东湖生态水网工程调度模型及其应用研究

发布时间：2020-06-22 17:23

【摘要】： 过去几十年间,以资源过度消耗为支撑的社会经济的高速发展,给湖泊水环境带来了前所未有的压力,使湖泊自身的环境状况发生了巨大的变化。以太湖、巢湖和滇池为代表的“三湖”,走过了一条“先污染再治理、边治理边污染”的道路,多年的水环境治理没有从根本上扭转其污染日益恶化的趋势,水质好转的目标也未能实现。当前,我国正处在推进资源节约型、环境友好型社会(简称“两型社会”)建设的新时期,社会对水环境治理的需求发生了很大的变化,必须抛弃不适应社会发展的“先污染再治理、边治理边污染”的治理思路。在这一新的时代背景下,武汉市在“大东湖”地区开展了大东湖生态水网构建工程的湖泊水环境治理与修复实践,以期通过污染控制、水网连通和生态环境修复等措施,实现大东湖地区水生态环境的综合治理,促进区域内的经济结构调整,探索符合时代发展趋势的城市内湖污染控制、治理及恢复的新思路与新途径。湖泊水环境受气象、水文、生化等多方面的影响。在风力、出入流等自然因素作用下产生的湖泊水体运动,是湖泊水环境研究的基础。尤其是在一些浅水湖泊中,这一水动力过程在很大程度上决定着水质的变化和悬移质的输移,从而深刻地影响着湖泊的水环境健康状况。大东湖生态水网构建工程遵循湖泊水环境演变的自然规律,将东湖与长江重新连通,以从长江引水为手段,通过科学调度,达到加速东湖水环境自我修复的目的。对于东湖生态水网工程的调度运行,姜铁兵提出了“大连通,小循环;慎引水,勤调度”的理念。实现这个理念目标,需要对不同方案下东湖水动力过程进行深入地研究,明确引水对东湖的水生态环境将要产生的影响。本文以东湖为研究对象,针对大东湖生态水网的构建,建立东湖生态水网工程调度模型(DENED),从理论方法和技术层面上对大东湖生态水网工程的引水调度运行进行研究。DENED模型以1978年7、8月份的实测气象数据为背景,对东湖现状条件下、东湖生态水网工程一期运行、二期运行和拆除湖中部分隔堤等不同方案下东湖的湖流运动模式以及水温和水质的变化进行了模拟,并从水温、水体更新率和水质等方面对不同方案下东湖生态水网工程调度运行效果进行了评价,比较了调度方案的优劣,提出了东湖生态水网工程初步的调度运行过程。本文的研究内容主要分两部分:一是在湖泊水动力学的基础上,根据东湖生态水网工程调度的虚拟边界,建立了东湖生态水网工程调度的DENED模型;二是以实测数据为背景,运用DENED模型对不同的调度方案进行了模拟分析和研究。本文主要的研究成果和创新总结如下: 1.建立了东湖调度的虚拟边界。运用隔板和源汇的概念对东湖中的隔堤以及东湖生态水网工程的引水口出水口进行了概化,初步地解决了东湖湖区分割的问题,得以从整体上对东湖进行数值模拟,便于在东湖生态水网工程的不同调度方案下运用。 2.以湖泊水动力学理论为基础,运用东湖调度的虚拟边界,建立了东湖生态水网工程调度模型。 3.提出了东湖生态水网工程调度运行的初步方案。在工程运行的初始阶段,考虑湖区水质的优劣次序,不使用后湖湖区的出水口,东湖生态水网在一期工程条件下运行;运行40天后,按东湖生态水网二期工程全调度运行;待全湖水体水质趋于稳定后,对湖中的隔堤进行拆建改造,消除湖区间水体运动的障碍,以充分发挥东湖生态水网的工程效益。本文的研究对象为处于湿润地区的、国内最大的城中湖——武汉东湖,研究具有鲜明的地域特色。本文的研究结果可以为武汉大东湖生态水网工程的实施提供决策支持和理论依据,对武汉市促进“大东湖”地区水生态环境治理、推进“两型社会”综合改革试验区的探索具有积极的意义。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X524
【图文】：

示意图,隔堤,方向,示意图

关注关键的主要湖区，合并次要的湖区。图2一2东湖引水方向示意图2.2.2概化方法根据上述原则，在对隔堤进行虚拟概化时，首先将东湖的9个湖区合并成5个关键的湖区，郭郑湖区、汤菱湖区、团湖后湖湖区、宵箕湖区、水果湖区和官桥湖区。其次，采用隔板的概念对湖区间的隔堤进行近似。东湖中隔堤的宽度大约在1小20m之间，隔堤上有桥涵闸门控制湖区间的连通。这些隔堤与东湖及其湖区的空间尺度相比，其尺寸是较小的，但它阻碍了湖区间的水体交换。虽然隔堤上有桥涵将各个湖区连通起来，但桥涵孔口的尺寸不足以实现湖区间的水体交换，且有些涵闸的设计目的本身就不是用来在湖区间进行水体交换的，并不能消除隔堤的阻碍作用。为此，采用隔板的概念模拟隔堤对湖区间水体交换的阻隔，又能从整体上对东湖进行建模。在建立模型对东湖计算域进行离散时，根据隔堤比较狭窄的特性以及隔堤的大---.~~~~~~~....~~~~~~曰.......~~~19

平面分布,东湖水,高程基准,黄海

华中科技大学博士学位论文化后得到的东湖湖盆的数字高程模型数据DEM。图3一2是应用Gls对东湖水下DEM进行地形分析后得到的湖盆坡度的平面分布。由图3一2的坡度分级显示结果可知，东湖除靠近湖岸的区域坡度较陡、坡度大于0.5度外，东湖大部分开敞湖区湖盆浅平，坡度小于0.5度。图3一3是东湖湖盆坡度的统计结果。东湖湖盆坡度标准差约为0.4度，小于平均坡度的区域约占全湖面积的68.7%，而3倍标准差之外的区域仅占全湖面积的1.9%。东湖湖盆平均坡度约为0.3度，平均坡降(坡度的正切值)为0.0052，与历史文献记载的19705年代末东湖自北而南的平均坡降为0.0053[’37]的情况相符，可近似取湖底坡降为千分之五。由分析可知

【引证文献】