（水生生物学专业论文）白洋淀水温水质研究.pdf

摘要 摘要 白洋淀位于华北平原中部，是具有广阔水域面积的沼泽湿地，集水源地、调节气候、 缓洪滞沥、净化水体、保护生物多样性等多种功能于一身，对维持华北地区的生态平衡 发挥了不可替代的作用。 水温是一个重要的生态因子，湖泊水温的变化会给水质、水生生物、工农业生产带 来一系列影响。目前对白洋淀的研究中缺少水温研究，因此研究白洋淀水温变化规律， 对全面了解和保护白洋淀生态环境具有重要意义。本文根据白洋淀数字化地形图，结合 白洋淀地区年均气温曲线和相关实测数据，采用交错网格的有限差分法，对白洋淀水温 进行了计算。结果表明： 1 ) 水平方向上，自3 月中旬到8 月初，白洋淀水温分布存在层内( 如次表层) 差 异。8 月中旬到9 月中旬，水温层内差异消失。 2 ) 水温垂向分布呈现分层现象，从3 月初到8 月上旬，垂向分层由不规则逐渐向 具有规则性发展。8 月中、下旬，垂向水温达到一致，没有分层现象，9 月由于温度下 降，重新出现分层现象。 3 ) 表底温差自3 月到8 月初几乎都存在，浅水区表底温差小于深水区。8 月中旬， 表底温差消失，9 月初重新出现。 为了能够全面掌握白洋淀水质的现状及变化趋势，本文根据白洋淀2 0 0 0 年及 2 0 0 4 2 0 0 6 年的监测数据，按照国家地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 及相应的 富营养化评价标准，分别采用灰色聚类法和营养度指数法，对白洋淀的水质及富营养状 况进行了评价。结果表明： 1 ) 白洋淀水质与水量关系十分密切。引岳济淀工程使白洋淀摆脱了水危机，水体 水质及营养状态得到改善。 2 ) 白洋淀水质分布存在时空差异，丰水期水质最好；在监测时间内，2 0 0 5 年白洋 淀水质最好。淀内中东部水质优于其他区域。 3 ) 磷是影响白洋淀营养状态的关键营养因素，因此有效控制入淀水体的磷含量对 改善白洋淀富营养化状况具有重要意义。 目前，水质模型的应用，为水体科学管理提供了经济、有效的途径。为了精确预测 摘要 白洋淀水质的变化趋势，提高白洋淀水质管理科学性，本文根据2 0 0 5 年3 1 1 月间白洋 淀水质的监测数据，运用w a s p 水质模型，建立了白洋淀的二维水质模型，并使用相关 数据对模型进行了校正。结果表明：w a s p 应用于白洋淀能够较好的反映出水质的变化 趋势，模拟值与实测值吻合度较好。模型中的参数可以为白洋淀其他水质模型建立提供 参考。 关键词：白洋淀水温水质 a b s t r a c t 皇曼量鼍量量量吕曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼皇曼曼曼篁曼曼皇曼皇曼皇曼量寡曼皇曼皇舅寡 _ ii iiii i 鼍璺 a b s t r a c t b a i y a n g d i a nl a k el i e si nt h ec e n t r a lo fn o r t hc h i n ap l a i n i ti sam a r s hw h i c hh a sv a s t w a t e ra r e a s ，a n di tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns l o w i n gf l o o d ，s t o r i n gw a t e r , r e f i n i n gw a t e r , a d j u s t i n gc l i m a t ea n dp r o t e c t i n gb i o d i v e r s i t y t e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n te c o l o g i c a lf a c t o r , a n dt h ec h a n g eo fw a t e rt e m p e r a t u r e c a u s e sas e r i e so fp r o b l e m st ow a t e rq u a l i t y , a q u a t i c s ，a g r i c u l t u r a la n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a tp r e s e n tt h ew a t e rt e m p e r a t u r eo fb a i y a n g d i a nl a k ei ss t i l lab l a n kr e g i o no f s t u d y s os t u d y o nt h ev a r i a t i o nl a wo fw a t e rt e m p e r a t u r eo fb a i y a n g d i a nl a k ei sv e r yi m p o r t a n tf o rh e l p i n g u st ou n d e r s t a n da n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n to fb a i y a n g d i a nl a k e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h e n e w e s tt e r r a i nm a po fb a i y a n g d i a nl a k e ，i n t e g r a t ew i t ht h ea n n u a la i rt e m p e r a t u r ec u r v eo f b a i y a n g d i a nr e g i o na n dt h er e l a t e dd a t a , t h ew a t e rt e m p e r a t u r eo fb a i y a n g d i a nl a k ew a s s i m u l a t e db yu s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c eo nt h ea r a k a w as t a g g e r e dg r i d t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ： 1 ) i nh o r i z o n t a ld i r e c t i o n , t h e r ew e r es o m ed i f f e r e n c e si nt h es a m el a y e r ( s u c h 嬲 s u b s u r f a c ew a t e r ) i nt h ew a t e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fb a i y a n g d i a nl a k ef r o mt h em i d d l e o fm a r c ht ot h eb e g i n n i n go fa u g u s t 1 f 1 1 ed i f f e r e n c e sd i s a p p e a r e df r o mt h em i d d l eo fa u g u s t t ot h em i d d l eo fs e p t e m b e r 2 1t h es t r a t i f i c a t i o ne x i s t si nv e r t i c a ld i r e c t i o n f r o mt h eb e g i n n i n go fm a r c ht ot h ef i r s t t e nd a y so fa u g u s t ，s t r a t i f i c a t i o ni nv e r t i c a ld i r e c t i o ng r a d u a l l yc h a n g e df r o ma n o m a l o u st o r e g u l a r f r o mt h em i d d l et e nd a y so fa u g u s tt ot h ee n do fa u g u s t ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i nv e r t i c a ld i r e c t i o nw a su n a n i m o u sa n dt h e r ew a sn os t r a t i f i c a t i o n t h ea i rt e m p e r a t u r e d e c r e a s e di ns e p t e m b e r , s os t r a t i f i c a t i o no c c u r r e da g a i n 3 ) f r o mm a r c ht ot h eb e g i n n i n go fa u g u s t ，t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ns u r f a c e a n db o t t o ma l m o s te x i t sa l lt h et i m e ，a n dt h ed i f f e r e n c ei n t h es h a l l o wp a r t sw a sg r e a t e rt h a ni t i nt h ed e e pp a r t s i nt h em i d d l eo fa u g u s t ，t h ed i f f e r e n c ed i s a p p e a r e d ，a n di tc a m eb a c ki n s e p t e m b e r i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h es t a t u sa n dt r e n do fw a t e rq u a l i t ya n de u t r o p h i c a t i o no f b a i y a n g d i a nl a k e ，b a s i n gt h em e a s u r e dd a t ai n2 0 0 0 ，2 0 0 4 - , 2 0 0 6 ，t h ee n v i r o n m e n tq u a l i t y s t a n d a r d s f o rs u r f a c ew a t e ra n dt h ee u t r o p h i c a t i o ng r a d e f o rl a k e si nc h i n a ，t h ew a t e rq u a l i t y a n de u t r o p h i c a t i o ns t a t u sw e r ee v a l u a t e d 、砘t 1 1t h eg r a yc l u s t e r i n gm e t h o da n dt h et r o p h i c s t a t u si n d e xm e t h o d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a t ： i i i a b s t r a c t 1 ) t h ew a t e rq u a l i t yw a so fc l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h ew a t e rq u a n t i t y mp r o j e c to f d i v e r t i n gw a t e rf r o my u e c h e n gr e s e r v o i rt ob a i y a n g d i a nl a k es t e pi to u to ft h ew a t e rc r i s i s ， a n dt h ew a t e rq u m i t ya n de u t r o p h i c a t i o ns t a t u sw e r ei m p r o v e d 2 ) t h e r ee x i s t e dt i m e - s p a c ed i f f e r e n c ei nt h ew a t e rq u a l i t yd i s t r i b u t i o ni nb a i y a n g d i a n l a k e ，n l ew a t e rq u a l i t yw a sw e l li nh i g l lw a t e rs e a s o n i nt h em o n i t o r i n gs e a s o n s ，t h ew a t e r q u a l i t yo fb a i y a n g d i a nl a k ew a st h eb e s ti n2 0 0 5 1 f 1 1 ew a t e rq u a l i t yi nt h em i d d l ee a s tw a s b e t t e rt h a ni no t h e ra r e a s 3 ) p h o s p h o r u si st h ek e yf a c t o r , w h i c ha f f e c t e dt h ee u t r o p h i c a t i o ns t a t u so fb a i y a n g d i a n l a k e s oc o n t r o l l i n gt h ec o n t e n t so fp h o s p h o r u so ft h ei n p u tw a t e re f f e c t i v e l yw a sv e r y i m p o r t a n t a tp r e s e n t ，t h ea p p l i c a t i o n so ft h ew a t e rq u a l i t ym o d e l sp r o v i d ea ne c o n o m i c a la n d e f f e c t i v ew a yo ff o ra d m i n i s t e r i n gt h ew a t e rb o d i e s f o rp r e d i c t i n gt h ew a t e rq u a l i t yo f b a i y a n g d i a nl a k ea c c u r a t e l ya n di m p r o v i n gt h el o g i co ft h ew a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t , a c c o r d i n gt ot h ew a t e rq u a l i t yd a t ao fb a i y a n g d i a nl a k ef r o mm a r c ht on o v e m b e r , u s i n gt h e w a s p , t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h ew a t e rq u a l i t y2 - dm o d e lf o rb a i y a n g d i a nl a k e t h e nt h e m o d e lw a sc a l i b r a t e db yt h er e l e v a n td a t a mr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，t h ew a s pc o u l d p r e f e r a b l er e f l e c tt h ec h a n g i n gt r e n do ft h ew a t e rq u a l i t y t h ed a t as i m u l a t e da n do b s e r v e df i t w e l l n l ep a r a m e t e r si nt h em o d e lc o u l dg i v et h er e f e r e n c e st oo t h e rw a t e rq u a l i t ym o d e l so f b a i y a n g d i a nl a k e k e y w o r d s ：b a i y a n g d i a n l a k ew a t e r t e m p e r a t u r e w a t e rq u a n t y 斛 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名： 童! j 主堇日期：丛年厶月上日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密。 ( 请在以上相应方格内打“刀) 保护知识产权声明 本人为申请河北大学篝乎所提交的题目为( 自2 军魁陵翊( 硼) 的学位 论文，是我个人在导师秀墨疲指导并导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：垂j 蕴日期：丝! 星年厶月工日 作者签名：塞! 主重作者签名：丝丕兰 导师签名： 日期：j 生巫年- - 色月工日 日期：业笠年月仁日 第1 章绪论 第1 章绪论 湖泊是陆地表面具有一定规模的蓄水洼地，是湖盆、湖水和湖中物质相互作用的自 然综合体。我国的天然湖泊众多，据统计，我国大于1k m 2 的天然湖泊约有2 3 0 0 个，总 面积达7 0 9 8 8k m 2 ，总蓄水量约为7 0 7 7 亿m 3 0 1 。湖泊水利资源丰富，在调节河川径流， 提供工农业生产和人们饮用的水源，发展航运，繁衍水生经济动植物和调节气候等方面， 都发挥着重要的作用1 2 。3 】。 一般湖泊具有水面宽阔、水容积大、水流缓慢、更新期长等特点，另外湖水受到太 阳辐射，对流混合，气象、水文条件和热传导等条件的影响，使得湖泊具有特殊的水温 结构。温度是一个无处不在起作用的重要的生态因子，它可以影响生物的新陈代谢、生 长发育、繁殖、行为和分布等【2 。3 1 。任何温度的变化都会给生物和周围环境带来多方面 深刻的变化【4 】。如水温是影响藻类生长的重要的因素之一，它可以通过控制藻类体内酶 的活性或呼吸作用强度，直接影响藻类的生长，也可以通过控制水中各种营养物质的溶 解度，间接影响藻类的生长。温度也是水质因素的一个重要的变量，在确定其它水质指 标( 如b o d 和c o d 等) 时往往需要用到水温。水温对水体中污染物的扩散也起到重要 的作用。水温高，在一定程度上会加速污染物的扩散，进而影响水产养殖、农田灌溉和 居民用水等。 湖泊的水体污染和富营养化问题是普遍存在的，也是影响我国湖泊可持续发展的一 个重要问题。近年来随着工农业的迅速发展和城市化进程加快，城乡人口增加，大量的 工业废水和生活污水未经处理就直接排放到水体中；大量人类活动，如滩涂围垦及围湖 造田，沿岸开发利用，特别是盲目和无计划的开发利用，给诸多湖泊环境造成了不良影 响。全国性的湖泊富营养化、湖泊水质恶化、湖泊淤积或萎缩、湖泊生态系统破坏以及 干旱地区湖泊水质咸化等环境问题不断出现和发生，严重影响了湖泊沿岸人民生产、生 活和经济的发展，己成为当前我国迫切需要解决的环境问题。 1 1 国内外研究进展 1 1 1 水温模拟方法 1 1 1 1 经验公式法 河北大学理学硕士学位论文 我国自2 0 世纪7 0 年代以来，为了能够解决生产中遇到的实际问题，提出了许多水 温的经验算法，主要包括东勘院法【5 】、朱伯芳法 6 1 、统计法川、李怀恩澍8 1 等。以上这些 方法的相同点是都具有应用简便的特点，只需要各月的水库表底温度，便可以计算出该 水库各月的垂向温度分布；不同点是预测垂向温度分布的公式形式不同，适用范围不同。 经验法也存在一些缺点：( 1 ) 适用范围受限，经验公式是根据当时已建的水库数据建立起 来的，对与后来新建的新型水库则不太适用；( 2 ) 模拟精度不高，由于模型考虑的参数较 少，忽略了一些影响水温的参数，所以模拟结果的精度受限【5 。8 】。由于经验法存在的诸 多缺点，这就要求科研工作者对水温的模拟方法进行进一步的探究。 1 1 1 2 数学模型法 美国是最早利用数学模型研究湖泊、水库水温的变化及分布规律的国家。在2 0 世 纪6 0 年代，美国为了解决湖泊和水库的富营养化问题，以及水利工程带来的环境问题， 开展了湖泊、水库的水温研究工作。 2 0 世纪6 0 年代末，美国水资源工程公司( w r e ) 的o r l o b 和s e l n a 与麻省理工学 院( m i t ) 的h u b e r 和h a r l e m a n ，分别独立地提出了各自的深分层蓄水体温度变化的垂 向一维数学模型，即w r e 模型和m i t 模型【9 以3 1 。目前，这是最具代表性的水库垂向一 维数学模型，而且这两个模型仍在美国广泛应用。这两个模型的提出对后来水库( 湖泊) 水温数学模型的发展和研究都产生了深远的影响【体1 6 1 。 因为w r e 和m i t 模型是基于对流扩散方程构建的，所以这两个模型也被称为扩散 型。2 0 世纪7 0 年代中期和后期，s t e f a n 等又提出了能量模型，如s t e f a n - f o r d 模型，该 类模型从能量的角度出发，将湖泊( 水库) 水体视为一维分层系统，以紊流动能和势能 的相互转化计算湖泊( 水库) 的水温。s t e f a n f o r d 模型在三个温带小型湖泊的水温模拟 中取得了满意的结果【1 7 1 。1 9 7 8 年，i m b e r g e r 等提出了一个适用于中小型水库的d y r e s m 模型，该模型已用于几个中等规模的水库，并取得令人满意的结果【1 8 】。 我国湖泊水温数学模型的研究起步较晚，主要是在吸收国外研究成果的基础上，针 对实际需要，进行了某些局部的改进和处理，应用效果都较好。如1 9 8 1 年，我国引进 了m i t 模型，并结合我国的实际情况，对模型进行了修正和完善。该模型为垂向一维 模型，主要用于模拟和预报作为热电厂冷却水源的深水库、深水湖泊和冷却池的水温分 布，也可以用于无热负荷的深水库和深水湖泊的水温分布的模拟和预报【1 9 】。李怀恩等人 第1 覃绪论 在原有垂向一维水温模型的基础上，根据不同的对象，做了进一步改进。改进后的模型 在实际应用中，取得了较好的结果【2 0 之2 1 。 除上述一维模型外，上世纪7 0 年代以来，国内外在水库( 湖泊) 的水温研究中， 还建立了二维和三维模型，以二维模型居多。在二维水温模型中，c e q u a l w 2 模型 是由美国陆军工程师团水道实验站，在1 9 8 6 年开发的二维纵深方向的水动力学和水质 模型。它假定水库横向均匀，因此比较适合于狭长型的，并且仅在纵向和垂向上存在温 度梯度的水体瞄】。k u o 使用c e q u a l w 2 ，对t e c h i 水库的水温和水质进行了模拟， 并取得了预期的结果1 2 4 1 。k a r p i k 在l a r m 模型的基础上，摒弃了静力水压假定，并提 出了适用于水库水温计算的方法，建立了l a h m 的二维水库水温模型【2 5 1 。另外还有其 他一些研究者提出了他们各自的二维水温模型泌2 7 1 。 我国在水库和湖泊二维水温模型的研究中也建立了一系列的模型。江春波等采用全 显式的有限体积法建立立面二维模型，通过优化取水口位置高程，对水库流动、温度、 悬浮物分布进行模型，结果与实际值吻合良好【2 引。陈小红采用立面二维茁一占紊流模型 模拟具有弱分层的湖泊型水库的温度计算【2 9 】。熊伟等利用一二维耦合的方法对三峡水库 的水温进行了模拟【3 0 】。任华堂等采用算子分裂技术求解三维n s 方程，协调不同物理过 程模拟的时间步长，建立了大型水库和深水湖泊的三维水温数值模型【3 1 。2 1 。 1 1 2 水质数学模型 水质模型是描述污染物在水体中随时间和空间迁移转化规律及影响因素相互关系 的数学方程，是水环境污染治理规划决策分析的重要工具【3 3 】。纵观水质模型的发展，其 发展历程大致可以分为三个主要的阶段阱。6 】：第一阶段( 1 9 2 5 1 9 7 5 年) ，这是水质模型 发展的初级阶段，该阶段中的模型主要以水体本身为研究对象，注重研究水体内部各组 分间的相互关系，侧重于氧平衡及点源污染源的污染研究，一般为一维模型，且模型的 变量较少。如最早的s p 模型，以及后来出现的t h o m a s 模型、d o b b i n s c a m p 模型、 o c o n n r 模型、v o l l e n w e i d e r 模型等。第二阶段( 1 9 7 5 1 9 8 5 年) ，是水质模型快速发展 阶段，主要涉及相互作用的非线性系统模型和多种相互作用系统模型的研究，模型的空 间尺度逐步扩展到二维和三维，模型中考虑的变量也明显增多。第三个阶段( 1 9 8 5 仓) ， 是水质模型的深化研究及扩展阶段。此时对水质模型的研究主要集中于将动力系统引入 水质模型；增加水质模型的中的组分及状态变量数目，使水质模型的模拟更接近与实际 1 河北大学理学硕士学位论文 情况；增强水质模型的稳定性和计算精度；增加水质模型与面源模型的对接；将新的研 究成果引入水质模型的研究，如随机数学模型、灰色聚类系统、地理信息系统、遥感技 术、全球定位系统、人工神经网络、专家系统等。这一阶段的代表模型有w a s p 7 2 、 c e q u a l r 1 、c e q u a l w 2 、m i k e 等 3 6 - 4 0 1 。 国内在2 0 世纪8 0 年代中期才开始水质模型的研究，虽然起步较晚，但是也取得了 一定的成果。河海大学开发了h w q n o w 模型，并应用于感潮河网地区，并得到较好的模 拟结果1 4 1 1 。上海市政府对w a s p 软件二次开发，建立苏州河水系动力学水质模型的研究 【4 2 】。马生伟等将将等效混合体积引入水质模型的研究，并构建出一个全新、实用的深水 湖泊水质模型【4 3 】。 目前常用的水质模型软件iw a s p ，由美国环境保护局开发，可以模拟河流、湖泊、 水库、河口等水体 4 q 。c e q u a l w 2 ，由美国陆军工程兵团水道实验站开发的二维水动 力学模型，可以模拟湖泊和水库的水质在纵向和垂向上的变化【2 3 1 。c e q u a l r 1 ，由美 国陆军工程兵团水道实验站开发的一维水动力学模型，可以模拟湖泊和水库的水质在深 度方向上的变化。m i k e 2 1 和m i k e 3 ，由丹麦水动力研究所开发的，用于湖泊水质的模 拟【3 7 1 。 国内水质模型与国外的主要差距在于通用性及界面问题。国内水质模型主要针对某 个特定的对象进行设计，故而模型的通用性比较差。另外在可视化界面方面，模型缺乏 友好的用户界面，其他用户使用不便。 1 1 3 富营养化评价方法 湖泊富营养化是指生物所需的氮、磷等营养物质大量进入水体，引起藻类及其他浮 游生物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，造成鱼类及其他生物大量死亡，使水体使用功 能降低的现象【4 5 1 。富营养化对湖泊的危害巨大，所以对水体富营养化程度进行评价，判 断湖泊富营养化状态，预测富营养化发展趋势，对湖泊来说是非常必要的。早期的富营 养化评价以综合评价方法为主，另外还有特征法、参数法、生物指标评价法等。近些年， 随着数学和计算机技术的蓬勃发展，以数理统计为基础的层次分析、灰色模型、模糊评 价、神经网络等方法发展迅速。在此基础上富营养化评价方法也得到丰富，出现了营养 状态指数法、营养度指数法、评分法、灰色聚类法、模糊综合评价法等跚。在3 s 技 术的发展，也为富营养化评价提供了新的途径【5 ”7 1 。 l - 第1 章绪论 目前在国内应用较为广泛的方法是营养状态指数法、营养度指数法、模糊评价方法、 神经网络法等。 营养状态指数法是综合多项富营养化代表性指标，将其表示成指数，进而对水体营 养状态进行分级的方法。c a r l s o n 提出了以透明度为基准的t s i 指数，该方法的基础是 假定湖水中的悬浮物质全部为浮游植物。但该方法忽略了浮游植物以外的其他因子对透 明度的影响 5 4 1 。为了弥补上述不足，a i z a k i 分析了t s i 中各参评参数间的关系，提出了 以叶绿素a 为基准的t s i m 法【5 钔。李祚泳等通过对我国一些湖泊水库的营养状态的调查， 选择大理洱海和广州流花湖分别作为贫营养和富营养状态的标准湖泊，与t s i 和t s i m 作比较，得出了适合我国若干湖泊富营养化评价的t s i c 法【5 9 1 。营养度指数法是在营养 状态指数法的基础上，引入层次分析法和主成分分析法而得到的。 营养度指数法( a h p p c a ) 是将主成分分析与层次分析相结合的一种综合评价水体 富营养化状态的方法。其综合营养度指标由各因子分营养度加权平均求得，权重由主成 分析因子相关阵确定的因子的量值权和层次分析判断阵的确相对重要性权的之积确定。 模糊评价方法是将模糊数学的方法，引入到水体富营养化的评价中。基本思想是充 分利用现有的营养状态评价的各种指标，将隶属度的概念引入评价体系，对湖泊的富营 养化状态进行评价。 神经网络是一个可以自组织和自学习的非线性系统，通过学习训练可以建立各种输 入和输出变量之间的映射关系。神经网络评价法就是根据神经网络的特点建立起来的进 行实际系统评价和预测的方法。 1 1 4 水质评价方法 目前国内存在的主要水质评价方法包括单因子评价法、灰色聚类法、模糊评价法、 神经网络法等。 单因子评价法是采用水质最差单项指标所属类别来确定被评价水体的水质类别的 方法，该方法具有简便、快捷的优点。但是单因子评价法不能获得各种评价因子共同作 用的综合信息。 灰色聚类法是区分聚类元素在聚类指标下的所属类别的方法。它是选取水质评价中 的参数为聚类参数，并按照各参数在评分标准下的分级作为聚类分析的基本指标，构建 聚类函数，之后按照每个分级标准对聚类函数进行加权求和，构造聚类向量，并求出最 s 河北大学理学硕士学何论文 暑曼量皇曼曼皇喜鼍曼曼曼舅曼皇詈皇皇皇皇曼曼曼置鼍舅舅曼皇鼍! n n n ln n i 量詈量鼍皇喜量皇曼曼量 大元素，由此可得该水体的水质类别。该方法计算过程简单，并能体现出各参评因子对 水质的综合影响。 水质评价的模糊评价法以及神经网络法的原理与富营养化评价中的相似，这里不再 赘述。 1 2 研究目的和意义 白洋淀位于华北平原中部，地处海河流域大清河水系的九河下梢，是具有广阔水域 面积的沼泽湿地，集水源地、调节气候、缓洪滞沥、净化水体、保护生物多样性等多种 功能于一身，对维持华北地区的生态平衡发挥了不可替代的作用【删。目前对白洋淀水温 的研究仍是空白，而水温是一个重要生态因子，对水温的研究可以解释水生生物的分布 原因，为水产养殖提供科学依据。因此对白洋淀的水温进行研究，不仅可以填补白洋淀 水环境的研究空白，而且可以为其他学科的发展提供参考。 上世纪7 0 年代以来，随着上游水库建成使用，工农业生产用水的增加以及持续的 干旱，自洋淀水量骤减，多次出现干淀现象。而且随着白洋淀流域人口的增加，工农业 的迅速发展，大量生活污水和生产废水直接排放到淀内，使得白洋淀的水体污染，富营 养化严重。污染物的分解加速了水质溶解氧的消耗；富营养化使得水中藻类繁盛，水体 透明度下降，水的感官变差。这些都严重影响了淀内水产养殖及旅游业的发展。针对白 洋淀的现状，为了更好的发挥白洋淀的生态作用，保护白洋淀的生态环境，对白洋淀的 水质进行分析、研究非常必要，同时具有现实意义。水质的分析可以显示白洋淀目前存 在的主要问题，并为问题的解决提供依据；水质的模拟可以为白洋淀科学管理和可持续 开发利用提供参考。 第2 章白洋淀水温模拟 第2 章白洋淀水温模拟 2 1 引言 水温升降能够反映出湖中蓄热量的增减。通过湖水热量衡算，可以确定湖泊蓄热量 的变化，研究湖水温度的空间差异。研究温度成层，可以解释湖水运动、化学成分、水 生生物变化和分布的原因。此外，水温还可以影响水中细菌的生长繁殖和水的自然净化 作用。目前对于白洋淀的研究非常广泛 6 1 - 6 5 】，但是对白洋淀水温的研究却是空白。所以 本文从热力学和动力学角度，对白洋淀水温的时域和空域变化进行了模拟研究，并从中 总结出了白洋淀次表层水温变化规律，为我们全面了解白洋淀、科学管理和保护白洋淀 及其他相关学科的研究提供参考。 2 2 实验材料和方法 2 2 1 实验材料 由于白洋淀上游来水较少，因此当地的气温就成为了影响自洋淀水温变化的最主要 的因素。计算采用的气象资料包括当地的各种气象条件，其中部分资料采用河北气象局 网站2 0 0 6 年3 月份实测资料，包括大气温度、大气压力、相对湿度、云量覆盖、风速 等。由于计算所需数据很多，气象资料的准备主要根据白洋淀附近年均气温曲线阳，并 结合河北气象局网站综合得到。 2 2 2 实验方法 描述流体水动力和热力系统的基本方程为【6 7 】：关于运动的动量方程，描述质量守恒 的连续方程以及状态方程，能量守恒方程等。为了把这些方程应用到实际计算中，针对 湖泊的特性，对这些方程作了一些假定和近似： 1 ) 湖水作为不可压缩流体，湖水的密度不变，即害= 0 。 l ，l 2 ) 湖泊垂向尺度与水平尺度的型比数远小于l ，根据量纲分析，运动的垂向速度分 量远远小于水平速度分量，那么垂向的运动方程可用静力平衡方程来近似，即重力加速 度和垂向压力梯度相平衡。 河北大学理学硕士学位论文 3 】状态方程采用m i t g c m 的处理方法，将密度分为参考密度和密度异常值两部分。 4 、热传导方程。 在右手笛卡儿坐标系( 东向为j 轴正方向，北向为y 轴正方向，垂直向上为z 轴正 方向，轴的零面取在水平位势面上) 中，基本方程有： 竺十竺+ 竺：01 斑却出 塑西+ u 8 盘u + v 万o u + w i o u 一一= 一j 罢+ 一 窘+ 矿o z u + 窘 十只c ：， 堡o t + “罢+ v 考+ w 鲁一 一；考+ 一( 笔o x + 寄+ 窘 + e t ：， 缸却。p 如i2 却2 如2j 宴= 一, o g ( 24 ) 卢= p 仃，p ) = p 。+ ( 25 ) 詈+ “罢+ v 塑+ w 罢= c 、( 0 别2 t + 可0 2 t 0 3 ,+ 窘) + 品 c zs ， a盘如。l 打2 却。如j 式中：p ，p 0 ，p 一分别为湖水密度、参考密度和密度异常值：，一科氏参量：r 一 温度： ，v ，w 一速度；e ，只外力：s r 一源项。 2 23 白洋淀地形、地貌与理想假设 圈2 1 白洋淀l o o m 网格精度地形目 f i g21m a p o f b a i y 皿g d i a n i o p o g r a p h y ( m e s h ：l o o m ) 第2 章白洋淀水温模拟 白洋淀的具体位置位于n 3 8 。4 3 n 3 9 。0 2 ，点1 1 5 3 8 一1 1 6 0 7 之间。四周以千里 堤为界，东西长约3 95 k m ，南北长约2 85 k m ，淀内总面积3 6 6 k m 2 ( 十方垸大沽高程) 。 但根据最新数字化得到的白洋淀数字地形图( 图2 ”，白洋淀计算区域可看作1 0 0 0 k i n 2 的矩形区该数字地形高程的水平采样分辨率为0 8 5 m p ，即陆地实际距离o8 5 m 一个 采样点。数字化地形图根据1 ：1 0 0 0 0 地形图数字化得到。本文确定白洋淀的计算范围为 东西长3 22 5 k r a ，南北长3 42 5 k i n 。图21 是1 0 0 m 网格精度数字化采样得到的地形图。 10002 0 02 5 0 3 0 0 图2 3 白洋淀水垃8 o m 高程水面分布 f 镕23 w a t e r s u r f a c e a t80 m l e v e l o f b a i y a n g d i a n 9 网川h川幽_隰二二川幽_ 河北大学理学硕士学位论文 白洋淀水域在生态最低水位【删( 7 2 m ) 时分布很小( 如图2 2 ) ，尤其是南部区域出 现大面积的干涸，考虑到模拟大面积干淀没有实际意义，本文假定白洋淀区域大部分充 满水面。另外，水生动物最佳生活水深【6 9 1 为1 7 7 4 o m ，由此，本文采用水位高程达到 8 0 m 的情况，水面分布见图2 3 。对于个别地点属于深坑的情况( 数字地形显示最低高 程1 0m ) ，在计算前，进行地形平滑处理，使其深度限定在计算网格深度内。 作为华北地区最大的淡水湖泊湿地，白洋淀内芦苇很多，为了计算方便，作为近似 理想状态，本文没有考虑芦苇生长的影响，认为自洋淀是一个水面开阔的水体。另外， 由于河北省连年干旱，降水较少，入淀河流基本干涸的实际情况，本文忽略了降水、蒸 发和径流等因素对模拟的影响。 2 2 4 方程求解设定 方程变量求解采用了a r f l k f l w a 交错网格的有限差分求解，压力和速度等交错布置网 格，垂向积分分层计算。在满足模型要求的稳定性等基础上，本着计算精细的原则，将 计算区域划分为1 3 7 x 1 2 9 x l o 的网格，即东西方向划分为1 2 9 网格，南北方向划分为1 3 7 网格，垂向分层划分为1 0 层网格。网格尺寸为缸= 缈= 2 5 0 m ；在垂向上，为了充分揭 示温度的变化，网格划分采用不等距网格，划分厚度分别为6 个0 3 m 层厚，2 个o 5 m 层厚，1 个1 o r e 层厚，1 个2 2 m 层厚，最深设定为6 m 。水深超过6 m 的深坑作为6 m 深度处理。时间步长为a t = 2 4 0 s 。方程求解需要的初值设定采用如下原则：3 月初，认 为白洋淀水温表底一致，统一给定。模拟计算的起止时间是，3 月1 日1 0 月1 日。 2 3 结果和分析 2 3 1 白洋淀不同时期同层水温变化 由于计算结果不能一一列出，所以仅选取每月的5 日为例来说明次表层水温的变化 情况。图2 4 给出的是月间白洋淀的次表层水温分布图。白洋淀的次表层水温的差 异从4 月初开始出现。从图中可以看出4 月5 日时，淀内次表层水温分布存在差异，而 且大致可分为4 个温区，即低温区、中温区、高温区和超高温区。低温区分布较零散， 水温在2 5 左右；中温区面积最大，水温约为3 5 c ；高温区主要集中在淀区周边，水 温约为4 0 。超高温区水温在5 0 c 以上。低温区的升温速度比其它地方慢是由两方面 第2 章白_ = 羊淀木温模拟 的因素造成的，一是低温区的总体水深度要比其它区域的深；二是水的比热值高。超高 温区的一般出现在岸边，这些地方水的整体深度最浅而且周围的地温叉较高，所以这 里水温的升温速度要比淀内其它地方快。 5 月5 日与4 月5 日的次表层水温分布情况相类似，其各个温区的平均温度分别为 48 、6 1 、6 6 和9 0 。将6 月5 日淀内次表层水温分布与5 月5 日的相比，可以 发现淀内升温现象非常明显。这主要是日照时间变长，日照强度增大，气温回升的结果。 到了7 月5 日，淀内基本形成3 个温区，分别为低温区、中温区和高温区。三个温区的 平均水温约为82 c 、1 00 和1 2o c 。8 月5 日时，淀内次表层水温较以前有了进一步 升高，水温均在1 0 0 以上。到了9 月5 日，淀内可划分为两个温区，而且两个温区问 的温差不大。经计算，淀内次表层水温的最高值出现在8 月份，此时的平均水温在1 4 。图2 5 给出的是淀内次表层水温最高时的温度分布情况。 8 0州6 。b o州2 。 网圆嘲 _网二二蚓圈_ 型i ! 奎茎銎茎堡耋茎堡丝圣 抽1 1 2 02 04 08 0f 0 01 图2 4 白洋淀次表层水温在不同月份的温度分布 f i 9 2 4 d i s t r i b u t i o no f s u b s u r f a c e t o m p e l a t u r e o f b a i y a n g d i a n l a k e i n d i f f e r e n t m o n k s 2 04 06 0 8 0 1 0 0 2 0 图2 5 白洋诧次表居水温最高时的温度分布 f i 9 25 d i s t r i b u t i o no f