CN103810330A - 一种规划人工水体富营养化预警分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种规划人工水体富营养化预警分析方法，方法包括：根据水体的规划方案对应的数据，建立规划人工水体的三维模型，规划人工水体的三维模型至少包括规划人工水体和周边建筑；根据规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对规划人工水体进行分析，以获取规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果；根据至少一种生态模拟的分析结果评估规划人工水体产生富营养化的风险。通过这种方式，能够在城市规划设计中评估规划人工水体产生富营养化的风险，从而为防范和控制规划人工水体富营养化提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及城市规划设计技术领域，特别是涉及一种规划人工水体富营养化预警分析方法。
背景技术
随着中国经济发展，城镇化进程加快，在用地继续扩张的背景下，对生态环境愈加重视。多数地区在城市规划过程中出于构建生态安全格局、提升区域景观考虑，规划和开挖人工湖泊或者小型支流。人工湖泊或者小型支流一般面积较小、储水量不大，水体的流动性较差，多数情况处于相对静止状态，这些特点导致小型人工湖及较为静止的支流在修建后的两三年里会出现严重的富营养化问题。
目前，在水体富营养化研究方面，与软件结合的应用主要是ELCOM-CAEDYM模型，或者遥感和计算结合流体动力学，这方面的应用主要是综合考虑水负荷、光照、温度、湿度、风向、风速、降雨等水文气象条件和浮游动植物，进行水体现状的富营养化、温度分层情况模拟研究，并与实测值比对，进而对叶绿素a含量、氮磷营养物与水体富营养化进行相关性分析。上述水体富营养化研究方面的技术手段基本是针对现状已存在的湖泊、水库及海湾，而且参数要求过于细致，例如实际的氮、磷元素及叶绿素a含量、水体消光系数、长波辐射表面反射率等，此类数据在规划设计层面难以落实。
城市规划过程中人工水体的引入已成为常态化设计手段，对于人工水体建成后的富营养化程度是环境学家非常关注的问题，而对于此类仅规划而非现状的水体，目前无法在规划设计阶段预测其富营养化范围及程度，仅能基于周边现状及用地类型规划初步估计点源及面源污染情况，针对截污制定相关的规划和控制措施。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种规划人工水体富营养化预警分析方法，能够在城市规划设计中评估规划人工水体产生富营养化的风险，从而为防范和控制规划人工水体富营养化提供依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种规划人工水体富营养化预警分析方法，所述方法包括：根据水体的规划方案对应的数据，建立规划人工水体的三维模型，所述规划人工水体的三维模型至少包括所述规划人工水体和周边建筑；根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析，以获取所述规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果；根据至少一种所述生态模拟的分析结果评估所述规划人工水体产生富营养化的风险。
其中，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：通过物理环境模拟分析软件分析所述规划人工水体的水体表面风场分布，以获得所述规划人工水体的风力扰动区和静风区，从而初步获得所述规划人工水体富营养化影响区域及防控区域，其中，所述风力扰动区为微藻产生的主要区域，所述静风区及下风向湖湾、支流为所述微藻聚集的主要区域，所述风力扰动区为所述规划人工水体富营养化防控区域，所述静风区及下风向湖湾、支流为所述规划人工水体富营养化影响区域。
其中，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：根据全年光照阴影变化模拟分析，通过物理环境模拟分析软件对所述规划人工水体表面进行光照分析，以获取所述规划人工水体中未受周边建筑的阴影遮挡的区域，所述规划人工水体中未受周边建筑的阴影遮挡的区域即为光照区域，是所述规划人工水体的富营养化易发区域。
其中，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行温度与微藻繁殖适应性分析，通过物理环境模拟分析软件模拟分析所述规划人工水体的水温空间分布差异，以便判断所述规划人工水体的水温空间分布差异对所述规划人工水体内部微藻分布的影响。
其中，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行水体富营养化藻种分析，具体是分析所述规划人工水体的周边水体或来水水源的水体发生富营养化的微藻藻种及对应的气候条件，以获得所述规划人工水体可能发生富营养化的潜在微藻藻种及所述潜在微藻藻种对应的适宜性生长气候条件。
其中，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行水体的流动性和换水周期分析，以判断所述规划人工水体出现富营养化的可能性及出现富营养化的程度，其中：所述规划人工水体的水体面积较大时，其换水周期阈值较高，水体面积较小时，其换水周期阈值较低；所述规划人工水体的水流速度大于0.1m/s时，表明所述规划人工水体不易富营养化，所述规划人工水体的水流速小于等于0.08-0.1m/s时，表明所述规划人工水体易富营养化；所述规划人工水体的水体连通率越高，表明所述规划人工水体越不易富营养化。
其中，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行规划水深与风力扰动分析，以判断所述规划人工水体中的营养盐对微藻繁殖的影响，其中：对于浅水型的规划人工水体，风力扰动有利于所述规划人工水体中的营养盐充分混合，利于微藻的繁殖；对于深水型的规划人工水体，风力扰动有利于减少所述规划人工水体中的营养盐含量，不利于微藻的繁殖。
其中，所述根据水体的规划方案对应的数据，建立规划人工水体的三维模型的步骤，包括：以规划人工水体为分析范围，由边界向四周延伸第一距离，确定所述三维模型的建模范围，所述第一距离是所述规划人工水体的水边界至规划人工水体的中心的距离；根据所述规划人工水体底层地形地势、水体深度，通过Sketchup、CAD或GIS软件建立所述规划人工水体的三维模型，其中，所述规划人工水体的水体表面与所述周边建筑的底面在同一水平面。
其中，如评估结果显示所述规划人工水体存在富营养化高风险区域时，所述方法还包括：根据所述规划人工水体的产生富营养化的风险的可能性及严重程度，确定相应的防范和控制所述规划人工水体可能发生富营养化的策略，并反馈调节进行再次评估，直至评估结果显示所述规划人工水体明显减少富营养化高风险区域。
其中，所述物理环境模拟分析软件包括：Fluent、Phoenics、AirPak、CFDRC或Ecotect Analysis物理环境模拟分析软件。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过建立规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对规划人工水体进行分析，从而可以获取规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果，进而评估规划人工水体产生富营养化的风险。通过这种方式，能够在城市规划设计中评估规划人工水体产生富营养化的风险，从而为防范和控制规划人工水体富营养化提供依据。
附图说明
图1是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一实施方式的流程图；
图2是图1所示的步骤S101的的流程图；
图3是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法的具体实施方式的流程图；
图4是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例原始方案三维模型图；
图5是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例原始方案湖体表面温度的物理环境模拟分析软件结果示意图；
图6是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例原始方案湖体表面风速的物理环境模拟分析软件结果示意图；
图7是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例原始方案湖体表面光照模拟分析结果示意图；
图8是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例原始方案微藻大量繁殖区域及聚集区域示意图；
图9是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例调整方案三维模型图；
图10是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例调整方案湖体表面温度的物理环境模拟分析软件结果示意图；
图11是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例调整方案湖体表面风速的物理环境模拟分析软件结果示意图；
图12是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例调整方案湖体表面光照模拟分析结果示意图；
图13是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法一案例调整方案微藻大量繁殖区域及聚集区域示意图。
具体实施方式
下面先介绍下有关水体富营养化的生态学基础原理。
富营养化是指水体由于自然因素或者人类活动干扰使得水中氮、磷等植物生长需要的营养元素含量上升，同时温度、光照条件满足，导致水体中微藻或者水草大量繁殖，引起水体缺氧、水中生物逐渐死亡，产生明显异味及水体景观受影响的现象。
富营养化是水体内因（生物群落构成、微藻种类、水体营养盐含量、水体运动等）及外因（污染、温度、光照、风力等）共同作用引起的，气候因素和突发性外来污染往往是其主要的诱发因素。特别是春夏季节，温度上升，水体内部热力运动加强，营养盐得到混合，达到微藻适宜生长的气候条件时，极易出现富营养化现象。
绝大多数的富营养化表现为微藻大量繁殖。微藻繁殖迅速，不断消耗水中的溶解氧；且其生长周期短，微藻及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，或被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢等有毒气体；某些种类的微藻还会在生长或者被分解阶段释放生物毒素，毒害水生动物。通过以上几个方面，使得水质恶化，造成鱼类和其它水生生物大量死亡。微藻及其它浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养元素释放到水中，供新一代微藻或其他生物利用。因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。
因此，控制富营养化的最优方法就是预防富营养化的产生或者降低富营养化的程度。对于人工建设的水体，在设计阶段就考虑防控富营养化是最为经济和有效的手段。
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
参阅图1和图2，图1和图2是本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法两个实施方式的流程图，包括：
步骤S101：根据水体的规划方案对应的数据，建立规划人工水体的三维模型，规划人工水体的三维模型至少包括规划人工水体和周边建筑。
三维模型是物体的多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。显示的物体是可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。三维模型经常用三维建模工具专门的软件生成，但是也可以用其它方法生成。作为点和其它信息集合的数据，三维模型可以手工生成，也可以按照一定的算法生成。目前建模方法，大体上有三种：第一种方式利用三维软件建模；第二种方式通过仪器设备测量建模；第三种方式利用图像或者视频来建模。
人工水体在建造之前，一般都有规划方案，依据规划方案对应的数据，即可建立规划人工水体的三维模型。由于周边建筑对规划人工水体的光照有影响，因此，规划人工水体的三维模型至少包括规划人工水体和周边建筑，当然也可以包括道路布局或其它对象。
具体来说，请参见图2，步骤S101包括：子步骤S101a和子步骤S101b。
子步骤S101a：以规划人工水体为分析范围，由边界向四周延伸第一距离，确定三维模型的建模范围，第一距离是规划人工水体的水边界至规划人工水体的中心的距离。
子步骤S101b：根据规划人工水体底层地形地势、水体深度，通过Sketchup、CAD或GIS软件建立规划人工水体的三维模型，其中，规划人工水体的水体表面与周边建筑的底面在同一水平面。
通过Sketchup、CAD或GIS等软件，可以建立较为精确的三维模型。
步骤S102：根据规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对规划人工水体进行分析，以获取规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果。
模拟技术是指利用相似原理，建立研究对象的模型（如形象模型、描述模型、数学模型），并通过模型间接地研究原型规律性的实验方法。生态模拟技术主要的生态模拟参数包括光环境模拟、环境噪声模拟、可视度模拟以及风环境模拟等，在实际应用中，生态模拟技术主要是通过专业的物理环境模拟分析软件对噪声分布、日照时间及遮挡、太阳辐射、可视度以及风环境（风速、风压以及弱风区分析）等进行模拟和分析，并根据得到的结果对方案和布局进行优化。
如前所述，水体富营养化的影响因素主要包括内因和外因，内因包括：生物群落构成、微藻种类、水体营养盐含量、水体运动等，外因包括：污染、温度、光照、风力等。根据规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对规划人工水体进行分析，最终是希望获取规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果，以便于评估水体产生富营养化的风险。
在实际应用中，规划人工水体分析模型（包括周边建筑及道路三维模型）建好后，导入物理环境模拟分析软件，按照物理环境模拟分析软件的模拟要求建立物理环境分析模型，设定模拟的边界条件及初始参数。例如：通过Phoenics软件模拟，除已建的水体、建筑及道路模块外，需另外设置SUN、WIND、PLATE、GRASS模块。由于冬季温度平均较低，不易满足微藻生长所需温度条件，因此水体富营养化现象主要出现在春、夏、秋三个季节，并以夏季较为严重。根据当地实际气象数据，设置模型边界条件，包括大气温度、气压、风速、风向、太阳辐射强度、地面粗糙度，建立相应风向风速模拟模型。同时，分析规划人工水体周围原有湖泊或者河流水温情况，依据模拟需要，设置湖泊相关参数，包括水温、发射率、传热系数等。
步骤S103：根据至少一种生态模拟的分析结果评估规划人工水体产生富营养化的风险。
通过至少一种生态模拟的分析结果评估规划人工水体产生富营养化的风险，包含水体富营养化影响因素越多的生态模拟的分析结果，对规划人工水体产生富营养化的风险的评估也会越精确。
总之，本发明实施方式通过建立规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对规划人工水体进行分析，从而可以获取规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果，进而评估规划人工水体产生富营养化的风险。通过这种方式，能够在城市规划设计中评估规划人工水体产生富营养化的风险，从而为防范和控制规划人工水体富营养化提供依据。
上述步骤S102中根据规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对规划人工水体进行分析，以获取规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果，具体内容请参阅图3，通过图3的具体实施方式可以将规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度六种分析结果结合起来，一起考虑规划人工水体产生富营养化的风险，当然单独其中任何一种或一种以上的分析结果的分析方法都是一样的，在此不再单独赘叙。
本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法的具体实施方式如图3所示，其包括以下步骤：
步骤S201：对规划人工水体进行水体富营养化藻种分析，具体是分析规划人工水体的周边水体或来水水源的水体发生富营养化的微藻藻种及对应的气候条件，以获得规划人工水体可能发生富营养化的潜在微藻藻种及潜在微藻藻种对应的适宜性生长气候条件。
不同水体表面风场对不同种类微藻的大量繁殖的影响存在差异，因此，必须首先分析规划人工水体附近周边湖泊或其他淡水水体发生富营养化的主要微藻藻种及对应的气候条件，例如水华发生时期的水温、气温、光照、风向风速数据。特别是对规划人工水体来水水源的历史富营养化资料进行分析，得出来水水源潜在的富营养化藻种。
例如富营养化最为常见的浮游蓝藻、微囊藻、硅藻或丝状藻（绿藻、蓝藻、黄藻）等，浮游蓝藻与微囊藻为喜静风微藻，风力对水体的扰动能抑制此种微藻的大量繁殖；而微流动的水有利于硅藻及丝状藻快速繁殖和扩散。一般情况下，硅藻是作为水生动物的食物来源，附着于湖泊底层的丝状藻可净化水质，极端情况下才会产生硅藻或丝状藻藻华，产生景观感官污染。而蓝藻及微囊藻是藻华发生的常见藻种，同时较易产生生物毒素，对水生态系统危害极大。
通过对规划人工水体的藻种分析，能够得出规划人工水体富营养化常见藻种及其适宜性生长气候条件。
步骤S202：对规划人工水体进行水体的流动性和换水周期分析，以判断规划人工水体出现富营养化的可能性及出现富营养化的程度，其中：规划人工水体的水体面积较大时，其换水周期阈值较高，水体面积较小时，其换水周期阈值较低；规划人工水体的水流速度大于0.1m/s时，表明规划人工水体不易富营养化，规划人工水体的水流速小于等于0.08-0.1m/s时，表明规划人工水体易富营养化；规划人工水体的水体连通率越高，表明规划人工水体越不易富营养化。
分析规划人工水体的自身流动性，具体包括规划人工水体与上下游临近水体的连通性以及来水水源的流水量及流速，若为相对闭合性规划人工水体，则考虑换水周期。
相关研究发现天然水体流速为0.3m/s时，水体的运动明显抑制微藻的生长及水华的发生，发生水华的临界值在0.08-0.1m/s之间，因此，规划人工水体的水流速度大于0.1m/s时，表明规划人工水体不易富营养化，规划人工水体的水流速小于等于0.08-0.1m/s时，表明规划人工水体易富营养化；规划人工水体的水体连通率越高，表明规划人工水体越不易富营养化。换水周期阈值是指为了尽可能地预防水体富营养化对水体进行换水的周期。规划人工水体的水体面积较大时，其换水周期阈值较高，水体面积较小时，其换水周期阈值较低。国内长江流域地区大型湖泊，鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖、巢湖的换水周期的天数分别为57天、20天、309天、35天和168天，太湖和巢湖已出现较严重的富营养化现象，其他则只有局部湖湾有富营养化现象发生。
因此分析规划人工水体设计的换水周期及来水水源的流水量及流速可初步判断规划人工水体富营养化的严重程度。
步骤S203：对规划人工水体进行规划水深与风力扰动分析，以判断规划人工水体中的营养盐对微藻繁殖的影响，其中：对于浅水型的规划人工水体，风力扰动有利于规划人工水体中的营养盐充分混合，利于微藻的繁殖；对于深水型的规划人工水体，风力扰动有利于减少规划人工水体中的营养盐含量，不利于微藻的繁殖。
风力扰动对浅水水体与深水水体产生的影响不同，特别是对湖泊会产生显著差异。水深小于6m的属于浅水型水体，水深大于6m的属于深水型水体。
深水水体普遍存在温度分层现象，同时深层水底易缺氧，P～Fe络合物不稳定容易分解，造成沉积物中P元素的释放，使水体中溶解的P元素含量增加。风力的扰动有助于打破温度分层现象，将表层溶解氧含量高的水体带入底层，在富氧状态下，3价的Fe与P元素形成络合物，减少水体中溶解的P元素。而在淡水生态系统中，N元素通常处于饱和状态，P元素含量往往是富营养化现象出现的限制性因素，一旦溶解性P元素在水体中含量升高，在适宜的光照和温度条件下，微藻就会大量繁殖。
一般的人工规划人工水体都属于浅水型，大多数浅水水体不形成分层或只存在短暂的热力分层。浅水水体底层一般不会缺氧，腐殖质等沉积物通常可得到较完全的分解，表层水体受风力扰动，促进水体上下层的混合，利于底层营养盐上浮，同时表层光照强度足，在适宜温度下利于微藻繁殖。
因此，对于规划的人工浅水水体，仅从营养盐混合角度分析，风力扰动利于微藻繁殖，但仍要根据不同种类的微藻进行分析，通常大量繁殖的微藻由于风力的带动作用，不会停留在初始繁殖的水域，会聚集到水面某个区域。
步骤S204：根据全年光照阴影变化模拟分析，通过物理环境模拟分析软件对规划人工水体表面进行光照分析，以获取规划人工水体中未受周边建筑的阴影遮挡的区域，规划人工水体中未受周边建筑的阴影遮挡的区域即为光照区域，是规划人工水体的富营养化高风险区域。
光照是微藻进行光合作用、合成叶绿素、生长繁殖必不可缺的生态因子，是生长的主要能量来源。不同种类微藻具有不同的适光范围，例如蓝藻在高强度光照下，通过碳水化合物的合成与分解，来调节其在水中的浮力，从而进行垂直运动以避免受到高光照的损伤。水体表面光照强度影响微藻的繁殖，无遮挡区域利于水体产生富营养化。
因此，在物理环境模拟分析软件分析中，通过全年光照阴影变化模拟（例如使用Ecotect Analysis软件模拟），可以得到规划人工水体在周边建筑中未受建筑阴影遮挡的范围，仅从光照角度分析，此区域为富营养化易发区域。
其中，物理环境模拟分析软件包括：Fluent、Phoenics、AirPak、CFDRC或Ecotect Analysis等。该类软件的运用主要集中于工业设计，例如化工、燃烧、爆炸、船舶水利、化学反应、流体机械冶金、磁流体、航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面。在城市规划设计行业中用于建筑通风、建筑与周边环境分析，未发现用于研究规划的水体生态系统，特别是在特定地域及规划设计条件下而现状不存在的人工水体。
步骤S205：通过物理环境模拟分析软件分析规划人工水体的水体表面风场分布，以获得规划人工水体的风力扰动区和静风区，从而初步获得规划人工水体富营养化影响区域及防控区域，其中，风力扰动区为微藻产生的主要区域，静风区及下风向湖湾、支流为微藻聚集的主要区域，风力扰动区即为规划人工水体富营养化防控区域，静风区及下风向湖湾、支流即为规划人工水体富营养化影响区域。
对于人工浅水型水体，风力扰动利于微藻繁殖，但由于微藻处于水层表面且处于悬浮状态，易受风力作用形成移动与聚集。开阔的中心水面由于风速较大，不会形成微藻的聚集，微藻易聚集于下风向的相对静风区域、下风向湖湾以及小型支流，例如太湖的富营养化现象最严重的区域位于湖体北面湖湾。
通过物理环境模拟分析软件可以得到水体表面风场分布，分析水体表面风场分布，得到风力扰动区（即风速较大区）及静风区，风力扰动区为微藻产生的主要区域，静风区及下风向湖湾、支流为微藻聚集的主要区域。风力扰动区即为规划人工水体富营养化防控区域，静风区及下风向湖湾、支流即为规划人工水体富营养化影响区域，因此，初步得到规划人工水体富营养化影响区域及防控区域。
步骤S206：对规划人工水体进行温度与微藻繁殖适应性分析，通过物理环境模拟分析软件模拟分析规划人工水体的水温空间分布差异，以便判断规划人工水体的水温空间分布差异对规划人工水体内部微藻分布的影响。
温度对微藻细胞内的代谢过程在不同程度上具有调节作用。当光照和营养盐处于饱和条件下，不同的浮游微藻具有不同的临界和最大生长温度，蓝藻的最适生长温度为25-35℃，硅藻适应的温度范围较广，在15-35℃之间均可生长良好，但以20～30℃时为最佳。
通过物理环境模拟分析软件分析规划人工水体的水温空间分布差异对规划人工水体内部微藻分布的影响，从而初步判断规划人工水体富营养出现的可能性及程度。同一水体温度空间分布差异不显著，对水体内部微藻的分布影响不显著。
步骤S207：根据规划人工水体的产生富营养化的风险的可能性及严重程度，确定相应的防范和控制规划人工水体可能发生富营养化的策略，并反馈调节进行再次评估，直至评估结果显示规划人工水体明显减少富营养化高风险区域。
水体富营养化主要表现在微藻的大量繁殖，而微藻繁殖除了需要水体本身N、P等营养物质外，光照、温度及风力扰动对微藻繁殖起关键性触发作用。由于是规划人工水体，暂不考虑周边输入性营养源，仅基于水生态系统内部机理及气候因素产生的干扰进行分析。
结合物理环境模拟分析软件的模拟结果，通过综合分析水体深度、来水水源流速、微藻种类、水体温度、光照及形态，最终得出规划人工水体富营养化影响（微藻聚集）区域与富营养化防控（微藻繁殖）区域。
根据规划人工水体的产生富营养化的风险的可能性及严重程度，后续可提出调整方案，并反馈调节进行再次评估，直至评估结果显示规划人工水体明显减少富营养化高风险区域。例如：改变水体形态，在富营养化高发时期，主风频下风向区域尽量避免规划湖湾及小支流；或者调整周边建筑高度及布局，增大湖湾及小支流风速，减少出现下风向小面积静风区。
如果通过多次调整方案后，仍然不能避免规划人工水体发生富营养化的风险，那么在规划人工水体后期进一步施工设计阶段，亦可提出相应的控制规划人工水体发生富营养化风险的策略，例如：在水体的微藻大量繁殖区及聚集区采用生态水体修复技术，运用沉水、挺水、浮水大型水生植物进行水体营养物质净化，放养藻食性鱼类进行生物操纵；运用种间竞争原理，大型水生植物可与微藻进行营养物质、光照竞争，抑制微藻繁殖。
本发明实施方式通过建立规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对规划人工水体进行分析，从而可以获取规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度的分析结果，进而评估规划人工水体产生富营养化的风险。通过这种方式，能够在城市规划设计中评估规划人工水体产生富营养化的风险，进一步根据评估结果，防范和控制规划人工水体富营养化。
下面列举一个具体的案例来说明本发明一种规划人工水体富营养化预警分析方法。
规划人工水体位于山东省滕州市，夏季气压996.3hpa，温度26.0℃，风：SSE、2.2m/s，水体夏季温度22摄氏度，水深5m。
物理环境模拟分析软件及建模软件为：Google Sketchup7、Phoenics2010、EcotectAanalysis2011。
对规划人工水体的富营养化具体分析如下：
（1）富营养化主要藻种：经现状调研，规划区内，周边河流富营养化微藻主要为丝状藻，历史记录表明附近湖泊富营养化出现蓝藻藻华。因气候条件、营养条件不同，出现富营养化的优势藻种会有所差异。
（2）水体换水与流动性：面积为0.46km2，换水周期设计为15天，为两条河流之间联通水域，连通性较好。
（3）水深与风力扰动：平均水深5m，为浅水型湖泊；风力扰动利于营养盐混合，利于微藻繁殖。
（4）物理环境模拟分析软件计算：建立三维模型，其建模范围大于分析范围。湖泊Sketchup模型请参见图4。
物理环境模拟分析软件的模拟结果显示：湖面各处温度差异较小，温差1.2摄氏度，湖体表面温度的物理环境模拟分析软件结果请参阅图5，温度分析图中颜色越深代表温度越低。湖体中部偏南风速最大，可达3.9m/s，风速向岸边逐渐变小，风速最小区出现在西南部建筑群中细长型支流部分以及西北侧、东侧湖湾，湖面基本静止，不受风扰动。但此方案中静风区范围较大，爆发蓝藻藻华的可能性高于丝状藻藻华，总体而言，蓝藻藻华对生态的危害性较大。湖体表面风速的物理环境模拟分析软件结果请参阅图6，风速分析图中颜色越深代表风速越低。
（5）水体表面光照：模拟分析高度为湖面高度。周边建筑层高8-18层，湖泊面积大，建筑面积较小，阴影遮挡范围相对而言很小，主体湖面光照较好，西南部支流受建筑物少量遮挡，光照比例为50%-80%（即全年光照时间内受到阳光直射的时间为50%-80%）。湖体表面光照模拟分析结果请参阅图7，图中颜色越深代表得到光照的时间比例越低。
（6）水体形态与风场干扰下微藻聚集：湖体中部偏南风速最大，可达3.9m/s，湖面受风扰动较大，风力扰动利于丝状藻藻华形成，属于微藻产生的主要区域，也就是规划人工水体富营养化防控区域；风速向岸边逐渐变小，风速最小区出现在西南部建筑群中细长型支流部分以及东侧、西北侧湖湾区，湖面基本静止，不受风扰动，大面积的静风区极可能产生蓝藻藻华，且属于微藻聚集区域，也就是规划人工水体富营养化影响区域。
（7）温度与微藻繁殖适宜性：湖面各处温度差异较小，24.0-25.2℃，温差1.2摄氏度，对微藻分布影响较小。
（8）富营养化高风险范围预警：经以上综合分析，得出规划湖泊微藻大量繁殖区域及聚集区域，请参见图8。
综合以上分析，采取以下措施进行方案调整：近湖建筑密度减少、近湖建筑高度降低、上风向建筑坐向调整、湖泊形态减少湖湾及支流。
调整后的规划人工水体的富营养化具体分析如下：
（1）藻种、水深、换水与流动性分析同上。
（2）三维建模模型如图9所示。
（3）物理环境模拟分析软件模拟结果显示：湖面各处温度差异较小，温差1.1摄氏度，湖体表面温度的物理环境模拟分析软件结果请参阅图10，温度分析图中颜色越深代表温度越低。湖体中部风速最大，可达4.2m/s；风速向岸边逐渐变小，风速最小区出现在西南部建筑群中细长型支流部分以及东北侧建筑背风区，湖面基本静止，不受风扰动。调整后的方案静风区范围明显减少。湖体表面风速的物理环境模拟分析软件结果请参阅图11，风速分析图中颜色越深代表风速越低。
（4）水体表面光照：周边建筑层高3-8层，阴影遮挡对湖面基本无遮挡，湖面光照较好。湖体表面光照模拟分析结果请参阅图12，图中颜色越深代表得到光照的时间比例越低。
（5）水体形态与风场干扰下微藻聚集：湖体中部风速最大，可达4.2m/s，湖面受风扰动较大，风力扰动利于丝状藻藻华形成；风速向岸边逐渐变小，风速最小区出现在西南部建筑群中细长型支流部分以及东北侧建筑背风区，湖面基本静止，不受风扰动。湖体北部及静风支流处于夏季主导风下风向，属于微藻聚集区域，支流部分仍有可能产生蓝藻藻华。
（6）温度与微藻繁殖适宜性：湖面各处温度差异较小，24.4-25.5℃，温差1.1摄氏度，对微藻分布影响较小。
（7）富营养化高风险范围预警：经以上综合分析，得出规划湖泊微藻大量繁殖区域及聚集区域，请参见图13。
综上，两方案对比分析如下：
调整后方案比原方案静风区范围明显减少，即产生有毒有害蓝藻藻华的可能性大为降低，同时藻类聚集区域减少，湖泊景观维持更为容易。
针对调整方案，在生态生物技术运用方面，建议在丝状藻及蓝藻的大量繁殖区及聚集区构建组分及结构较为完整的人工湖泊生态系统，例如构建草型湖泊、放养数量合适的食藻性浮游动物及鱼类，配置适合数量的贝类等，均有利于抑制微藻的大量繁殖。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种规划人工水体富营养化预警分析方法，其特征在于，所述方法包括：
根据水体的规划方案对应的数据，建立规划人工水体的三维模型，所述规划人工水体的三维模型至少包括所述规划人工水体和周边建筑；
根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析，以获取所述规划人工水体的流动性和换水周期、源水藻种、规划水深、水体表面风场、光照及温度中的至少一种分析结果；
根据至少一种所述生态模拟的分析结果评估所述规划人工水体产生富营养化的风险。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：
通过物理环境模拟分析软件分析所述规划人工水体的水体表面风场分布，以获得所述规划人工水体的风力扰动区和静风区，从而初步获得所述规划人工水体富营养化影响区域及防控区域，其中，所述风力扰动区为微藻产生的主要区域，所述静风区及下风向湖湾、支流为所述微藻聚集的主要区域，所述风力扰动区为所述规划人工水体富营养化防控区域，所述静风区及下风向湖湾、支流为所述规划人工水体富营养化影响区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：根据全年光照阴影变化模拟分析，通过物理环境模拟分析软件对所述规划人工水体表面进行光照分析，以获取所述规划人工水体中未受周边建筑的阴影遮挡的区域，所述规划人工水体中未受周边建筑的阴影遮挡的区域即为光照区域，是所述规划人工水体的富营养化易发区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行温度与微藻繁殖适应性分析，通过物理环境模拟分析软件模拟分析所述规划人工水体的水温空间分布差异，以便判断所述规划人工水体的水温空间分布差异对所述规划人工水体内部微藻分布的影响。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行水体富营养化藻种分析，具体是分析所述规划人工水体的周边水体或来水水源的水体发生富营养化的微藻藻种及对应的气候条件，以获得所述规划人工水体可能发生富营养化的潜在微藻藻种及所述潜在微藻藻种对应的适宜性生长气候条件。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行水体的流动性和换水周期分析，以判断所述规划人工水体出现富营养化的可能性及出现富营养化的程度，其中：所述规划人工水体的水体面积较大时，其换水周期阈值较高，水体面积较小时，其换水周期阈值较低；所述规划人工水体的水流速度大于0.1m/s时，表明所述规划人工水体不易富营养化，所述规划人工水体的水流速小于等于0.08-0.1m/s时，表明所述规划人工水体易富营养化；所述规划人工水体的水体连通率越高，表明所述规划人工水体越不易富营养化。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述规划人工水体的三维模型，通过生态模拟技术对所述规划人工水体进行分析的步骤包括：对所述规划人工水体进行规划水深与风力扰动分析，以判断所述规划人工水体中的营养盐对微藻繁殖的影响，其中：对于浅水型的规划人工水体，风力扰动有利于所述规划人工水体中的营养盐充分混合，利于微藻的繁殖；对于深水型的规划人工水体，风力扰动有利于减少所述规划人工水体中的营养盐含量，不利于微藻的繁殖。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据水体的规划方案对应的数据，建立规划人工水体的三维模型的步骤，包括：
以规划人工水体为分析范围，由边界向四周延伸第一距离，确定所述三维模型的建模范围，所述第一距离是所述规划人工水体的水边界至规划人工水体的中心的距离；
根据所述规划人工水体底层地形地势、水体深度，通过Sketchup、CAD或GIS软件建立所述规划人工水体的三维模型，其中，所述规划人工水体的水体表面与所述周边建筑的底面在同一水平面。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，如评估结果显示所述规划人工水体存在富营养化高风险区域时，所述方法还包括：根据所述规划人工水体的产生富营养化的风险的可能性及严重程度，确定相应的防范和控制所述规划人工水体可能发生富营养化的策略，并反馈调节进行再次评估，直至评估结果显示所述规划人工水体明显减少富营养化高风险区域。
10.根据权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于，所述物理环境模拟分析软件包括：Fluent、Phoenics、AirPak、CFDRC或EcotectAnalysis物理环境模拟分析软件。
Priority Applications (3)
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