CN109815608A - 一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法 - Google Patents

一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法 Download PDF

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CN109815608A CN201910098636.7A CN201910098636A CN109815608A CN 109815608 A CN109815608 A CN 109815608A CN 201910098636 A CN201910098636 A CN 201910098636A CN 109815608 A CN109815608 A CN 109815608A
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Abstract

本发明公开了一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，该方法包括如下步骤：1)研究区域数据的采集；2)浅水湖泊群水动力学模型的搭建；3)浅水湖泊群水质模型的搭建；4)水动力水质模型的耦合；5)浅水湖泊群水生态模型的搭建；6)浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型的搭建；7)模型的参数率定；8)调度分析。本发明的分析方法从湖泊群整体角度去考虑水质水量水生态耦合调度的区域水环境治理方案有众多优势，对浅水湖泊群进行调度可以最大限度地利用湖泊群水体的自净能力去降低重污染区的污染物浓度。

Description

一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法
技术领域
本发明涉及水环境保护的技术领域，具体地指一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法。
背景技术
20世纪60年代以来，经济高速发展，人口迅速膨胀，使得水资源需求量急剧增加，湖泊的开发利用不断加大，湖泊水质持续下降，水环境愈发恶劣，水生态平衡严重遭到破坏。城市浅水湖泊因其平均水深浅，易于受外界环境影响，生态自我修复能力差等特点，湖泊富营养问题更加突出。
同时，由于存在湖泊水域面积较大的情况，形态复杂，引入的水流难以实现对全湖水体的置换，导致湖泊各部分之间的水质改善效果会存在较大差别。
近二十多年来，大部分国内外专家学者将研究重点放在单个湖泊水动力、水质模型的建立以及单个湖泊的生态修复，存在以下不足：
(1)对于各个湖泊之间的互相影响没有考虑；
(2)无法考虑到湖泊群的连通、调水对于湖泊群的水动力水质的影响，无法准确的体现引水后湖泊的水动力水质的变化，会对决策者合理调度造成困难；
(3)对单个湖泊进行生态修复无法利用整个湖泊群的自净能力对水体水质进行改善；
(4)只对湖泊建立水质水量模型，不考虑湖泊水生态情况，无法了解湖泊浮游植物及藻类的生长情况，对于全部湖泊水体的水质情况不能准确的体现出来，从而对有效的解决湖泊的富营养化问题造成困难。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法。
本发明的技术方案为：一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，包括如下步骤：
1)研究区域数据的采集：采集研究区域的地形高程数据、水文数据、气象数据、风场数据、水质数据；
2)浅水湖泊群水动力学模型的搭建：通过输入步骤1)采集的地形高程数据在MIKE21水动力学建模的模式下，采取无结构自适应三角形网格方式得到研究区域的平面二维有限元网格计算模型，再应用MIKE21的Mesh Generator模块，采用线性方式插入到Z轴，生成包含实际地形数据和水深数据的三维有限元计算mesh格式文件，得到研究区域的计算网格，设置与所述计算网格匹配的各项参数、初始条件以及边界条件，搭建完成浅水湖泊群水动力学模型；
3)浅水湖泊群水质模型的搭建：通过输入步骤1)采集的水文数据、气象数据、风场数据、水质数据，在MIKE21中的ECOLab模块选择系统内置的用来描述湖泊水体中污染物迁移、转化、扩散的数学物理方程的水质模型，设置与所述水质模型匹配的参数和初始条件，搭建完成浅水湖泊群水质模型；
4)水动力水质模型的耦合：通过求解步骤2)所得的浅水湖泊群水动力学模型得到水体瞬时流速，并将瞬时流速在x、y方向上的均值提供给步骤3)所得的浅水湖泊群水质模型作为初始条件，得到耦合后的水动力水质模型；
5)浅水湖泊群水生态模型的搭建：在步骤3)搭建的浅水湖泊群水质模型的基础上，应用MIKE 21中ECOLab模块的富营养化模块EU搭建水生态模型，设置与所述水生态模型匹配的各项参数、边界条件和初始条件，搭建完成浅水湖泊群水生态模型；
6)浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型的搭建：将步骤4)耦合的水动力水质模型与步骤5)搭建的浅水湖泊群水生态模型通过湖泊水体的流速流量、湖泊污染物总氮总磷的浓度值进行耦合，得到搭建完成的浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型；
7)模型的参数率定：验证浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型模拟结果与实测数据的误差，再对模型内的参数进行率定，直到模拟结果满足精度要求；
8)调度分析：将不同的代表性工况输入到搭建并完成参数率定的浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型中，设定模拟时间进行模拟，得出不同代表性工况下湖泊水体的流速和流场、湖泊中污染物的浓度及其分布以及湖泊的富营养化程度进行对比分析。
上述技术方案中，所述步骤1)中，所述地形高程数据包括采用三点定位法从Google Earth上提取所研究湖泊群所在区域地表地形高程数据，人工测量得到研究湖泊群所在区域湖底地形高程数据；
水文数据具体包括研究区域的湖泊水深、湖泊的入流量和出流量；
风场数据具体包括研究区域湖泊的多年平均风速、风向；
气象数据具体包括研究区域湖泊的当地大气压强、温度、湿度；
水质数据具体包括研究区域湖泊的BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值、盐度和源汇项，还有藻类叶绿素a的浓度值、藻类的增长率、呼吸率、死亡率和沉降率，颗粒磷的沉降系数和颗粒氮的沉降系数。
上述技术方案中，所述步骤2)中，设置与所述计算网格匹配的各项参数、初始条件以及边界条件，其中，各项参数包括模拟时间、时间步长、科氏力参数、涡粘系数；初始条件包括研究区域湖泊多年平均风速、风向、湖泊的初始水深、流速、温度、盐度和源汇项；边界条件包括自由表面边界、床底边界和干湿边界。
上述技术方案中，所述步骤3)中，设置与所述水质模型匹配的参数和初始条件，其中参数包括紊动扩散系数，初始条件包括湖泊多年平均风速、风向、湖泊的初始水深、温度、盐度、源汇项和BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值以及湖泊水体的流速。
上述技术方案中，所述步骤5)中，设置与所述水生态模型匹配的各项参数、边界条件和初始条件，其中，各项参数包括藻类的增长率、呼吸率、死亡率和沉降率，颗粒磷的沉降系数和颗粒氮的沉降系数，初始条件包括研究区域湖泊的初始藻类叶绿素a的浓度、湖泊的入流量和出流量。
上述技术方案中，所述步骤2)中，边界条件包括自由表面边界、床底边界和干湿边界；自由表面边界主要指湖泊表面自由风在x方向和y方向对湖泊水面剪应力的大小，分别表示为τsx、τsy，由下式计算得到：
τsx＝f0ρk|W|Wx，τsy＝f0ρk|W|Wy
式中：f0为风阻力系数，取研究区域实测值；ρk为空气密度(kg/m3)，取研究区域实测值；W为研究区域的风速(m/s)；Wx为研究区域的风速在x方向的分量(m/s)；Wy为研究区域的风速在y方向的分量(m/s)。
所述床底边界主要指湖泊床底摩擦力，其在x、y方向的分量分别表示为τbx、τby，由下式计算得到：
式中：Cf为湖底摩擦系数；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3。
所述干湿边界包括干水深、洪水淹没水深和湿水深，设置干湿边界需要满足湿水深>淹没水深>干水深，模型预设值为干水深0.005m，淹没水深0.05m，湿水深0.1m。
上述技术方案中，所述步骤2)中，搭建的浅水湖泊群水动力学模型的方程为：
式中：h＝η+d为总水深(m)，η为底高程(m)，d为静水深(m)；为x方向的平均水深流速(m/s)；为y方向的平均水深流速(m/s)；S为源汇项(g/m2·s)；f为科氏力参数(m-1)；g为重力加速度，取9.8m/s2；pa为当地大气压强(Pa)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3；ρ0为水的相对密度(kg/m3)；τsx为湖泊表面自由风在x方向对湖泊水面的剪应力；τsy为湖泊表面自由风在y方向对湖泊水面的剪应力；τbx为湖泊床底摩擦力在x方向的分量；τby为湖泊床底摩擦力在y方向的分量；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量(m2/s2)；us为点源速度在x方向的分量；vs为点源速度在y方向的分量；Txx为与水流粘滞性有关的x方向的法向应力，Tyy为与水流粘滞性有关的y方向的法向应力，Txy为与水流粘滞性有关的x,y方向的切向应力，采用下式计算：
式中：A为涡粘系数。
上述技术方案中，所述步骤3)中，搭建的浅水湖泊群水质模型的方程如下：
式中：c为所求的污染物的浓度(mg/L)；h为水深(m)；t为时间(h)；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；Ex为x方向的紊动扩散系数；Ey为y方向的紊动扩散系数；S为源汇项(g/m2·s)；F(C)为反应项。
上述技术方案中，所述步骤5)中，搭建的浅水湖泊群水生态模型的方程如下：
式中：CA为藻类浓度，用叶绿素a浓度表示；μ为藻类增长率；r为藻类呼吸率；s为藻类死亡率；m为藻类沉降率；Qi为湖泊的第i条入湖河流的入流量(m3/s)；Pi为进入湖泊的第i条河流的总磷浓度；Ni为进入湖泊的第i条河流的总氮浓度；Q0为湖泊的出流量(m3/s)；P为湖泊中的总磷浓度；N为湖泊中的总氮浓度(mg/l)；WP为颗粒磷的沉降系数；WN为颗粒氮的沉降系数。
上述技术方案中，所述步骤7)中，模型的参数率定具体步骤为：通过调整所建立模型中的湖底摩擦系数和涡粘系数，求解得到湖泊水深、COD、TN、TP浓度的模拟结果数据，利用湖泊水深、COD、TN、TP浓度的实测结果进行率定。
上述技术方案中，所述步骤7)中，对模型内的参数进行修正具体为：若湖泊水深误差＜15％，而且COD、TN、TP浓度的误差＜30％时，模型湖底摩擦系数和涡粘系数的率定值即为模型的参数值；否则需要再次调整参数，进行重新率定，直到误差在上述允许范围之类时为止。
与现有技术相比，本发明的优点有：
其一，本发明从湖泊群整体角度去考虑水质水量水生态耦合调度的区域水环境治理方案有众多优势，对浅水湖泊群进行调度可以最大限度地利用湖泊群水体的自净能力去降低重污染区的污染物浓度；
其二，本发明构建的水质水量水生态模型，在水质水量模型的基础上进一步考虑了水生态的指标，可以更好地体现湖区的水环境变化状况，从而可以根据变化情况对浅水湖泊群进行合理有效的引水调度；
其三，浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度，可以对整个湖泊群的水环境进行模拟，看到湖泊群的通过调水后的流场情况以及湖区水体的水质情况，有利于决策者通过实际的情况调整调度方案，有利于湖泊引清调水方案的实施以及区域水资源的统一配置，可以更好地改善水体的水环境。
附图说明
图1为本发明分析方法流程图。
图2为本发明实施例的模型水位(a)、TP(b)、TN(c)和BOD(d)验证结果示意图；其中，图(a)所示为模型运行所得水深与实际观测水深，图(b)、(c)、(d)分别为模型运行所得水质指标总磷(TP)、总氮(TN)、生化耗氧量(BOD)的计算结果与实测结果的对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实例以大东湖水系为对象，运用本发明提供的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，按以下步骤进行：
1)研究区域数据的采集：采集研究区域的地形高程数据、水文数据、气象数据、风场数据、水质数据；
所述地形高程数据包括采用三点定位法从Google Earth上提取所研究湖泊群所在区域地表地形高程数据，人工测量得到研究湖泊群所在区域湖底地形高程数据；
水文数据具体包括研究区域的湖泊水深、湖泊的入流量和出流量；
风场数据具体包括研究区域湖泊的多年平均风速、风向；
气象数据具体包括研究区域湖泊的当地大气压强、温度、湿度；
水质数据具体包括研究区域湖泊的BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值、盐度和源汇项，还有藻类叶绿素a的浓度值、藻类的增长率、呼吸率、死亡率和沉降率，颗粒磷的沉降系数和颗粒氮的沉降系数。
本步骤数据的收集是本发明所建立模型的基础。
2)浅水湖泊群水动力学模型的搭建：
2.1)通过输入数据采集阶段从Google Earth上提取的研究区域地表地形高程数据以及人工测量所得的湖底地形高程数据，在MIKE21水动力学建模的模式下，采取无结构自适应三角形网格方式得到研究区域的二维的有限元网格计算模型，再应用MIKE21的MeshGenerator模块，选择插值模式为“Interpolation to Mesh”，采用线性方式插入到Z轴，生成包含实际地形数据和水深数据的三维有限元计算mesh格式文件，该文件即研究区域的计算网格，该计算网格是模型计算的基础，同时可以展示研究区域湖泊的地形情况，分析湖泊的坡度，并且湖泊的水深也直接应用到下面模型应用计算，它对后续所建立模型的计算速度和计算精度都有较大影响，是构建模型的关键步骤。
2.2)水动力模型的边界条件的设置，包括自由表面边界、床底边界和干湿边界：
自由表面边界主要指湖泊表面自由风在x方向和y方向对湖泊水面剪应力的大小，分别表示为τsx、τsy，由下式计算得到：
τsx＝f0ρk|W|Wx，τsy＝f0ρk|W|Wy
式中：f0为风应力系数；ρk为空气密度(kg/m3)，取研究区域实测值；W为研究区域的风速(m/s)；Wx为研究区域的风速在x方向的分量(m/s)；Wy为研究区域的风速在y方向的分量(m/s)。
其中的参数风应力系数f0通过MIKE21中所提供的经验公式计算，其具体公式为
式中：W10为风力计高度为10米时所测得的风速，Ca、Cb为经验系数，Wa、Wb为经验风速，它们的取值分别为：Ca＝1.255×10-3，wb＝25m/s。Cb＝2.425×10-3，Wa＝7m/s。
床底边界主要指湖泊床底摩擦力，其在x、y方向的分量分别表示为τbx、τby，由下式计算得到：
式中：Cf为湖底摩擦系数；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3。
其中的参数湖底摩擦系数的确定是模型计算的关键之一，其取值直接影响水动力学模型的计算结果，所以需要通过现场考察以及前人所得到的工程经验来确定湖底摩擦系数，湖底摩擦系数是率定参数，应根据对研究区域的认识及模型计算结果确定。本实施例根据应用MIKE系列软件的应用经验，确定湖底摩擦系数为45。
干湿边界包括干水深、洪水淹没水深和湿水深，步骤2)中生成了研究区域的计算网格，存在多个网格单元，设定干湿边界在于当某个网格单元的水深小于湿水深时，这个网格单元的水动力计算会相应调整；当水深小于干水深时，该网格单元不会被计算，淹没水深是用来检测网格单元是否被淹没。由于本实例的计算区域在湖泊中，湖泊存在显著的干湿交替区域，为了避免模型出现计算失稳问题，需要设置干湿边界。按照湿水深>淹没水深>干水深的原则，可采用干水深取0.01m，洪水淹没水深取0.05m，湿水深取0.1m。
水动力模型的初始条件包括研究区域湖泊多年平均风速、风向、湖泊的初始水深、温度、盐度和源汇项；
2.3)要进一步在MIKE21系统中对水动力学模型的参数进行设置，下面分别对每个参数进行设置，各项参数包括模拟时间、时间步长、科氏力参数、涡粘系数；
其中，模拟时间与时间步长的设置，模拟时间是模拟研究区域的时间范围，在整个时间范围的模拟过程中，模型将整个过程离散为很多个细小的过程，而每一步需要的时间就是△t，也就是时间步长。时间步长要满足克朗数小于10，即满足稳定性要求，若时间步长过大，容易使计算结果过于平坦化而失真；若取值过小，除计算耗时较多外，有时反而会使计算中某些非线性的小扰动得到响应而导致计算失稳。本实施例模拟时间为2015年6月10号-2015年7月17号，为防止模型溢出，设置时间步长为30min，总时间步数1800步。
科氏力参数采用公式计算，式中为研究区域的纬度，Ω为地转角速度，约为2π/(24*3600)s-1。
涡粘系数的设定有三种模式：无涡粘、定常涡粘公式以及Smagorinsky公式，本模型采用常数涡粘系数，在模型参数率定阶段中将对对涡粘系数进行率定。
参数设定后，水动力模型搭建完成，搭建的浅水湖泊群水动力学模型的方程为：
式中：h＝η+d为总水深(m)，η为底高程(m)，d为静水深(m)；为x方向的平均水深流速(m/s)；为y方向的平均水深流速(m/s)；S为源汇项(g/m2·s)；f为科氏力参数(m-1)；g为重力加速度，取9.8m/s2；pa为当地大气压强(Pa)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3；ρ0为水的相对密度(kg/m3)；τsx为湖泊表面自由风在x方向对湖泊水面的剪应力；τsy为湖泊表面自由风在y方向对湖泊水面的剪应力；τbx为湖泊床底摩擦力在x方向的分量；τby为湖泊床底摩擦力在y方向的分量；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量(m2/s2)(当考虑湖泊的干湿边界时，可以不考虑辐射应力分量)；us为点源速度在x方向的分量；vs为点源速度在y方向的分量；Txx为与水流粘滞性有关的x方向的法向应力，Tyy为与水流粘滞性有关的y方向的法向应力，Txy为与水流粘滞性有关的x,y方向的切向应力，采用下式计算：
式中：A为涡粘系数，其它同上。
3)浅水湖泊群水质模型的搭建
在MIKE21中的ECOLab模块的Model Definition界面中选择系统内置的用来描述湖泊水体中污染物迁移、转化、扩散的数学物理方程的水质模型。
其中，水质模型的初始条件包括湖泊多年平均风速、风向、湖泊的初始水深、温度、盐度、源汇项和BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值以及湖泊水体的流速，其中，湖泊多年平均风速、风向、湖泊的初始水深、温度、盐度和源汇项可沿用步骤2)水动力模型设定值，其中，水质模型的初始条件还包括BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值，为步骤1)采集的实测值，水质模型初始条件还包括湖泊水体的流速，为步骤2水动力学模型的模拟结果。
其中，参数紊动扩散系数，参考相关研究报告的取值，横向扩散系数取为0.5m2/s，纵向扩散系数取为0.8m2/s。
参数设定完成后，水质模型搭建完成，搭建的浅水湖泊群水质模型的方程如下：
式中：c为所求的污染物的浓度(mg/L)；h为水深(m)；t为时间(h)；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；Ex为x方向的紊动扩散系数；Ey为y方向的紊动扩散系数；S为源汇项(g/m2·s)；F(C)为反应项。
4)浅水湖泊群水动力学水质耦合模型的搭建：
通过求解步骤2)所得的浅水湖泊群水动力学模型得到水体瞬时流速，并将瞬时流速在x、y方向上的均值提供给步骤3)所得的浅水湖泊群水质模型作为初始条件，作为水动力水质模型耦合的连接点，得到耦合后的水动力水质模型；
5)浅水湖泊群水生态模型的搭建：
在步骤3)搭建的浅水湖泊群水质模型的基础上，应用MIKE 21中ECOLab模块的富营养化模块EU搭建水生态模型。模型的边界条件和初始条件沿用上面所搭建的水动力水质模型的数值，另外还包括研究区域湖泊的初始藻类叶绿素a的浓度、湖泊的入流量和出流量，模型的参数还包括藻类的增长率、呼吸率、死亡率和沉降率，颗粒磷的沉降系数和颗粒氮的沉降系数，为步骤1)的采集的数据。
浅水湖泊群水生态模型的搭建完成，搭建的浅水湖泊群水生态模型的方程如下：
式中：CA为藻类浓度，用叶绿素a浓度表示；μ为藻类增长率；r为藻类呼吸率；s为藻类死亡率；m为藻类沉降率；Qi为湖泊的第i条入湖河流的入流量(m3/s)；Pi为进入湖泊的第i条河流的总磷浓度；Ni为进入湖泊的第i条河流的总氮浓度；Q0为湖泊的出流量(m3/s)；P为湖泊中的总磷浓度；N为湖泊中的总氮浓度(mg/l)；WP为颗粒磷的沉降系数；WN为颗粒氮的沉降系数。
6)浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型的搭建：将步骤4)耦合的水动力水质模型与步骤5)搭建的浅水湖泊群水生态模型通过湖泊水体的流速流量、湖泊污染物总氮总磷的浓度值进行耦合而成，水生态模型的初始条件中湖泊的入流量、出流量以及污染物总氮浓度和总磷浓度是由步骤4)所搭建的水动力水质模型求得。
7)模型的参数率定：通过调整所建立模型中的湖底摩擦系数和涡粘系数，求解得到湖泊水深、COD、TN、TP的模拟结果数据，利用湖泊水深、COD、TN、TP的实测结果进行验证，将其与实测结果进行对比，使模拟结果与实测结果的误差满足一定要求，实现对模型参数的率定。检查模型模拟结果与实测数据的误差，水位误差需在15％之内，COD、TN、TP浓度的误差需在30％之内时，模型参数湖底摩擦系数和涡粘系数的率定值即为模型的参数值；否则需要再次调整参数，进行重新率定，直到误差在上述允许范围之类时为止；当误差始终无法达到上述允许范围时，判定所建立模型失效，需要重复以上步骤进行新的建模过程。
模型的参数率定是为了确保所搭建的水动力水质水生态模型适用于研究区域，可以进行模拟。
本实施例依据大东湖水系的实际情形，利用2012年6月16个监测点的实测数据对所搭建的水动力水质水生态模型参数进行率定，将模拟结果与实测结果数据进行对比分析，修改相应率定参数使模拟结果与实测数据的误差上述范围内。如图2所示，可以清楚看出模型模拟结果与实测数据的对比及拟合情况。
8)调度分析：通过设定研究区域湖泊的风速、风向，湖泊的入流量，湖泊的污染负荷量，设计不同的代表性工况。
将不同的代表性工况输入到搭建并完成参数率定的浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型中，设定模拟时间，进行模拟，得出不同代表性工况下湖泊水体的流速和流场、湖泊中污染物(BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP)的浓度及其分布以及湖泊的富营养化程度，进行对比分析，从四个方面进行分析：
(1)对不同工况下，研究区域湖泊的流场进行对比，可以看到在不同工况下，区域的流场会发生明显变化，原因在于湖泊的入流量大小决定着流场的流速大小，风速和风向会影响流速的大小和环流的形成；
(2)对不同湖泊入流量条件下，湖泊污染物的分布情况进行对比，观察水质改善情况，污染物的分布是否更均匀，对比得到哪种条件下水质改善情况最好。可以根据分析结果有针对性的对湖泊群进行调度，有效的改善水质情况。
(3)对比不同污染负荷量下污染物的分布情况，判断污染负荷量的大小与水质改善效果的关系。
(4)对不同风速、风向条件下，湖泊污染物分布情况进行对比，判断出风速风向对不同污染物的影响的大小。
本实施例结合大东湖水网的3种调度模式，设计出7种典型性代表工况。根据搭建的浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型，运行设计的7种代表性工况得出7中工况的污染物时空分布，分别对不同工况下湖泊的流场、不同来水条件下污染物的分布、不同污染负荷量下污染物的分布以及不同风场下污染物的分布进行对比分析，得出结论：在不同工况下，区域的流场会发生明显变化；对湖泊群进行引水调度后，湖区水体的TP、TN、COD、叶绿素a浓度都有明显改善，相对于调水前，污染物分布更均匀，更有利于湖泊的生态，同时可以对比得到哪种调度模式下水质改善效果更好；污染负荷量大小与水质改善效果基本成正比，同一种引水调度下，污染负荷量大小对污染物的分布影响较小；不同的风速、风向条件，对于TP、叶绿素a浓度影响效果不显著，但对于TN和COD浓度有一定程度的影响。这些结论可以对浅水湖泊群的引水调度提供依据，通过合理有效调度最大程度改善水环境。
上述实施例只为说明本发明的技术方案及特点，其目的在于更好的让熟悉该技术的人士予以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，均在本发明保护范围之内，其中未详细说明的为现有技术。

Claims (8)

1.一种浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)研究区域数据的采集：采集研究区域的地形高程数据、水文数据、气象数据、风场数据、水质数据；
2)浅水湖泊群水动力学模型的搭建：通过输入步骤1)采集的地形高程数据在MIKE21水动力学建模的模式下，采取无结构自适应三角形网格方式得到研究区域的二维有限元网格计算模型，再应用MIKE21的Mesh Generator模块，采用线性方式插入到Z轴，生成包含实际地形数据和水深数据的三维有限元计算mesh格式文件，得到研究区域的计算网格，设置与所述计算网格匹配的各项参数、初始条件以及边界条件，完成浅水湖泊群水动力学模型的搭建；
3)浅水湖泊群水质模型的搭建：通过输入步骤1)采集的水文数据、气象数据、风场数据、水质数据，在MIKE21中的ECOLab模块选择系统内置的用来描述湖泊水体中污染物迁移、转化、扩散的数学物理方程的水质模型，设置与所述水质模型匹配的参数和初始条件，搭建完成浅水湖泊群水质模型；
4)水动力水质模型的耦合：通过求解步骤2)所得的浅水湖泊群水动力学模型得到水体瞬时流速，并将瞬时流速在x、y方向上的均值提供给步骤3)所得的浅水湖泊群水质模型作为初始条件，得到耦合后的水动力水质模型；
5)浅水湖泊群水生态模型的搭建：在步骤3)搭建的浅水湖泊群水质模型的基础上，应用MIKE 21中ECOLab模块的富营养化模块EU搭建水生态模型，设置与所述水生态模型匹配的各项参数、边界条件和初始条件，搭建完成浅水湖泊群水生态模型；
6)浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型的搭建：将步骤4)耦合的水动力水质模型与步骤5)搭建的浅水湖泊群水生态模型通过湖泊水体的流速流量、湖泊污染物总氮总磷的浓度值进行耦合，得到搭建完成的浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型；
7)模型的参数率定：验证浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型模拟结果与实测数据的误差，再对模型内的参数进行率定，直到模拟结果满足精度要求；
8)调度分析：将不同的代表性工况输入到搭建并完成参数率定的浅水湖泊群水动力水质水生态耦合模型中，设定模拟时间进行模拟，得出不同代表性工况下湖泊水体的流速和流场、湖泊中污染物的浓度及其分布以及湖泊的富营养化程度进行对比分析。
2.根据权利要求1所述的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述地形高程数据包括采用三点定位法从Google Earth上提取所研究湖泊群所在区域地表地形高程数据，人工测量得到研究湖泊群所在区域湖底地形高程数据；
所述水文数据具体包括研究区域的湖泊水深、湖泊的入流量和出流量；
所述风场数据具体包括研究区域湖泊的多年平均风速、风向；
所述气象数据具体包括研究区域湖泊的当地大气压强、温度、湿度；
所述水质数据具体包括研究区域湖泊的BOD、DO、COD、NH3-N、TN、TP污染物的浓度值、盐度和源汇项、藻类叶绿素a的浓度值、藻类的增长率、呼吸率、死亡率和沉降率以及颗粒磷的沉降系数和颗粒氮的沉降系数。
3.根据权利要求1所述的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于：所述步骤2)中，边界条件包括自由表面边界、床底边界和干湿边界，自由表面边界主要指湖泊表面自由风在x方向和y方向对湖泊水面剪应力的大小，分别表示为τsx、τsy，由下式计算得到：
τsx＝f0ρk|W|Wx，τsy＝f0ρk|W|Wy
式中：f0为风阻力系数，取研究区域实测值；ρk为空气密度(kg/m3)，取研究区域实测值；W为研究区域的风速(m/s)；Wx为研究区域的风速在x方向的分量(m/s)；Wy为研究区域的风速在y方向的分量(m/s)；
所述床底边界主要指湖泊床底摩擦力，其在x、y方向的分量分别表示为τbx、τby，由下式计算得到：
式中：Cf为湖底摩擦系数；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3；
所述干湿边界包括干水深、洪水淹没水深和湿水深，设置干湿边界需要满足湿水深>淹没水深>干水深。
4.根据权利要求1所述的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于：所述步骤2)中，搭建的浅水湖泊群水动力学模型的方程为：
式中：h＝η+d为总水深(m)，η为底高程(m)，d为静水深(m)；为x方向的平均水深流速(m/s)；为y方向的平均水深流速(m/s)；S为源汇项(g/m2·s)；f为科氏力参数(m-1)；g为重力加速度，取9.8m/s2；pa为当地大气压强(Pa)；ρ为水体密度，取为1.0*10^3kg/m3；ρ0为水的相对密度(kg/m3)；τsx为湖泊表面自由风在x方向对湖泊水面的剪应力；τsy为湖泊表面自由风在y方向对湖泊水面的剪应力；τbx为湖泊床底摩擦力在x方向的分量；τby为湖泊床底摩擦力在y方向的分量；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量(m2/s2)；us为点源速度在x方向的分量；vs为点源速度在y方向的分量；Txx为与水流粘滞性有关的x方向的法向应力，Tyy为与水流粘滞性有关的y方向的法向应力，Txy为与水流粘滞性有关的x,y方向的切向应力，采用下式计算：
式中：A为涡粘系数。
5.根据权利要求1所述的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于：所述步骤3)中，搭建的浅水湖泊群水质模型的方程如下：
式中：c为所求的污染物的浓度(mg/L)；h为水深(m)；t为时间(h)；u为x方向上的速度分量(m/s)；v为y方向上的速度分量(m/s)；Ex为x方向的紊动扩散系数；Ey为y方向的紊动扩散系数；S为源汇项(g/m2·s)；F(C)为反应项。
6.根据权利要求1所述的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于：所述步骤5)中，搭建的浅水湖泊群水生态模型的方程如下：
式中：CA为藻类浓度，用叶绿素a浓度表示；μ为藻类增长率；r为藻类呼吸率；s为藻类死亡率；m为藻类沉降率；Qi为湖泊的第i条入湖河流的入流量(m3/s)；Pi为进入湖泊的第i条河流的总磷浓度；Ni为进入湖泊的第i条河流的总氮浓度；Q0为湖泊的出流量(m3/s)；P为湖泊中的总磷浓度；N为湖泊中的总氮浓度(mg/l)；WP为颗粒磷的沉降系数；WN为颗粒氮的沉降系数。
7.根据权利要求1所述的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于：所述步骤7)中，模型的参数率定具体步骤为：通过调整所建立模型中的参数湖底摩擦系数和涡粘系数，求解得到湖泊水深、COD、TN、TP浓度的模拟结果数据，利用湖泊水深、COD、TN、TP浓度的实测结果进行率定。
8.根据权利要求7所述的浅水湖泊群水质水量水生态耦合调度分析方法，其特征在于：所述步骤7)中，对模型内的参数进行修正具体为：若湖泊水深误差＜15％，而且COD、TN、TP浓度的误差＜30％时，模型湖底摩擦系数和涡粘系数的率定值即为模型的参数值；否则需要再次调整参数，进行重新率定，直到误差在上述允许范围之类时为止。
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