文摘

适当的水体转移可以改善太湖的水质。然而,过多的水会显著改变当地流场,这都是不利于水生植物的生长和生态系统的稳定性。当前“长江的水转移到太湖(DWYRTL)”项目使用单一水源,王昱河,转移,一个模型可能显著影响附近的流速或湖的均匀性,不利于水生生态系统的长期稳定的太湖地区东部的湖。为了模拟不同情况下的单一和双源太湖的水改道(Wangyu-Xinmeng河流),我们本研究基于三维水动力模型加上欧拉方法,可精确计算水汇率在不同地区的太湖。结果表明,(1)建议的总年度转移水不应超过20×10⁸米³;(2)风场是最重要的因素决定的分配空间水交换;(3)在外圈的条件下,单一的流量转移的水大约是50%高于双源转移;和(4)引水的通行条件下冬天风将减少semiexchange时期西北湖的东部地区从50到30天,显著改变了附近地区的一致性,导致生态风险。因此,建议双源引水模式用于冬季和无风的季节,和单一引水模式被应用于其他季节。

1。介绍

长江的水转移到太湖(DWYRTL)的一个主要在太湖流域水资源保护项目。这个转移下游地区提供大量的水资源,包括上海和浙江,作为一个社会和经济发展的重要基础设施在长江三角洲1]。然而,下游水需求的持续增加,溢出率、水交替一致性(WEU)指数2将有一定的不利影响在水生生态系统的稳定性。特别是,东湖区形成了地区最完整的水生生态系统,只能依靠持续的王昱河。王昱河非常接近的变化是最敏感的地区水文、和过度从王昱河调水也会产生重大影响的东湖区(3]。水体的混合不均匀也会改变原来的水生环境,从而减少水生植被的成活率4,5]。许多学者发现,蓝藻的将直接影响水动力部队和污染物通量由引水(6,7]。因此,还需要进一步的研究和讨论来确定是否可以减轻这种风险Wangyu-Xinmeng河双源转移方法。

目前,研究人员主要用于现场监测和水动力模型来研究水体的流速。现场监测可以提供测量现场数据和基本的水动力模型的边界条件。水动力模型可以预测和定量比较不同的未来情景8]。水在水体的交换主要反映在汇率和水semiexchange周期(9]。目前,水体交换进行的研究主要是利用拉格朗日法和欧拉法(10]。基于三维非稳定态模型,前缘和Pohlmann [11)使用拉格朗日方法研究水体之间的水交换(例如,flushing-time,人事变动时间,和半衰期时间)在北海。然而,拉格朗日方法忽略了水的对流扩散(12,13]。相比之下,欧拉方法使用一个保守的方法,即一个耦合对流扩散模型,来模拟当地地区的水体交换(14]。

基于当前的潮汐模型,谢et al。15)模拟水水体的交换在扣押湖Taipingwan大连港口,中国辽宁省。仿真表明,水下堤的建设会阻碍水体之间的水交换,即。水下的海拔土壤会对区域水交换能力产生巨大的影响。戴et al。16]使用一个不稳定的状态模型来分析水体的交换前后洞庭湖与长江三峡工程的实现。戴和他的同事们发现了一个明显的变化在进入和退出湖的水量和记录一段水体交换在postconstruction阶段。基于三维欧拉算法的环境流体动力学代码,徐et al。17]研究了水体在城市之间的水交换人造湖泊和获得好的结果通过优化一些最近完成了项目。水体交换研究基于欧拉方法,因此,更直观、准确地反映引水的独特影响水体之间的交换的水在一个大的规模和太湖的地方。

大多数研究DWYRTL项目只考虑单一引水模式,可能会失去另一个可行的解决方案如果对水资源的需求满足,但双源转移可以解决相关的问题(18]。其中,李et al。19]分析了导流王昱河之间的关系和太湖的水动力条件,确定了基本的太湖的水动力参数,优化的经济适用性引水工程。在实施WDYRTL王昱流域,杨et al。20.)显示,短期引水会导致恶化锣湾地区的水的质量。清(21)采用了二维非稳定态模型来评估太湖的水动力条件和水质河后从锌锰河调水对太湖。研究显示Xingeng河的转移将会改善太湖水环境的,但综合控制才能防止最负面影响的单通道排水在长江水的质量。勇(22]研究了太湖的环境变化后的转移Xingeng河。这项研究不仅发现水生环境改善在西北湖区还记录了相对贫穷从长江引水效率和相关的引水管理条件。一般来说,仍有一些缺点关于双源引水在不同情况下的优化。

本研究涉及的建设三维水动力数学模型的基础上,从2017年到2018年获得的测量数据。附近的流速的变化进行了研究和分析使用不同的转移模型和尺度。水的计算汇率和semiexchange时期八风场条件普遍在不同时期加上欧拉算法在分析。水的计算汇率和semiexchange时期的八个主要的太湖地区预计,和更深入研究之间的区别和联系的单源转移和双重来源转移应该继续为了未来转移策略提供科学参考。本文主要探讨了(1)研究区,(2)研究方法,(3)结果与讨论,(4)的结论。

2。研究区域

太湖,位于长江流域的下游(119°08年55′′-122°E, 30°05′-32°08年′N),占地面积2338公里²的最大水深3米。这个典型的大型浅水湖(23)之前已经分为三个湾湖地区和五大水域为了准确分析的水交换特征的各个领域(湖24]。中国气象数据网络(使用数据下载http://data.cma.cn/),在过去的十年中,太湖主要是受东风在秋天,主要受东南和西北季风在春夏装和冬天,分别(图1)。根据太湖流域管理局,水利部(http://www.tba.gov.cn/),DWYRTL项目主要由锌锰河扩展项目,Xingou河扩展项目,王昱河项目,这些项目的第一个和最后一个直接把水从长江进入太湖。在过去的十年中,平均每年水摄入量是75亿米³之间,主要引水期发生1、7、10和最长的连续引水期是90天(16]。

从1990年到2017年,大量的水从长江改道王昱河以西的每年增加(25),每年的引水增加从16亿³到52亿米³在这个等级考试(图增长了225%2)。在同一时期,进入湖泊水的总量也增加,而在太湖的水交换的天数相应同比减少,从266天延长到160天,39.8%。

3所示。方法

3.1。三维水动力模型

精确计算体积的水体交换,本研究采用水动力模型用于本研究基于三方不可压缩流的纳维−斯托克斯方程和雷诺的价值观和假设的布西涅斯克以及静水压力。有限体积法是应用于计算空间离散化。其数学表达式如下方程所示(26]。

水流连续性方程是由以下方程:

navier - stokes方程的水平动量X和Y方向所示方程(2)和(3),分别为: 在哪里t代表时间;x,y,z笛卡尔坐标;u, ,和组件的速度吗x,y,z分别为坐标方向;f_u和科里奥利加速度沿吗X和Y协调的方向; 代表了科里奥利因子(是地球的角速度旋转,然后呢是地理纬度);重力加速度;表示水位;ρ₀和ρ分别代表了空气和水的密度;大气压力;代表了总水深;年代_xx,年代_xy,年代_yy辐射应力张量;是垂直涡粘性系数;年代源库的术语;和F_u和水平应力沿吗X和Y分别坐标方向。流速gradient-stress关系可以表达的 在哪里一个是水平涡粘性系数。

3.2。对流扩散模型

模拟水交替更直观和准确,我们使用一个基于欧拉方法,对流扩散模型给出的(27),见方程(5): 在哪里C污染物浓度;E_x,E_y的扩散系数吗X和Y方向,分别。根据经验公式,可以知道 在哪里n曼宁系数。

3.3。水体交换研究方法

溶解保护物质的初始浓度100 mg / L是放置在湖体的初始浓度(注意,湖水是零)。一段对流扩散后,剩余的物质总量的比例在太湖的各领域的初始物质的总量是水地区的汇率在那一刻见方程(7)。一个汇率,达到50%的时间是semiexchange时期(28]。 前女友是水汇率;H水深;我在计算区域网格数量;和j是特定的时间数量。

基于构造模型,我们将提取的节点和网格不同地区(以锣湾为例),计算出当地水汇率,然后,确定不同地区的semiexchange时期在这种情况下通过水交替方法(图3)。

4所示。结果和讨论

4.1。确定模型参数

为了确保所构造的水动力模型可以满足水体交换的研究需要研究,9422年水体分为非结构化网格的空间分辨率300;数据从2017年到2018年被收购。校准和验证后湖的深度,湍流系数的测量,底部的高度摩擦,而风阻力系数估计为0.28,0.02米,0.003米,分别。仿真结果与实测水位在每个监测站(图4)。流场结构模拟的东南和西北季风5 m / s的速度已经完全相同的循环形状测量结果(图5)。方向和流通速度流中的结果也符合先前的研究报告的结果(29日]。

为了进一步模拟水位与实测的值进行比较,本研究使用三个模型评价方法,即平均相对误差(绝笔),均方根误差(RMSE)和相关系数分析(R²)。评估过程涉及一个错误和相关分析的测量值(米)和模拟值(年代)使用以下公式30.]: 在哪里N是总模拟的次数;我仿真的次数;年代_我的价值吗我th仿真;米_我的价值吗我th测量;是模拟的平均值;和是测量的平均值。

评估结果的四个车站(表1)表明,该模拟水位很适合测量水位(最高水位误差< 0.09米)。仿真结果可以占90%以上的实际情况。结果,建立水动力模型满足的要求后续水体交换的研究。

4.2。优化DWYRTL项目

(即风场条件。,windless and 5 m/s in either easterly, southeasterly, or northwesterly directions) were determined in accordance with the climatic conditions of Tai Lake [31日]。后的水平之间的关系在太湖防洪和生态接受了水位,初始水位模型中被设定为3.25米(32),而总计算时间被设定为60天;这依赖于2007年和2017年之间的平均时间,时间步的86400年代。基于这些设置(表2),太湖的交换特征条件下的单源王昱河的转移和双源王昱的转移和锌锰河流模拟。同时,因为这个模拟主要是比较研究,假设其他外部条件保持不变;降雨的影响,径流和蒸发不单独考虑。

忽略风条件下,仿真输出表明,锣湾中心地区,和东湖区是主要的地区的水交换操作模式(一个),但是长江的水质很差而交换的区域(图6)。此外,依赖单一来源的引水王昱河会增加水的浓度差的质量在这个区域,同时减少太湖的水容量。此外,流场会受到频繁的变化,不适合生长的水生植物和水生生态系统的恢复。操作模式(b)将大大降低对东湖区流场的影响,确保稳定的生态系统,只要水的体积和水文条件不变。这是真的,因为双源常见转移区域将包括水体交换竹山湾地区和西北湖区。作为一个辅助措施,水体的转移不应该用来满足无条件的社会或经济的需求。操作模式(c)和(d)表明,当引水扩展到400米³/ s,大约有45%的太湖水将在60天内交换,而太湖水体交换时期在自然条件下大约是300天。这表明这种级别的水体转移造成重大干扰太湖的水环境,这将严重影响太湖的存储容量和水生生态系统的稳定性28]。建议未来水总摄入量不应超过年度湖水总摄入量的20%,即,20×10⁸米³/一个。

水的速度流经太湖主要受风场和水的汇率;过度流量会有一定不利影响生态系统的稳定性(33- - - - - -35]。周围的流场将由inflow-outflow放电在无风的条件下控制。王昱的不同导流尺度下Xingeng河流的变化速度两个监视点,XD ZSW,图中可以看到7。从计算结果和流量的变化,来源单一的引水流量(200米³/ s)预计大约高出50%的双源引水(100米³/ s平均),即。,the best strategy under wind-free conditions is to divert water from the Wangyu and Xingeng rivers by 100 m³/ s。这时,引水影响不同地区最低,有利于生态系统的稳定性36]。

仿真结果表明,当水的总量是200米³/ s,太湖水在四季汇率大约是20%,无论引水方法单一或双源(图8)。这表明水相关汇率并不是主要的水进入/离开湖,但相关的时空分布水体的交换,这主要取决于风场(37]。这是因为风场主要决定了大型浅水湖泊的流场。单一引水很容易创建一个在流体力学失衡,这使得它难以取代的水竹山湾和西方湖污染严重的地区和藻类容易积累。水交替区域由双源流预测为18.84%,16.24%,和15.02%高于单一引水发生时在春夏装在同一地区,秋季和冬季。这些变化可能会加强西部湖地区的水动力学的影响下在春季和夏季东南季风;同时,竹山和Meiliang海湾的水动力学的影响下西北季风在冬天。因此,考虑到双源系统的经济效益和当地的气象条件,这是至关重要的,适当的引水的方法选择根据不同时期的需要。

进行统计分析的八个主要sublake太湖的领域,我们发现,水汇率和semiexchange时期八区下十个操作模式的显著变化。本研究的结果显示,对时空的水风场有显著影响汇率和semiexchange时期(表3,e, ,我和f、h和j)是一致的结论Safak [38]。东湖区最重要的改变将发生在单一引水王昱河在冬季进行。其semiexchange时期将29 - 30日的日子,即。,60days of water diversion can completely replace the water volume of the East Lake District, which is unfavorable to the stability of the ecosystem of the East Lake District [39]。然而,如果采用双源引水在冬天为优化目的,水交替时期将增加到102天,这将大大降低对东湖区域产生负面影响。Wangyu-Xingeng河流应该joint-source转移方法,因此,在冬天被采纳,每个河流水量占总额的一半水转移。在春季和夏季,应用不同的方法转移的水应该按照实际需要更换水体在特定的地区。具体来说,当一个交换水Meiliang湾地区的需要,建立单一王昱河分流方法建议;当一个交换的水需要在西方湖地区,王昱的River-Xingeng河joint-source转移方法应采用50%的水由王昱的河。在秋天,从湖的西部污水将迅速流向东部湖区的影响下的东风流。在这种情况下,一个单一的引水王昱河应该这样进行污染物的中心湖可以中和和对生态系统的影响的东湖区可以减少。

使用上面的建模结果,所有策略分析根据流量和均匀性指数(40]。发现更要注意流量的影响,这将改变生态系统的稳定性。风场主导着流场时,更要注意水交替均匀性指数,这将产生重大影响的大型湿地植被的形式(2]。最后,本研究提出了科学合理的管理策略(表4)“DWYRTL”项目根据风场的具体情况。

5。结论

首先,一个适当的类型的水体转移可以改善太湖的水质。然而,过多的水会显著改变当地流场,不会有利于水生植物的生长和太湖生态系统的各个部分的稳定性。过度娱乐也会严重影响原来的存储容量和湖的自然能力适应各种变化的条件。因此,WDYRTL项目不应该无意中在未来扩大引水规模。建议每年总转移水不应超过总摄入量的20%的水,即。,20×10⁸米³/一个。水资源管理的优化可以通过天气预报信息结合进行双源引水模式。

第二,汇率主要取决于大量的水进入/退出湖。忽略风条件下,来源单一的引水流量的大约50%高于双源引水。东南季风条件下,水的交换主要发生在三个湾湖地区和中心的湖泊。东亚季风的条件下,水汇率将最高的三个海湾地区和西北湖湖地区。与此同时,西北季风期间,水交替将主要发生在中心和东湖区。在某种意义上,风场预测是关键因素决定的时空分布的水交换区。

第三,在正常情况下,双源引水的方法比单一引水的方法有更多的优势;然而,一些建议使用单一方法的差异。在春季和夏季,单身,双重来源引水方法选择应基于实际水替代领域的需要。在秋天,来源单一的引水的方法是可取的,确保足够的水供应在西湖面积和水生生态系统的稳定性在东湖地区。冬天,双源Wangyu-Xinmeng河引水方法建议,与每个河抽占总量的50%的水。

数据可用性

其他数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢中国国家自然科学基金(批准号51879070)。这项工作是由“中央大学的基础研究基金(学科)和世界一流大学和特点开发指导基金为中央大学”。本研究也由科技重大项目资助中国水污染控制和治疗(批准号2018 zx07208007)。作者感谢LetPub (http://www.letpub.com)的语言帮助在准备这个手稿。