基于DYRESM-CAEDYM模型的太湖污染控制效果评估

运用澳大利亚西澳大学水研究中心开发的DYRESM-CAEDYM模型对2005年太湖水质进行了模拟,确定了一套可应用于太湖水质模拟的参数,并进行了模拟结果的验证;模型对水温模拟结果较好,总氮(TN)、总磷(TP)以及藻类浓度全年模拟的总体变化趋势与实测相一致。同时运用该模型对污染控制效果进行评估,从清淤、调水以及控制入湖河流污染负荷这3种措施在太湖水质改善中的效果的比较来看:这3种方案使年底TN质量浓度分别下降了16%、6%和30%;TP质量浓度分别下降了4.6%、4.1%和31.8%;藻类质量浓度的峰值从61.01μg/L下降到55.79、55.92和52.99μg/L,另外藻类质量浓度超过Ⅳ类水(30μg/L)的天数分别从88 d下降到44、81以及43 d。清淤(CASE-1)和入湖河流能控制在Ⅳ类水(CASE-3),两者效果均好于调水(CASE-2)。今后将运用DYRESM-CAEDYM模型模拟综合实施多种措施下的水质改善效果,为太湖水质管理以及藻类水华暴发的预警方法进行进一步的探索。

蒙特卡洛算法在水动力水质模型(DYRESM-CAEDYM)参数优选中的应用

针对以往生态动力学模型DYRESM-CAEDYM在应用中,多采用手动方法确定参数值时较为费时费力的缺点,引入蒙特卡洛随机抽样算法对模型参数进行自动率定。以广东省大沙河水库为例,选择率定期为2011年11月至2012年2月,利用2012年7月至2012年11月实测水质数据对模型进行验证。结果表明,在率定阶段模型对水温的模拟结果非常好,表层和底层温度的均方根误差(RMSE)分别为3.53℃和2.00℃,相对误差(RE)值均小于0.15;模型对溶氧的模拟结果良好,表层和底层的RMSE值分别为1.23 mg·L·-1和1.85 mg·L·-1,RE值分别为0.08和0.20。在验证阶段,温度表层和底层的RMSE分别为2.49℃和1.67℃,RE值均小于0.1;溶氧在表层和底层的RMSE分别为2.15 mg·L·-1和0.79 mg·L·-1,RE分别为0.17和0.11。因此,经采用蒙特卡洛方法率定后得到的大沙河水库DYRESM-CAEDYM模型参数值较为可靠。

基于DYRESM模型的太湖全年水温模拟及其在水华预警中的应用

水温是湖泊生态系统的重要驱动因子,太湖蓝藻水华暴发过程与湖泊全年水温变化密切相关。本文从水温角度出发,运用澳大利亚西澳大学水研究中心开发的一维DYRESM水动力学模型模拟了太湖2005全年的水温变化状况,并通过太湖2005年水温实测值进行了验证,模型结果较好的反应了2005年太湖逐日水温的变化情况。另外从水温角度对太湖蓝藻水华暴发阶段作出分析,为太湖蓝藻水华暴发的预测预警研究进行了方法上的准备和探索。

基于ELCOM-CAEDYM模型的太湖蓝藻水华早期预测探讨

结合太湖蓝藻水华形成的"四阶段理论",基于澳大利亚西澳大学水研究中心开发的ELCOM-CAEDYM耦合模型框架构建了太湖水华蓝藻生态动力学模型,对蓝藻水华的形成进行模拟,分析了太湖蓝藻水华早期预测的可行性.结果表明:该模型在较长时间尺度上对春季复苏阶段及生长上浮阶段蓝藻水华的形成模拟效果较好,蓝藻生物量模拟值与站点调查值的误差变化范围在1.0%～70.4%,平均误差为28.0%,与MODIS卫星反演值的误差变化范围在3.8%～83.9%,平均误差40.5%;但越冬阶段蓝藻生物量模拟输出值与站点调查值的误差变化范围在3.0%～143.6%,平均误差为40.1%,与MODIS卫星反演值的误差变化范围在9.7%～118.4%,平均误差为48.8%,表明模型对蓝藻越冬过程模拟能力还不强,应在蓝藻越冬机制模拟计算方面进一步改进,以满足蓝藻水华早期预测的需要.

基于ELCOM-CAEDYM模型的淀山湖营养物投入响应关系的模拟

针对淀山湖严重富营养化的问题,应用三维水动力-水质耦合模型ELCOM-CAEDYM对淀山湖水质进行了模拟,确定了一套可应用于淀山湖水质模拟的参数,并对模拟结果进行了验证;验证结果显示,ELCOM-CAEDYM耦合模型较好地模拟了常规水质和藻类浓度动态变化,模拟结果的总体变化趋势与实测结果相符合.同时运用该模型对淀山湖营养物的投入响应关系进行了模拟研究.从模拟结果来看,淀山湖叶绿素a含量随淀山湖磷输入量的变化而变化的趋势较显著,氮输入量的增加对淀山湖叶绿素a含量的影响并不明显,当淀山湖总氮含量降低到3.70-4.31mg/L之间的某个临界值以下或者更低时,淀山湖叶绿素a的含量会明显减少.

引江济巢对巢湖的水环境影响分析

建立了巢湖一维水质模型DYRESM-CAEDYM,并利用2005年的实测水质、水文、气象等数据对模型进行了参数率定,确立了适用于巢湖水环境特征的水质模型参数.应用该模型模拟了调水对巢湖TN,TP和Chl-a指标的影响,结果表明,年调水量为9.57×108m3时可使巢湖的ρ(TN)和ρ(TP)下降约16%和19%,ρ(Chl-a)峰值从51.42μg/L降至38.96μg/L,ρ(Chl-a)超过30μg/L的天数从26 d减少到16 d,对巢湖夏季蓝藻暴发具有一定的缓解作用.对比分析了流域污染综合治理对巢湖水环境的改善效果,结果显示,如果各支流的入湖污染负荷能够削减5%,同时开展底泥清淤工作,可使巢湖的ρ(TN)和ρ(TP)得到较大程度的改善,与没有治理的情况相比分别降低约24.9%和33.3%,使巢湖夏季的ρ(Chl-a)峰值从51.42μg/L降至32.72μg/L,ρ(Chl-a)超过30μg/L的天数从26 d减少到7 d.

调水对巢湖浮游植物群落演替模式的影响

建立了巢湖生态动力学模型CAEDYM,并利用2010年的实测出入湖流量、水质、水文、气象等数据对模型进行了参数验证,确定了适用于巢湖水环境特征的生态动力学模型参数.利用模型中的磷循环原理模拟了巢湖水体中磷的生态动力学循环过程和浮游植物群落的季节性演替模式,并模拟了调水对浮游植物群落演替模式的影响.模拟结果表明,巢湖浮游植物优势种的演替模式为:春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势,冬季硅藻占优势.通过夏季的短期调水可使巢湖各点最终的TN、TP分别平均下降了约18.9%,25.2%.从Chl a的计算结果可知,调水的实施对巢湖西半湖和中部湖区Chl a的改善效果比较明显,可使Chl a的峰值从69μg/L下降到57μg/L,对巢湖的蓝藻有较好的改善效果,且对浮游植物群落的季节性演替影响不大.

太湖磷循环的生态动力学模拟研究

构建了太湖水生态动力学模型(CAEDYM),依据已有相关研究成果对模型参数进行了初选,利用2005年的水文、气象、水质等监测数据对模型参数进行了率定,分析了湖泊水体磷的循环机制和沉积物内源磷的释放机制.结果表明,水温和溶解氧的模拟结果与实测数据非常吻合,TP、PO43-和Chl-a的变化趋势也与实测结果基本相同.浮游植物优势种的演替模式表现为:冬季隐藻和硅藻占优势,春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势;磷的内源释放对太湖磷循环影响的模拟结果表明,在不改变外源输入的情况下,降低底泥中磷的再悬浮作用能够有效降低水体中Chl-a的浓度,但对水体中TP及PO43-的影响较小.

淀山湖总氮和总磷的时空模拟分布

为了解氮磷在淀山湖的时空分布特征及变化规律,运用ELCOM-CAEDYM耦合模块分析了2008年淀山湖总氮和总磷浓度的时空变异。研究表明:模型较好地模拟了淀山湖上覆水中的总氮、总磷的时空分布,总氮、总磷质量浓度总体变化趋势与实测值相一致。淀山湖春冬季总氮的质量浓度要明显高于夏秋季,3月份是淀山湖总氮质量浓度最高的时候,千墩港是淀山湖总氮质量浓度最高的区域。淀山湖总磷的分布并未表现出季节上的规律性,空间分布整体呈现北高南低的趋势。

太湖小时尺度水面蒸发特征及3种模型模拟效果对比

小时尺度水面蒸发可影响水面大气边界层热力和动力结构,分析湖泊小时尺度水面蒸发主要影响因素,选取准确模拟其特征的蒸发模型,将有助于改善流域天气预报和空气质量预报.基于太湖避风港站2012—2013年通量、辐射和气象观测数据,分析太湖小时尺度水面蒸发主要影响因子和3个模型(传统质量传输模型、Granger and Hedstrom经验模型、DYRESM模型)的模拟效果.结果表明:影响太湖小时尺度水面蒸发的主要因子为水气界面水汽压差和风速的乘积,而非净辐射.传统质量传输模型、Granger and Hedstrom经验模型、DYRESM模型模拟值与全年实测值的一致性系数分别为0.92、0.87和0.89,均方根误差分别为28.35、41.58和38.26 W/m^2.传统质量传输模型对太湖小时尺度水面蒸发的日变化和季节动态模拟效果最佳,其夜间模拟相对误差小于3%,除秋季外,其他季节的模拟绝对误差均小于4 W/m^2.Granger and Hedstrom经验模型系统性地高估太湖潜热通量,在大气较为稳定的午后(高估22~32 W/m^2)和冬季(高估72%)高估最为明显,模拟效果最差.DYRESM模型也系统地高估太湖潜热通量,模拟效果居中.考虑水汽交换系数随风速的变化特征将有助于改善传统质量传输模型和DYRESM模型对太湖小时尺度水面蒸发的模拟精度.

基于DRYESM模型的红枫水库水体热分层特征及关键控制因素模拟研究

水温结构是湖库生态系统演化的重要基础,热分层稳定性对深水湖库水体物理、化学和生物演化具有重要影响,因此研究水体热分层特征及关键控制因素具有重要意义。本文运用DYRESM水动力模型模拟了红枫水库2014年全年的水温变化特征,并对影响水体热分层结构的关键控制因素进行了探究。结果表明:1) DYRESM水动力学模型可有效模拟红枫水库的水体热分层特征及时间演化规律,可准确预测水体热分层形成和消亡的时间及去分层强度。2)气温变化对水库水体热分层具有明显影响,增温可加速水体热分层的形成,造成温跃层下潜和去分层延迟;短波辐射的增强(<40%)不会对红枫湖水温结构造成明显影响,但可导致去分层发生时间后延;风速是水体热分层稳定性的敏感因素,当风速增加40%后,热分层演化发生较大变化,表现在6～9月份中层及底层水温大幅升高(从9℃上升到14℃),去分层时间提前30天,相应造成分层期缩短。

抚仙湖历史水位反演与未来30年水位变化预测

在极端气候事件频发和人类活动加剧的背景下,抚仙湖水位波动显著,尤其是2009—2012年极端干旱事件的发生,使抚仙湖平均水位(1721.31 m)低于法定最低水位(1721.65 m),给生态环境安全带来严重威胁.因此,找到合适有效的湖泊水位模拟方法,对气候变化影响下的未来水位进行预测,并做好相应的应对准备,对湖泊生态系统的保护至关重要.本文运用DYRESM水动力模型对抚仙湖1959—2050年水位进行了模拟.因抚仙湖流域尚无长时间序列的历史水文观测数据,故利用模型和水量补偿法对抚仙湖入湖水量进行反推,构建了降水量—入湖水量的回归方程,并通过有效的实测入湖水量和水位数据,对回归方程的精度进行了检验.利用全球气候模式BCC-CSM2-MR中SSP245和SSP585两种情景提供的未来气候预估数据,运用DYRESM预测了抚仙湖2021—2050年水位变化趋势.结果表明:(1)构建的DYRESM水动力模型和降水—入湖水量回归方程精度较高,模型结果能很好地反映抚仙湖水位的年际和年内变化趋势,且能有效捕捉到抚仙湖的水位峰值.(2)在SSP245和SSP585两种情景下,抚仙湖2021—2050年多年平均水位分别为1722.98和1723.93 m,较1959—2017年平均水位1721.77 m分别升高1.21和2.16 m.两种情景下抚仙湖未来水位均有部分时段超过法定最高蓄水位(1723.35 m),但均高于法定最低水位.因此,未来气候变化对抚仙湖水量的影响有限,并不会导致水位过低,当水位超过法定最高蓄水位时,可通过控制出流闸门将水位调节在合理范围内.

松涛水库水温数值模拟研究

为研究热带地区湖泊型水库水温分布规律,以海南省松涛水库为研究对象,采用垂向一维水温模型——DYRESM模拟水温分布,探究该水库水温结构及垂向水温年内演变规律。经分析可知:松涛水库水温呈显著的稳定分层结构,水温垂向分布具有明显的季节性;6、7月平均水温最高,2月最低,水深40 m处至库底水体水温不随时间改变,常年保持在19℃左右;全年内,水库表层水温均高于入流水温和当地气温;入库流量猛增时会导致水库水温出现双温跃层结构。

千岛湖极端水位变化对温跃层的影响

为分析千岛湖极端水位变化对温跃层的影响,在水温垂直剖面数据缺测情况下,采用率定后的一维水动力模型DYRESM模拟了不同水位变幅下的温跃层,并设置了极端水位变化情况(情景1)和正常水文条件(情景2)两种情景进行对比分析;基于湖泊分析程序Lake Analyzer计算了两种情景下温跃层表层和底层深度、温跃层厚度和施密特稳定度等。模拟结果表明:情景1水体混合期为2013年11月20日至2014年3月23日,同时段内情景2水体混合期则为2013年12月5日至2014年3月16日;情景1在高水位时,湖体从上到下呈“混合层、温跃层、均温层(30~40 m水层)、温跃层、均温层”的双温跃层结构,同时段内情景2则呈“混合层、温跃层、均温层”的单温跃层结构;情景1与情景2相比,平均水位低2.24 m,施密特稳定度均值低119.19 J/m^(2),可见极端水位变化条件下出现的低水位情况能显著降低水体稳定度。

DYRESM和新安江模型在洱海出入流重建中的应用对比

湖泊是重要的淡水资源。在气候变化和人类活动的背景下,湖泊提供的淡水资源越来越有限,湖泊水量的计算对于了解全球和区域范围内的可利用淡水资源量具有重要意义。在洱海流域,日和月尺度上的出入流数据几乎没有,仅能从文献中查找到部分年尺度的入流数据,为洱海水量的精确计算带来了困难,因此,不得不借助水文或水动力模型来进行水量的精确反演。论文基于洱海实测水位、水位—库容曲线和水量平衡的方法,建立DYRESM计算洱海2000—2020年主要出入湖河道逐日流量,运用新安江模型反演洱海同时期逐日入湖流量,探究新安江模型在高原地区的适用性,根据2000—2020年实测出入湖流量年总值对2个模型模拟结果进行评价和对比分析。结果表明:①DYRESM模拟2000—2020年洱海多年平均入湖和出湖流量分别为6.88×10^(8)、6.08×10^(8)m^(3),逐年入湖和出湖模拟流量与实测值间相关系数r分别达到0.97和0.99。②基于DYRESM得出的洱海逐日入湖流量,构建新安江模型,将新安江模型模拟得到的2000—2020年洱海逐日入湖流量与DYRESM模拟结果进行了对比,拟合效果理想,洱海流域率定期和验证期间纳什效率系数(NSE)分别为0.68和0.55,r达到0.94。新安江模型参数在不同地区的参数对比结果中,差异性较大的主要为地表径流消退系数(Cs)和自由水容量(Sm),洱海流域内Sm值相较于平原地区数值偏大,Cs值具有明显地域性。③对比2000—2020年洱海入湖流量的模拟值与实测值,得到DYRESM模拟值与实测值间r=0.97,新安江模型模拟值与实测值间r=0.92,可见DYRESM在出入流重建模拟中的表现优于新安江模型。

引江调水改善太湖贡湖湾的水环境效应

本文以生态系统动力学模型CAEDYM为建模框架,紧密结合太湖生态系统结构与功能特点,以河道流量及其物质含量、风场、太阳辐射等为外部函数,以藻类生消及其相关营养盐变化过程为建模核心,建立考虑内源释放的各种形态氮、磷输移与转化的太湖整体三维藻类动力学模型。在选取关键性评估指标的基础上,构建非调水及实况调水两种情景方案,应用模型计算了两种情景方案下贡湖湾环境指标的时空变化,重点对比分析了蓝藻生物量的变化规律及其影响因素,较客观评估了引江调水对贡湖湾的水环境效应,阐明了引江调水对贡湖湾水环境的改善机制。