鄧躍++吳焱++何夢(mèng)男

摘要： 湖泊的生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)久的過程，而治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的根本辦法就是對(duì)污染源的控制和生態(tài)的修復(fù)。在此基礎(chǔ)上建立三維水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，以太湖為對(duì)象，將耦合湖泊生態(tài)模型SALMO和水動(dòng)力模型SELFE，最終對(duì)主要的營(yíng)養(yǎng)鹽和產(chǎn)生“水華”的主要藍(lán)藻，綠藻，硅藻這三種藻類進(jìn)行模擬，準(zhǔn)確而又能及時(shí)的獲取整個(gè)湖泊的藍(lán)藻的時(shí)空分布和繁殖變化。從而為水華爆發(fā)的范圍和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，在水華管理上發(fā)揮作用。

Abstract： The restoration of ecosystem in lakes is a long process， and the fundamental solution to the eutrophication of lakes is to control the pollution source and restore the ecosystem. On this basis， a three-dimensional hydro-ecological dynamic model was established. Taking Taihu Lake as an object， the coupling lake ecological model SALMO and hydrodynamic model SELFE were established. Finally， the main nutrients and the main cyanobacteria， green algae， diatoms， which produce "algal boom"， are simulated， and the temporal and spatial distribution and reproduction changes of cyanobacteria in the whole lake can be obtained accurately and in time. Therefore， the scope and intensity of algal boom outbreak are predicted and play an important role in management of algal boom.

關(guān)鍵詞： 富營(yíng)養(yǎng)化；水華；生態(tài)模型；動(dòng)力學(xué)模型

Key words： eutrophication；algal boom；ecological model；dynamic model

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）08-0200-02

0 引言

水是人類社會(huì)最重要的基礎(chǔ)性資源，然而當(dāng)今社會(huì)水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)受損情況日益嚴(yán)重，水安全的話題已經(jīng)是目前全世界面臨的一大難題[1]。

事實(shí)上富營(yíng)養(yǎng)化治理對(duì)策：采用數(shù)學(xué)模型提升藻類水華預(yù)測(cè)能力，優(yōu)化湖泊管理方案。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)對(duì)湖泊水環(huán)境管理尤為重要。富營(yíng)養(yǎng)化數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行湖庫(kù)水環(huán)境預(yù)測(cè)、治理和管理的重要工具?，F(xiàn)有確定性機(jī)理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化數(shù)學(xué)模型可分成四類：?jiǎn)我粻I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)模型、浮游植物與營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)性模型、水生態(tài)時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型、人工智能模型[2]。而較前三種模型，生態(tài)模型與水動(dòng)力模型結(jié)合能夠在生態(tài)系統(tǒng)水平上全面細(xì)致地描述各狀態(tài)變量在湖泊內(nèi)的時(shí)空分布狀況，是近年來富營(yíng)養(yǎng)化模型研究的熱點(diǎn)之一。

本文對(duì)湖泊的水質(zhì)和藻類進(jìn)行模擬，分析水華形成的關(guān)鍵因子，分析出控制水華爆發(fā)的方案，從而有效地控制水華，強(qiáng)化湖泊管理機(jī)制和水華應(yīng)急預(yù)案具有非常重要的意義。利用湖泊生態(tài)模型SALMO與水動(dòng)力模型SELFE耦合的三維水生態(tài)模型，模擬湖泊正磷酸鹽、硝酸鹽、DO、浮游動(dòng)物生物量以及藍(lán)藻、綠藻、硅藻生物量的時(shí)空變化，為水華的預(yù)防和治理做出貢獻(xiàn)[3]。

1 模型簡(jiǎn)介

將湖泊水質(zhì)模型 SALMO和三維水動(dòng)力模型 SELFE進(jìn)行耦合，建立湖泊水生態(tài)時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)湖泊的磷酸鹽、硝酸鹽、溶解氧以及藍(lán)藻、綠藻和硅藻三類浮游植物生物量的時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬。技術(shù)路線圖如圖1。

1.1 水動(dòng)力學(xué)模型SELFE

SELFE（Semi-implicit Eulerian-Lagrangian Finite Element）是美國(guó)俄勒岡州健康與科學(xué)大學(xué)的研究人員針對(duì)哥倫比亞河口海岸復(fù)雜的水動(dòng)力環(huán)境而開發(fā)的開源水動(dòng)力模型，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于世界各地的三維斜壓環(huán)流模擬[4]。

它采用采用了半隱格式的歐拉—拉格朗日有限單元/體積法來求解方程（靜水力和非靜水力形式）。利用方程求解三維淺水方程以及鹽度和溫度輸運(yùn)方程，解變量主要包括自由面水位、三維流速、三維鹽度和三維溫度[5]。

而數(shù)值計(jì)算方法的選取是非常重要的。SELFE 模型中，使用有限單元法和有限體積法來求解微分方程。與其他模型大相徑庭的是SELFE 的求解過程不存在模式分離，從而少了因?yàn)閮?nèi)外模式分離引起的計(jì)算誤差。所有方程全都是使用半隱式格式來進(jìn)行求解[6]。由于連續(xù)性方程和動(dòng)量方程是同時(shí)求解的，從而避開了穩(wěn)定性限制條件，如柯朗數(shù)條件（CFL）。模型計(jì)算的關(guān)鍵一步，就是利用底部邊界條件對(duì)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程進(jìn)行解耦計(jì)算。通過采用歐拉—拉格朗日法（ELM）來處理動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)，大大放寬了數(shù)值穩(wěn)定性限制條件。輸運(yùn)方程中的對(duì)流項(xiàng)則是使用歐拉—拉格朗日（ELM）或有限體積迎風(fēng)法（FVUM）進(jìn)行求解，后者能夠保證在計(jì)算過程中的質(zhì)量守恒[7]。

SELFE 使用非結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格對(duì)三維計(jì)算區(qū)域進(jìn)行水平離散，使用S-Z混合坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行豎直離散。通過使用混合坐標(biāo)，不僅能夠提高河床地步和湖泊表面的空間分辨率還能解決在河口地區(qū)垂向方向上在使用S或坐標(biāo)時(shí)因?yàn)榈匦伟l(fā)生大的變化而造成的壓力水平梯度模擬失真的問題發(fā)生[8]。

1.2 湖泊水質(zhì)模型SALMO

湖泊水質(zhì)模型 SALMO（Simulation by means of an Analytical Lake Model）是Benndorf 和 Rechnagel 于 1979 年開發(fā)的。該模型利用常微分方程描述湖泊生態(tài)系統(tǒng)中藻類生長(zhǎng)與光照、水溫、各類營(yíng)養(yǎng)鹽、浮游動(dòng)物等環(huán)境因子的關(guān)系影響，能夠?qū)θ惛∮沃参锕δ苋海ㄋ{(lán)藻、綠藻和硅藻）之間的生長(zhǎng)關(guān)系進(jìn)行模擬。當(dāng)前應(yīng)用于湖泊的水質(zhì)模型，大多未區(qū)分不同藻種，而是將藻類作為一個(gè)整體，以浮游植物生物量或葉綠素濃度來表征，因此不能模擬和預(yù)測(cè)不同藻類的季節(jié)演替過程。

SALMO模型會(huì)模擬產(chǎn)生8物理變量為磷酸鹽、硝酸鹽、溶解氧、浮游動(dòng)物生物量和三類浮游植物（藍(lán)藻、綠藻、硅藻）生物量。它使用常微分方程描述了整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的8個(gè)狀態(tài)變量，雖然SALMO模型包含的狀態(tài)變量不多，磷酸鹽、硝酸鹽、溶解氧和碎屑的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，硅藻、綠藻、藍(lán)藻和浮游動(dòng)物生物的食物鏈動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。但 SALMO 基本能夠模擬它們，并詳細(xì)考慮了所模擬狀態(tài)變量的內(nèi)部機(jī)制。其中，溶解氧的增加包括入流負(fù)荷、藻類的光合作用和大氣，而減少的有出流、浮游生物呼吸消耗和有機(jī)物分解消耗；碎屑由浮游生物殘?bào)w分解和入流，減少是由于沉降、出流和浮游動(dòng)物掠食；磷酸鹽由入流、浮游生物殘?bào)w礦化和底泥釋放增加，因出流、沉降和藻類吸收而減少；藻類生長(zhǎng)過程消耗硝酸鹽和磷酸鹽，同時(shí)釋放氧氣，其生物量的增加與生長(zhǎng)、入流有關(guān)，減少與沉降和浮游動(dòng)物的捕食有關(guān)；硝酸鹽的增加由入流、沉積物釋放和浮游動(dòng)物殘骸礦化，由出流、藻類吸收以及反硝化減少；浮游動(dòng)物通過掠食藻類和碎屑生長(zhǎng)，同時(shí)消耗溶解氧，死亡殘?bào)w分解為無機(jī)物和碎屑SALMO 能較好地模擬水質(zhì)參數(shù)的季節(jié)和年變化局，從而為治理富營(yíng)養(yǎng)化湖泊發(fā)揮作用。圖2為SALMO的輸入輸出項(xiàng)。

將 SELFE 模型與 SALMO 模型進(jìn)行適當(dāng)結(jié)合，得到湖泊的三維水生態(tài)模型，是研究太湖水動(dòng)力、水質(zhì)變化和藻類時(shí)空動(dòng)態(tài)的重要工具。

2 結(jié)語

雖然三維水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型模擬的營(yíng)養(yǎng)鹽，溶解氧，浮游動(dòng)物和藻類的值和實(shí)測(cè)值效果存在一些差異，但是模擬值和實(shí)測(cè)值的總體變化趨勢(shì)還是基本相同。從模型效果上看，該模型對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和水華治理能發(fā)揮一定的作用，后續(xù)的工作將更加改良模型從而實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算效率和模擬精度綜合最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)：

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