汾河水库富营养化演变机理研究

发布时间：2017-09-18 00:16

  本文关键词：汾河水库富营养化演变机理研究

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【摘要】：北方干旱地区的水库具有多项功能,如防洪、灌溉、城市供水等,受天然径流补给不足、纳污量大影响,近年来富营养化问题时有发生,因此,对其进行富营养化控制研究具有重要意义。本文以汾河水库为研究载体,将水动力模型、物质输移扩散模型、富营养化生命过程相结合,建立起富营养化耦合模型,从实际水文、气候、气象条件出发,模拟分析叶绿素a、透明度、总氮、总磷等因子的输移扩散规律及时空分布规律,从而掌握汾河水库富营养化的演变机理。研究成果具有一定的理论意义和实用价值。研究成果如下:(1)针对北方干旱地区水库的共性,应用系统化的思想方法,利用GIS技术进行边界数字化,采用三角网格建立平面网格系统,差值获取并导入水深文件,经三角内插及边界外延生成数值地形;再经差值获得时间序列;之后将水动力模型与物质输移扩散模型进行一次耦合,再与一系列复杂的富营养化生命过程进行二次耦合,生成水库富营养化耦合模型;以实测数据对模型进行多次参数率定与验证获取最佳参数组合,模拟分析水库水体中各种营养物质的输移扩散及时空分布规律,最终形成了一套定量化研究干旱地区水库富营养化问题的技术方法体系。(2)分析确定风、进出水为水动力的主要影响因子;利用区域气象资料、入库径流量及水库实际运行工况等,通过插值获得相应时间序列,进行水库水动力模拟;选取总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素-a(Chl-a)、透明度(sd)作为输出因子,进行水库富营养化模拟,以实测数据进行了模型参数率定与模型验证。(3)水动力模拟分析得:1)不同进水条件仅对入库口附近水体的流速影响较为明显;2)放水和不放水两种情况下,水库下游及坝址附近水体流速的变化较为明显;3)风场对水库水体运动的流速及流向的影响都较为明显。静风条件下,水库水体整体流速较小,且流向差异不大;而西南风和西北风条件下,水流流速明显增大,流向的差异性也较大;4)西北风条件下水体流速整体大于西南风;5)水库宽广区域由于易形成环流,水流流速明显大于其它区域。可见,对于汾河水库来说,风场条件是影响其水动力状况的首要驱动因子,风生流是其流场的主要流动形式。(4)富营养化模拟分析得:1)水库内叶绿素浓度从3月份开始呈上升趋势,7、8月浓度达到峰值,期间有短暂的波动变化;9月以后,随着温度的下降,叶绿素浓度也呈逐渐下降的态势;2)5月左右tn、tp浓度有明显下降,但营养物质的浓度并没有一直下降,7-8月浓度达到峰值;10月以后氮、磷的浓度再次下降,而11月左右由于浮游植物的死亡和分解其浓度又略有上升;之后,tn和tp浓度变化微小,呈现缓慢下降的态势;3)进出水条件相同时,风向不同,营养物质的输移扩散作用也不相同,扩散速度西南风西北风静风。4)上游来水短时间内对水库水体起到冲刷净化作用,使其透明度整体有所提升,但高浓度营养物质的输入又造成水库水质的恶化,水库中上游区域的反应尤为明显。5)高浓度的营养物质随上游来水进入库区后,水库中心区域的污染物扩散较快,而两岸的扩散相对较慢,稀释扩散范围也更小,导致岸边水质比中心水质略差。(5)根据模拟因子,建立评价模型,确定分级标准,对各特征点的营养状态进行计算,并生成水库整体营养状态评价图,结果表明:12~3月期间,汾河水库整体处于中营养状态,且下游情况相对较好;其余时段情况较差,尤其是水库中上游区域,在4~6月及10~11月期间,该区域处于轻度富营养状态;全年中,7月和8月情况最差,水库中上游部分区域已发生明显的富营养化,即中度富营养化。从营养物质、水文、气候、气象等条件对水库富营养化机理进行分析知,在汾河水库富营养化的演变过程中,水温、风场及进出水条件是影响力较大的三类驱动因子,P是首要的内源限制因素,其浓度普遍超过国际上通行的湖库富营养状态磷负荷标准(0.02mg/L)的1~5倍。本文将水动力模型、输移扩散模型和复杂的生物过程进行融合建立富营养化耦合模型,选取四类最具代表性的因子对汾河水库富营养化状况进行模拟,采用综合营养状态指数法从时间和空间两方面对水库的营养状态进行了全方位评价与分析,研究成果具有一定的新意,可为汾河水库的污染治理及富营养化控制提供一定的技术参考。
【关键词】：北方地区 汾河水库 饮用水源 富营养化耦合模型 综合营养状态指数
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X524
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 概述14-24
• 1.1 引言14-15
• 1.1.1 研究背景14-15
• 1.1.2 研究目的与意义15
• 1.2 研究现状15-20
• 1.2.1 水动力模型15-16
• 1.2.2 水质模型16-17
• 1.2.3 富营养化机理17-18
• 1.2.4 富营养化模型18-20
• 1.3 内容与技术路线20-24
• 1.3.1 研究内容20-21
• 1.3.2 技术路线21-24
• 第二章 水库基础理论24-42
• 2.1 水库水流特征24
• 2.2 水库水质特点24
• 2.3 水库水动力模型24-27
• 2.3.1 三维水动力模型25-27
• 2.3.2 二维水动力模型27
• 2.4 水库水质模型27-28
• 2.4.1 三维水质模型27-28
• 2.4.2 二维水质模型28
• 2.5 水库富营养化主要生命过程28-42
• 2.5.1 浮游植物碳28-30
• 2.5.2 浮游植物氮30-31
• 2.5.3 浮游植物磷31
• 2.5.4 叶绿素a浓度31-32
• 2.5.5 浮游动物32-33
• 2.5.6 腐质碳33-34
• 2.5.7 腐质氮34-35
• 2.5.8 腐质磷35
• 2.5.9 无机氮35-37
• 2.5.10 无机磷37-38
• 2.5.11 溶解氧38-39
• 2.5.12 底栖植物碳39-42
• 第三章 耦合模型构建42-58
• 3.1 耦合模型建立42-44
• 3.2 耦合模型求解44-51
• 3.2.1 模型解法44-46
• 3.2.2 模型算法46-49
• 3.2.3 求解数值的积分方法49-51
• 3.3 模型参数与定解条件51-58
• 3.3.1 模型参数51-55
• 3.3.2 定解条件55-58
• 第四章 汾河水库富营养化数值模拟58-88
• 4.1 区域概况58-62
• 4.1.1 地理位置58
• 4.1.2 气候特点58-61
• 4.1.3 入流与出流方式61-62
• 4.1.4 入流水质62
• 4.2 汾河水库富营养化耦合模型建立62-72
• 4.2.1 边界范围确定62-63
• 4.2.2 网格系统建立63-64
• 4.2.3 数值地形获取64-65
• 4.2.4 模型元素65-67
• 4.2.5 模型参数67-72
• 4.3 率定验证72-74
• 4.4 水动力模拟及结果分析74-78
• 4.4.1 水动力因子选取74-75
• 4.4.2 结果图示75-78
• 4.4.3 结果分析78
• 4.5 富营养化模拟及结果分析78-88
• 4.5.1 输出因子选取78-79
• 4.5.2 结果图示79-86
• 4.5.3 结果分析86-88
• 第五章 汾河水库富营养化评价及机理分析88-94
• 5.1 富营养化评价88-92
• 5.1.1 评价方法88-89
• 5.1.2 分级依据89
• 5.1.3 营养状态评价89-92
• 5.2 富营养化机理分析92-94
• 第六章 结论及建议94-98
• 6.1 结论94-96
• 6.2 建议96-98
• 参考文献98-102
• 致谢102-104
• 本人攻读硕士学位期间发表的学术论文104

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3 孙U，

本文编号：872227