湖泊水動力模型研究進(jìn)展

何智偉

摘 要：通過對文獻(xiàn)的閱讀，論文論述了國內(nèi)外湖泊流域一維二維水動力應(yīng)用研究的相關(guān)進(jìn)展，并提出了其發(fā)展趨勢的一些展望，湖泊水動力學(xué)研究應(yīng)該結(jié)合計算機(jī)科學(xué)技術(shù)，對水體運(yùn)動過程進(jìn)行精細(xì)而全面的模擬，建立全面、系統(tǒng)、適用性更強(qiáng)的數(shù)值模型。

關(guān)鍵詞：湖泊水動力;發(fā)展趨勢;數(shù)值模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.183

1 前言

湖泊作為一個相對完整的生態(tài)系統(tǒng)[1，2]，承接著上游河流的來水、流域產(chǎn)生的廢物，眾所周知，在我國廣大的地域中，大大小小的湖泊數(shù)量眾多，其類型，涵蓋各種各樣，分布各個地方，在《中國湖泊志》有記載的湖泊，九十年代的湖泊面積為90000多平方千米，其中大于1平方千米的湖泊2700多個，但是這個數(shù)字在2010年有所下降，面積超過8萬平方公里。因此，我國湖泊數(shù)量和面積呈現(xiàn)出下降的趨勢，與此同時湖泊面臨的水質(zhì)問題更加嚴(yán)重。就鄱陽湖而言面臨著水土流失、水質(zhì)污染、土壤退化等眾多問題。

在對湖泊水質(zhì)、水動力污染等問題研究中，大部分研究采用原位觀測等方法進(jìn)行觀測，耗時耗力，且實據(jù)受預(yù)算、氣候、地域、技術(shù)等的影響，存在許多不確定因素，很難有說服力，目前3S技術(shù)的發(fā)展給水土流失，水質(zhì)污染研究帶來了很多方便之處，但受天氣的影響，時間上的數(shù)據(jù)連續(xù)性較差，在實物物理模型模擬方面，受經(jīng)費、比尺效應(yīng)影響對實驗數(shù)據(jù)的波動較大，不具有很好地說服力，在上世紀(jì)，隨著計算機(jī)技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，對水體運(yùn)動過程進(jìn)行精細(xì)、全面的模擬成為可能，又因為經(jīng)費少，精度高等特點，越來越受到學(xué)者的青睞。計算機(jī)科學(xué)的興起，對傳統(tǒng)實驗帶來了翻天覆地的變化，水動力、水質(zhì)模型運(yùn)用也越來越成熟。

2 湖泊水動力水質(zhì)數(shù)值模擬研究

水質(zhì)數(shù)值模型是指污染物在水環(huán)境中的化學(xué)、物理和生物相互作用的數(shù)學(xué)描述以及各因素之間的相互作用關(guān)系，水質(zhì)數(shù)值模型是對污染物在水環(huán)境中的化學(xué)、物理和生物相互作用的數(shù)學(xué)描述，是定量的描述水中污染物之間遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)方程式。水質(zhì)數(shù)值模擬方程的運(yùn)用，可以定量的模擬水中各物質(zhì)的分布情況，從而進(jìn)行水資源的規(guī)劃與管理及預(yù)測。隨著水質(zhì)模型的發(fā)展，不同發(fā)展階段的人們有不同的分類方法。李繼選等（2006）把水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的研究按時間劃分為三個階段。第一階段（1925-1980）這一階段的研究主體為水體水質(zhì)，比較關(guān)注水質(zhì)內(nèi)部成分之間的關(guān)系，主要研究受生活污染及工業(yè)污染的湖泊河流系統(tǒng)，其中發(fā)展歷程為（1925-1965）開發(fā)了比較簡單的生物化學(xué)需氧量和溶解氧（BOD-DO）平衡的方程，之后的研究中不斷對簡單氧平衡提出了修正與補(bǔ)充，在（1960-1975）計算機(jī)的運(yùn)用對水質(zhì)模型產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，并開始計算二維湖泊海灣等水質(zhì)問題，（1970-1975）非線性系統(tǒng)模型的研究與發(fā)展，對該海域的氮磷循環(huán)系統(tǒng)、浮游植物系統(tǒng)和浮游動物系統(tǒng)進(jìn)行了研究，使用了有限元等方法計算，空間維度一二維結(jié)合計算，（1975-1980）涉及到多種系統(tǒng)的相互作用效果，空間尺度發(fā)展到三維;第二階段（1980-1995）在這一階段中模型模擬水質(zhì)組成成分?jǐn)?shù)量的增加，底泥的作用納入模型模擬中，模型的初始輸入值為非點源污染.;第三階段（1995-至今）在第三階段（1995年至今），通過控制反源污染，減少了模型中的非點源污染，但同時大氣污染物增加，伴隨著雨水進(jìn)入到流域中，從而進(jìn)入水體。葉常明認(rèn)為水質(zhì)模型經(jīng)歷了三個階段：簡單氧平衡模型階段;形態(tài)模型階段和多媒體環(huán)境綜合生態(tài)模型階段。

3 湖泊流域系統(tǒng)水文水動力聯(lián)合模擬研究

近年來，河流流域水文模型和湖泊水動力學(xué)模型得到了迅速發(fā)展和成功應(yīng)用。水文模型是利用已有的降雨徑流數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)關(guān)系，然后利用新的輸入來推導(dǎo)輸出。它主要用于盆地過程模擬。水動力模型主要用于河流或大型水體的二維或三維水動力模擬。然而，流域水文模型往往不具備湖泊水動力模擬的能力。相反，水動力模型通常不考慮流域水文變化的過程。只有單側(cè)流域水文或水動力模擬不能準(zhǔn)確描述流域與湖泊之間的復(fù)雜響應(yīng)關(guān)系。因此，有必要結(jié)合水文和水動力學(xué)模型來研究湖盆系統(tǒng)。

湖泊流域聯(lián)合模擬研究主要可分為外部耦合，內(nèi)部耦合和全耦合技術(shù)。

3.1 外部耦合

流域水文模型的徑流輸出作為湖泊水動力模型的輸入條件（邊界條件）。該聯(lián)合模型能夠再現(xiàn)時空變化及其復(fù)雜的流場變化特征。例如，中國學(xué)者李云良利用流域分布式水文模型WATLAC、湖泊平原徑流模型和水動力模型Mike21三種不同的子模型來實現(xiàn)對這一復(fù)雜系統(tǒng)的模擬。模型的組合使用輸入輸出驅(qū)動器和子模型來順序執(zhí)行該過程。以五個子流域和平原湖泊徑流為輸入條件，驅(qū)動湖泊水動力模型，模擬湖泊水位對流域徑流的響應(yīng)。該聯(lián)合模型能夠再現(xiàn)時空變化及其復(fù)雜的流場變化特征。

3.2 內(nèi)部耦合

內(nèi)部耦合是指模型之間邊界條件、內(nèi)部數(shù)據(jù)和參數(shù)信息的共享。模型獨立求解，在迭代過程中不斷更新和替換模型的共享信息。它主要用于流域水文過程和河流徑流過程的聯(lián)合模擬研究，主要是因為這些相對獨立的模型構(gòu)件之間存在著密切的水力關(guān)系。實際應(yīng)用較少。

3.3 全耦合技術(shù)

完全耦合技術(shù)是指模型控制方程的同時解或整體解，從理論上講，它是最可靠的模擬方法，但它涉及的變量較多，變量之間的關(guān)系難以建立，數(shù)值求解也比較困難。這些因素使得全耦合技術(shù)在大多聯(lián)合模型中難以實現(xiàn)。

4 總結(jié)

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖泊的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，相應(yīng)的數(shù)值模擬方法也變得越來越復(fù)雜，為了是數(shù)值模擬的結(jié)果更切合實際，就必須要求數(shù)值模型的初始條件，邊界條件，地形，溫度等一些參數(shù)的處理更符合實際。所以我們必須建立一個更全面，更系統(tǒng)，更加適用的數(shù)值模型來研究湖泊水動力特征，湖泊水動力學(xué)與大氣動力學(xué)、現(xiàn)代沉積學(xué)和生態(tài)環(huán)境動力學(xué)的結(jié)合將推動我國湖泊研究和數(shù)值模擬方法的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀彬，陳異暉，李躍青.高原湖泊環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)綜合研究框架設(shè)計[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2004，23（03）：16-8.

[2]楊文龍，王文義.湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能——湖泊恢復(fù)與管理基礎(chǔ)淺析[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，1997（03）：33+6.