茜坑水庫水質(zhì)生態(tài)修復(fù)的數(shù)值模擬

1、淺水水體水質(zhì)生態(tài)修復(fù)的數(shù)值模擬彭 虹1 王艷2 張萬順2 陳文祥3 馮桃輝2（1武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430070；2武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；3水利部中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所，武漢 430079）摘 要：本文基于二維水流水動力學(xué)模型、具有源匯項的對流擴散方程及水生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型，考慮淺水水體生物群落中影響水體水質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的主要種群的演化規(guī)律，建立淺水水體生態(tài)修復(fù)模型。該模型包括水動力學(xué)模型、守恒物質(zhì)對流擴散模型和富營養(yǎng)化動力學(xué)模型。其中富營養(yǎng)化動力學(xué)模型考慮了浮游植物、浮游動物、蚌類、溶解氧和各種營養(yǎng)物質(zhì)。將該模型應(yīng)用于深圳市某實體水庫，模擬人工養(yǎng)殖蚌類

2、修復(fù)水庫水質(zhì)的效果。數(shù)值模擬結(jié)果表明：與蚌類養(yǎng)殖前相比，浮游植物的生物量以及氮、磷的負(fù)荷有明顯的減少，說明將蚌類用于富營養(yǎng)化水體水質(zhì)的修復(fù)效果是比較理想的，應(yīng)當(dāng)加以推廣。關(guān)鍵詞：水環(huán)境生態(tài)學(xué)；生態(tài)修復(fù)；河蚌；富營養(yǎng)化一 引言近年來,由于國民經(jīng)濟迅猛發(fā)展,人口劇增,大量工業(yè)廢水及生活污水排入江河湖泊中,使淺水水體中的營養(yǎng)負(fù)荷不斷增加，富營養(yǎng)化已經(jīng)成為影響湖泊水質(zhì)的主要問題，目前對于東湖、滇池、太湖等我國的大型淺水湖泊，雖然采取各種措施來控制其富營養(yǎng)化，但無論是外源控制消減營養(yǎng)負(fù)荷，還是采用各種除藻措施（如養(yǎng)魚等），均未能取得預(yù)期的效果或只在短期內(nèi)有效，甚至有時因采用不適當(dāng)?shù)奈锢?、化學(xué)方法反而加劇

3、了原本脆弱的水生態(tài)系統(tǒng)的破壞。這說明富營養(yǎng)化產(chǎn)生機制是很復(fù)雜的，要對其進行控制，除了采用物理化學(xué)以及生態(tài)的方法外，更重要的是對其進行機理性的研究，數(shù)學(xué)模型為該問題的研究提供了強有力的工具。早期的模型是單一的N、P負(fù)荷模型1。70年代世界各地開展了大規(guī)模的湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查，在分析資料的基礎(chǔ)上建立了一系列藻類生物量與營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷量之間的相關(guān)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，但這類模型不能全面考慮浮游植物的動態(tài)變化。研究生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)間相互作用過程,綜合考慮系統(tǒng)外部環(huán)境驅(qū)動變量的生態(tài)動力學(xué)模型模擬水體的富營養(yǎng)化過程是采用數(shù)學(xué)模型方法模擬系統(tǒng)變化，具有較強的物理概念，對系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有一定的預(yù)見性，因而是目前眾多學(xué)者采用

4、的方法之一。生態(tài)動力學(xué)模型的研究始于Chen, Di toro開發(fā)的簡單水質(zhì)動力模型34.主要有Glusm生態(tài)模型、Clean系列湖泊綜合模式、WASP模型等。近年來，隨著對水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的認(rèn)識不斷深入，通過改變食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)達到控制富營養(yǎng)化水體藻類數(shù)量成為新的研究熱點。并提出了生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)方法生物操縱。目前國內(nèi)對此生態(tài)修復(fù)方法的模擬尚不多見。本研究在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，模擬了人工養(yǎng)殖蚌類對水庫環(huán)境中藻類生物量的影響。本文基于二維水流動力學(xué)模型，采用具有源匯項的對流擴散方程及水生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型，考慮淺水水體中生物群落中影響水體水質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的主要種群的演化規(guī)律，建立了淺水水體生態(tài)動力學(xué)模型

5、，并將該模型應(yīng)用于深圳市某實體水庫，在人工養(yǎng)殖蚌類實驗的基礎(chǔ)上模擬了人工養(yǎng)殖蚌類對水庫水生態(tài)環(huán)境的影響。二 數(shù)值模型理論2.1水動力學(xué)模型采用單寬流量、及水位作為因變量的圣維南方程組，以及營養(yǎng)物質(zhì)的對流擴散方程。連續(xù)方程： (1)動量方程 (2) (3)2.2守恒物質(zhì)對流擴散模型考慮稀釋擴散過程、遷移傳遞過程，以及物質(zhì)轉(zhuǎn)化及生物的新陳代謝過程，污染物的直接負(fù)荷、邊界負(fù)荷等因素，水質(zhì)成分滿足如下的守恒方程： (4)2.3 富營養(yǎng)化的動力學(xué)模型本模型主要考慮11種物質(zhì)成分,包括:浮游植物(4)、浮游動物(9)、貝類（C11）、五日生化需氧量BOD5 (5)、有機氮(7)、氨氮(1)、硝氮(2)、有

6、機磷(8)、無機磷(3)、溶解氧(6)。水體中各成分之間相互作用有如圖1所示5。硝 氮分 解生 長氨氮生 長有機氮生長捕 食CBOD浮游動物浮游植物蚌類捕 食分 解死亡死亡死亡碳：氮：磷分解生 長有機磷磷酸鹽圖1 主要水質(zhì)成分及其相互關(guān)系（1）水生生物動力學(xué)系統(tǒng) 根據(jù)圖1所示各水質(zhì)成分的相互關(guān)系，結(jié)合各種生物的生長規(guī)律，給出浮游植物、浮游動物以及蚌類的生態(tài)動力學(xué)模型：浮游植物： （5）浮游動物: （6） 雙殼蚌類： （7） （2）磷循環(huán) 包括有機磷和無機磷。 無機磷： （8） 有機磷： （9）（3）氮循環(huán) 包括有機氮、氨氮和硝氮。 有機氮： (10) 氨氮： (11) 硝氮： (12) （4）

7、溶解氧平衡 BOD5： (13)DO: (14)2.4 邊界條件和初始條件入流邊界條件： (15)下游出流邊界條件： (16)初始條件： （t=0） (17) 對式（1）-（17），采用有限控制體積方法和迎風(fēng)格式對控制方程進行計算，并利用SIP方法進行數(shù)值迭代計算，組成了二維淺水水體人工養(yǎng)殖蚌類生物修復(fù)數(shù)學(xué)模型。模型中相關(guān)參數(shù)的物理意義詳見附表1。三 模型應(yīng)用3.1 應(yīng)用區(qū)域深圳市某實體水庫該水庫集雨面積為4.98km2，總庫容為1982萬m3，正常庫容為1900萬m3，屬淺水季節(jié)型水庫。由于水庫集雨區(qū)面積較小，通過徑流入庫的水量非常有限，滿足不了供水需求，每年汛期攔截附近的小河洪水，通過泵站

8、抽水引入，近幾年引水量占水庫總來水量的70.89%86.56%。近年來，某些指標(biāo)超過國家地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中的II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象。為了研究水質(zhì)改善的機理，水庫首次引進三角帆蚌，采用籠式掛養(yǎng)分層立體放養(yǎng)模式，吊養(yǎng)在水庫大壩前和中游。從2001年到2003年連續(xù)三年進行野外實驗，每半個月進行一次水質(zhì)采樣分析，每月一次進行生物指標(biāo)監(jiān)測，取得了豐富的實驗結(jié)果。本文利用前面所建立的生態(tài)修復(fù)數(shù)學(xué)模型，利用20012002年的野外實驗結(jié)果進行了參數(shù)率定。模擬引水初期水庫中藻類的生物量，從考慮和不考慮蚌類影響兩方面分別模擬引水15天后水庫中藻類的生物量，并模擬計算蚌

9、類的養(yǎng)殖對氮、磷的去除率。3.2 數(shù)值計算及結(jié)果討論（1）計算條件 研究區(qū)域采用均勻網(wǎng)格，x=50m，y=50m，共5550個單元，時間步長為2h。數(shù)值模擬過程中，所涉及的物理過程參數(shù)包括水面蒸發(fā)-降雨量、水庫取水及大壩滲水水量、水庫引水水量、水庫水溫等按實測過程給出。（2）數(shù)值計算模擬 計算浮游植物的變化情況見圖2-圖4：圖2 模擬第一次引水初期浮游植物生物量分布(單位：mg/l) 圖3 模擬引水15天后考慮貝類的影響浮游植物生物量分布(單位：mg/l) 圖4 模擬引水15天后未考慮貝類的影響浮游植物生 圖5蚌對氮、磷的去除物量分布(單位：mg/l) 由圖2圖4可以看出，放養(yǎng)蚌類對浮游植物的

10、量有明顯的去除作用，不放養(yǎng)蚌類局部，浮游植物濃度達2.0mg/l，而放養(yǎng)蚌類局部浮游植物濃度為1.0mg/l。此外，對整個水庫來講，浮游植物的消減還與放養(yǎng)蚌類的密度有關(guān)。 模擬計算該水庫現(xiàn)場圍欄試驗，結(jié)果見圖5。由圖可知，蚌對磷的去除率較高，16天達到5.4%，13天后氮的去除率達到1.33%。在現(xiàn)場試驗中隨著放養(yǎng)蚌類時間延長，總磷和總氮去除率逐漸增大，在15天后逐漸達到平衡。表明，蚌類對水質(zhì)的改善有積極作用。四 結(jié)語本文通過研究可得出如下結(jié)論：1 本研究提供了一個富營養(yǎng)化淺水水體生態(tài)修復(fù)的數(shù)學(xué)模型，將其應(yīng)用于實際研究中，取得了較好的效果。在今后的研究中也可將其用于其他淺水水體中，并根據(jù)實際應(yīng)

11、用對參數(shù)加以修正即可。2 模型引入多個營養(yǎng)級進行模擬，能更準(zhǔn)確反映水體中營養(yǎng)物質(zhì)和藻類的變化情況。3 從模型對蚌類放養(yǎng)前后浮游植物的模擬可以看出，放養(yǎng)蚌類對浮游植物的量有明顯的去除作用。不放養(yǎng)蚌類局部，浮游植物濃度達2.0mg/l，而放養(yǎng)蚌類局部浮游植物濃度為1.0mg/l。經(jīng)模擬計算水庫現(xiàn)場圍欄試驗，蚌對磷的去除率較高，13天達到5.03%，13天后氮的去除率達到1.13。該實驗是在動態(tài)水流條件下進行的，雖然氮的局部去除率不是很高，但對整個水庫而言，其去除率還是相當(dāng)高的?？梢姴捎梅硼B(yǎng)蚌類的方法是有效的。4 目前，國內(nèi)有關(guān)資料中還沒有將軟體動物用來凈化水質(zhì)的應(yīng)用例子，只是停留在小型實驗階段，還

12、沒有實際應(yīng)用。本研究中的例子是國內(nèi)首次應(yīng)用河蚌來進行水污染的調(diào)控，其效果是比較理想的，應(yīng)當(dāng)加以推廣。附表1：模型中參數(shù)的物理意義參數(shù)物理意義單位參數(shù)物理意義單位 水位()水深()沿水深平均流速在x方向速度分量-1v沿水深平均流速在y方向速度分量-1x方向上的單寬流量(2-1)y方向上的單寬流量(2-1) 科氏力系數(shù)()P單位時間內(nèi)降雨強度(-1)廣義渦粘性系數(shù)貝類對浮游植物的最大生長率(-1)E單位時間內(nèi)水面蒸發(fā)量(-1)貝類的死亡率(-1)、x、y方向上的分子擴散系數(shù)、紊動擴散系數(shù)和離散系數(shù)之和浮游動物對浮游植物的最大生長率(-1)魚類對浮游動物的最大生長率(-1)浮游動物對浮游植物的選擇率

13、浮游動物的死亡率(-1)浮游動物對浮游動物的選擇率浮游動物對浮游動物的最大生長率(-1)浮游植物的沉降率d1浮游動物捕食的飽和常數(shù)貝類捕食的飽和常數(shù)參考文獻：1 Vollenweider R A. Input-Output Models with Special Reference to the Phosphorus Loading Concept in LimnologyJ.Schweizerische Zeitschrift Hydrol,1975,37:53 84.2韓菲等，湖泊及水庫富營養(yǎng)化模型研究綜述。水科學(xué)進展。2003,14(6):785-791.3Chen C W. Concepts and Utilities of Ecologic ModelJ. J of Sanit, Engineering Division, ASCE, 1970,96:1085-1097.4Di toro D M, O，Connor D J, Thomann T V. A Dynamic Model of Phytoplankton Population in the Sacramento San Joaquin DeltaJ.Advances in