湖泊群水环境数学模型及其应用研究

发布时间：2017-09-11 14:02

  本文关键词：湖泊群水环境数学模型及其应用研究

  更多相关文章： 水动力学 水环境 江湖连通 长江 湖泊群 调度模式 静压假定 非静压模型 水温 水质 动压

【摘要】：湖泊作为陆地上最为重要的水资源载体之一，是人类赖以生存和可持续发展的自然依托，但以湖泊富营养化为代表的诸多水环境问题，已成为我国经济发展的瓶颈。近年来，江（河）湖连通作为人们遏制湖泊富营养化的新途径，在长江中下游湖群中进行了大量尝试，并被确定我国在新时期的重要水利发展战略。对于连通工程形成的“自然－人工”复合水系，连通方式的选择和连通效应的评估是两大核心问题，直接关系到连通工程对湖泊水环境的改善效果，而湖泊水环境数学模型作为解决这两个问题的重要途径，，一直是江（河）湖连通研究领域的热点和前沿。 湖泊水环境数学模型是以湖泊水动力学模型为基础，并与水质模型和水温模型耦合后得到的。本文首先以武汉“大东湖生态水网构建工程”所涉及的湖泊群为对象，基于静压水动力学模型建立了湖泊群水环境数学模型，对连通工程的引水调度模式和水环境效应进行了研究。鉴于静压模型无法模拟地形突变区的水流和短波等存在明显垂向流动的水流现象，应用对象的范围有限，本文又分别建立了平面二维和垂向二维的非静压水动力学模型，并对模型的多种求解方法和计算效率作了创新性的科学研究工作。主要工作和创新性成果如下： （1）以沙湖、东湖、严西湖和北湖组成的大型城市湖泊群为研究对象，建立了平面二维湖泊群水动力－水质模型，模拟分析了三种引水调度模式的湖泊群水质改善效果，提出了推荐调度模式。然后对推荐调度模式的三种引水规模进行了模拟，分析了引水规模与水质改善效果之间的关系，为连通工程的实施提供了科学的决策依据。 （2）以沙湖和东湖为研究对象，建立了三维湖泊水动力－水温－水质模型，以气温典型年为背景，模拟了江湖连通前和江湖连通后（推荐调度模式）两种情景，通过对比两种情景下的湖流运动规律、子湖间水体交换和温度场，分析了江湖关系变化的水动力与水环境效应。此外，通过分析江湖连通后湖泊群的水体置换率和总磷变化情况，探索性的提出了“三循环”调度策略。 （3）推导了非静压的平面二维水动力学控制方程，并分别采用显格式法、θ法和新ADI法对其进行求解。其中新ADI法不仅避免了前两种求解方法中须将开边界动压设为零的通行做法，更加符合真实情况，而且还具有极高的计算效率。 （4）针对目前已有的非静压垂向二维水动力学模型将水体进行分层而求解效率低的问题，提出了一种单层模式的非静压垂向二维水动力学模型，大大提高了模型的计算效率，同时也具有较高的精度。 最后，总结了本文的研究成果，提出了今后进一步研究的方向。
【关键词】：水动力学 水环境 江湖连通 长江 湖泊群 调度模式 静压假定 非静压模型 水温 水质 动压
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X143
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-25
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 静压模型研究进展12-13
• 1.3 江湖连通工程研究进展13-18
• 1.4 非静压水动力学模型研究进展18-23
• 1.5 本文主要研究内容23-25
• 2 湖泊群水动力－水质模型及引水调度模式研究25-38
• 2.1 研究区域概况25-27
• 2.2 湖泊群水动力－水质模型27-32
• 2.3 引水调度模式设计32-33
• 2.4 湖泊群水质模拟计算33-35
• 2.5 引水规模研究35-37
• 2.6 本章小结37-38
• 3 湖泊群水动力－水温－水质模型及水环境效应分析38-58
• 3.1 湖泊群水动力－水温－水质模型38-45
• 3.2 模拟情景45-46
• 3.3 水动力与水环境效应46-52
• 3.4 引水调度策略研究52-57
• 3.5 本章小结57-58
• 4 非静压平面二维水动力学模型58-100
• 4.1 控制方程58-60
• 4.2 显格式法60-73
• 4.3 Θ法73-80
• 4.4 新 ADI 法80-98
• 4.5 本章小结98-100
• 5 单层模式的非静压垂向二维水动力学模型100-111
• 5.1 控制方程100-103
• 5.2 离散与求解103-105
• 5.3 模型验证105-109
• 5.4 计算效率109-110
• 5.5 本章小结110-111
• 6 总结与展望111-114
• 6.1 总结111-112
• 6.2 展望112-114
• 致谢114-115
• 参考文献115-131
• 附录 1：攻读博士期间发表的论文131-133
• 附录 2：攻读博士期间完成和参与的科研项目133

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王玲;沈家涛;;“引江济巢”调水试验对巢湖水环境的影响分析[J];安徽水利水电职业技术学院学报;2009年02期

2 孙先;杨文俊;王国栋;;基于σ坐标变换和水位函数法的立面二维水动力学模型[J];长江科学院院报;2012年07期

3 马巍;廖文根;李锦秀;彭静;禹雪中;;引水调控改善太湖湖湾水环境及其效果预测[J];长江流域资源与环境;2007年01期

4 赵琰鑫;张万顺;吴静;王艳;;水利调度修复东湖水质的数值模拟[J];长江流域资源与环境;2012年02期

5 张军花;项久华;丘汉明;蔡劲松;;“大东湖”生态水网构建工程总体构架设计[J];城市道桥与防洪;2008年10期

6 夏军;高扬;左其亭;刘晓洁;陈庆美;窦明;;河湖水系连通特征及其利弊[J];地理科学进展;2012年01期

7 逄勇，濮培民;太湖风生流三维数值模拟试验[J];地理学报;1996年04期

8 周俊,李国斌,梁震,王焰新,蔡鹤生;引水冲污工程治理东湖磷污染[J];环境科学与技术;2002年04期

9 梁瑞驹,仲金华;太湖风生流的三维数值模拟[J];湖泊科学;1994年04期

10 张利民,濮培民,大西行雄;一个三维斜压水动力模型的建立及其在日本琵琶湖中的应用[J];湖泊科学;1996年01期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王学立;东湖生态水网工程调度模型及其应用研究[D];华中科技大学;2008年

2 胡德超;三维水沙运动及河床变形数学模型研究[D];清华大学;2009年

本文编号：831126