Chen X，Yang L，Xiao L et al.Nitrogen removal by denitrification during cyanobacterial bloom in Lake Taihu.J Freshw Ecol，2012，27（2）：243-258.［31］ Wetzel RG.Limnology：Lake and river ecosystems.Access Online via Elsevier，2001：229-266.［32］ Small GE，Cotner JB，Finlay JC etal.Nitrogen transformationsat the sediment-water interface across redox gradients in the laurentian great lakes.Hydrobiologia，2014，731（1）：95-108.［33］ Yang L，Choi JH，Hur J.Benthic flux of dissolved organicmatter from lake sediment at different redox conditions and the possible effects of biogeochemical processes.Water Research，2014，61：97-107.［34］ Malecki LM，White JR，Reddy KR.Nitrogen and phosphorus flux rates from sediment in the lower st.Johns river estuary. Journal of Environmental Quality，2004，33（4）：1545-1555.［35］ Roy ED，Nguyen NT，Bargu S etal.Internal loading of phosphorus from sedimentsof lake pontchartrain（louisiana，USA）with implications for eutrophication.Hydrobiologia，2012，684（1）：69-82.［36］ Roy ED，White JR.Nitrate flux into the sediments of a shallow oligohaline estuary during large flood pulses of Mississippi Riverwater.Journal ofEnvironmental Quality，2012，41（5）：1549-1556.［37］ Wang Miao，Yan Hong，Jiao Lixin etal.Characteristicsof internal nitrogen loading and influencing factors in Dianchi Lake sediment.Chin Environ Sci，2015，35（1）：218-226.［汪淼，严红，焦立新等.滇池沉积物氮内源负荷特征及影响因素.中国环境科学，2015，35（1）：218-226.］［38］ Li Bao，Ding Shiming，Fan Chengxin et al.Estimation of releasing fluxes of sediment nitrogen and phosphorus in Fubao Bayin Dianchi Lake.Environmental Science，2008，29（1）：114-120.［李宝，丁士明，范成新等.滇池福保湾底泥内源氮、磷营养盐释放通量估算.环境科学，2008，29（1）：114-120.］。
大规模水面与三维流体的实时模拟的开题报告
大规模水面与三维流体的实时模拟的开题报告一、课题背景在计算机图形学的领域中，水面和流体的模拟一直是一个备受关注的研究课题。
随着计算机图形学技术的不断发展和硬件设备的不断升级，越来越多的研究者致力于实现大规模水面和三维流体的实时模拟。
二、研究内容本课题的研究内容是大规模水面和三维流体的实时模拟。
具体来说，我们将研究以下几个方面：1. 大规模水面的模拟：研究如何实现大尺度水面的模拟，如海洋、湖泊等。
我们将研究不同的算法和技术，如基于物理仿真的方法、基于计算流体力学的方法、基于格子的方法等。
2. 流体的模拟：研究如何实现三维流体的模拟，如烟雾、火焰等。
我们将研究不同的算法和技术，如拉格朗日法、欧拉法、混合欧拉-拉格朗日法等。
3. 实时性：本课题的重点是实现大规模水面和三维流体的实时模拟。
我们将研究如何提高模拟的实时性能，如并行计算、加速算法等。
三、研究意义实现大规模水面和三维流体的实时模拟对于游戏、电影等图形应用领域具有重要的意义。
通过实时模拟，可以增强用户体验，提高图形应用的吸引力和可玩性。
此外，实现大规模水面和三维流体的实时模拟还对地球科学、气象学等领域的研究具有一定的作用。
四、研究方法本课题将主要采用以下研究方法：1. 文献调研：收集与大规模水面和三维流体的实时模拟相关的文献，了解当前已有的研究成果和研究方法。
2. 算法设计：设计适用于大规模水面和三维流体实时模拟的算法，考虑实时性和精度的平衡。
3. 程序实现：使用计算机语言实现所设计的算法，并对程序性能进行测试和优化。
4. 实验验证：通过实验验证算法的正确性和可行性，对算法进行改进和优化。
五、预期成果通过本课题的研究，我们将实现大规模水面和三维流体的实时模拟，并在此基础上探索更高效的算法和技术。
本课题的预期成果包括：1. 大规模水面和三维流体的实时模拟程序。
2. 针对实时模拟算法的优化、加速等技术。
3. 发表论文若干，为相关领域的研究提供一定的参考。
长江河口南支太仓段水动力及水质三维数值模拟研究的开题报告
长江河口南支太仓段水动力及水质三维数值模拟研究的开题报告一、研究背景随着经济的发展和城市化进程的不断加速，沿海地区的水环境越来越受到关注，长江河口南支太仓段作为长三角地区著名的工业港口地区之一，在近年来也受到了广泛关注。
然而，由于地理位置和交通条件等原因，这一地区的水动力和水质状况的监测和管理存在一定的困难。
因此，该研究旨在通过三维数值模拟的方法，对长江河口南支太仓段水动力和水质状况进行研究，提供科学的监测和管理手段。
二、研究目的1. 建立长江河口南支太仓段水动力和水质数学模型，研究其水动力和水质状况。
2. 分析水动力和水质状况对港口周边环境的影响。
3. 探讨长江河口南支太仓段水动力和水质监测与管理的科学手段。
三、研究内容1. 收集长江河口南支太仓段有关监测数据和地理信息资料。
2. 建立水动力和水质三维数学模型，模拟长江河口南支太仓段水动力和水质状况。
3. 对模拟结果进行分析，探讨水动力和水质状况对周边环境的影响。
4. 研究长江河口南支太仓段水动力和水质监测及管理的可行性，探讨科学的监测和管理手段。
四、研究方法1. 收集长江河口南支太仓段有关监测数据和地理信息资料。
2. 利用三维数值模拟方法，建立长江河口南支太仓段水动力和水质数学模型，分析并预测水流速和水质状况。
3. 利用基于GIS的可视化技术，对模拟结果进行展示。
4. 结合实测数据和模型结果，探讨长江河口南支太仓段水动力和水质监测以及管理的可行性和科学性。
五、研究意义1. 为长江河口南支太仓段水动力和水质监测及管理提供科学依据，为沿海地区的环境保护提供技术支持。
2. 推动水动力和水质模型研究的发展，为长江流域的水资源管理提供参考与借鉴。
3. 拓展三维数值模拟的应用领域，提高模型准确度和实用性。
鄱阳湖三维水质模拟软件设计与仿真
鄱阳湖三维水质模拟软件设计与仿真邹友琴;钟茂生;周文斌【期刊名称】《南昌大学学报（理科版）》【年(卷),期】2012(036)001【摘要】随着鄱阳湖生态经济区建设的推进,鄱阳湖水环境保护问题引起了各方高度关注.通过建立水质数学模型,用计算机进行模型求解、模拟和预测,以及设计相应的水质模拟仿真软件来进行水污染扩散仿真,是水污染控制和水环境管理的有效手段.鉴于国外三维水质数据模拟软件价格高、使用受限以及鄱阳湖三维水质数据模拟的特定应用研究需求,利用软件工程的结构化方法和图形可视化技术,设计了一个面向鄱阳湖三维水质数据模拟和分析的软件工具WSAT/H3D-PYH.通过使用该软件进行BOD和DO扩散模拟和趋势预测实验表明,软件具有较好的预测精度,并能以可视化形式直观分析和预测未来一段时间湖区水质浓度的变化趋势.此外,软件还可对局部点污染源扩散进行动态模拟,以便于对突发污染事件可能造成的后果进行提前的估计,为后续治理方案措施的制定提供很好的依据.%With the development of the Poyang Lake Ecological Economic Zone,the problem of water environmental protection for Poyang Lake caused great concern. By mathematically modeling the water quality, and using the computer to obtain the model solution, water quality simulation or prediction,we could design the corresponding water quality simulation software to simulate the diffusion of sewage,which is an effective means of water pollution control and water environment management of Poyang Lake. Because of several reasons,such as the extortionate price,the restricted usage of theforeign three-dimensional water quality simulation software and the specific applied research needs for the three-dimensional water quality simulation of Poyang Lake, it designed the WSAT/H3D-PYH, a software tool to simulate and analyze the three-dimensional water quality of Poyang Lake. The structured development methodology of software engineering and the graphical visualization techniques were employed in this software. The experiments of BOD and DO dispersion simulation and trend prediction based on the software tool indicated that there was good prediction accuracy,and the water quality trends of the future period of time could be analyzed and predicted visually. Meanwhile,the tool could execute the dynamic simulation for the pollution dispersion of the local point sources of pollution, which should facilitate to estimate the aftereffect for the unexpected pollution events in advance, and provide an excellent basis for setting down a sound follow-up treatmentmeasures.【总页数】6页(P91-96)【作者】邹友琴;钟茂生;周文斌【作者单位】南昌大学环境与化学工程学院,江西南昌 330031;南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西南昌 330047;华东交通大学信息工程学院,江西南昌 330013;南昌大学环境与化学工程学院,江西南昌 330031;南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西南昌 330047【正文语种】中文【中图分类】X171【相关文献】1.基于WASP模型的水质模拟研究——以鄱阳湖南矶山断面为例 [J], 任宗仲;陈艳艳;曹俊秀2.CFD软件在景观湖水质模拟中的应用 [J], 许玮3.基于水质模拟系统软件计算下的某河流水质状态分析研究 [J], 谢政廷;顾峰;尤维锋;蒋晓君4.基于水质模拟系统软件计算下的某河流水质状态分析研究 [J], 谢政廷;顾峰;尤维锋;蒋晓君5.基于TITech-WARM的官厅水库三维水质模拟 [J], 蒋卫威;鱼京善;中村恭志;余富强;李占杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。