濕地生態系統水動力數學模型研究范文

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1模型結構

在湖泊生態系統中，營養物質在水-底泥-植物界面不斷遷移轉化，對其模擬研究主要包括3個子模型，即植物生長模型、底泥營養物質遷移轉化模型和水動力水質模型（圖1）.

1.1模型機理水生植物在整個水體生態系統的建構、平衡、維持、恢復等過程中起到重要的作用.水生植物在其生長發育以及衰敗、死亡過程中，通過對碳、氮、磷等營養元素的吸收同化、腐爛分解、沉積等過程調節著水體的營養平衡，對湖泊生態系統的物質和能量循環產生重要影響.

1.1.1水生植物生長與營養物質的吸收同化水生植物在生長發育過程中，通過根部直接從底泥中吸收碳、氮、磷等營養鹽，同化為自身結構的組成物質，降低了底泥中營養物質的含量.水體中的營養物質通過沉積、吸附進入底泥，補充底泥里營養物質的流失（圖2）.

1.1.2水生植物衰亡與營養物質的沉積水生植物在發育成熟以后進入衰亡階段，不再吸收營養物質，通過腐爛、分解、沉積等過程返回至底泥中；底泥中的營養物質通過一系列物理化學作用，釋放回歸水體（圖3）.

1.2基本方程水動力水生態模型分為兩大部分，即二維湖泊水動力水質模型［1］和植物生長-營養物遷移轉化模型.

1.2.1水生植物生長模型方程植物生長受溫度、水分、養分和光照等因子的綜合影響，植物生長是理想狀態下最大生長速率與環境因子的時間變化函數［7］.本文主要研究植物生長與營養物質的遷移轉換，假設水分、溫度和光照因子都處于適宜狀態，植物生長主要受營養物質的限制。

1.2.2底泥中營養物質遷移轉化模型底泥在湖泊營養物質遷移轉化過程中起源和匯的作用，既是外源和動植物殘體分解形成營養物質的匯，又是水生植物生長所需營養物質的源.營養物質在底泥中的遷移轉化運動受物理、化學和生物過程綜合影響.

2模型求解

2.1數值方法

2.1.1植物生長求解水生植物生長模型均是與時間t有關的函數，采用時間向前差分方法，進行數值離散：

2.1.2底泥營養物質轉換求解采用非正交交錯網格，在控制體內，對流項采用迎風格式處理，對源項進行線性化處理，對公式（2）進行積分和離散。

2.1.3水動力水質模型求解采用非正交非交錯網格，在控制體內，對流項采用迎風格式處理，對二維湖泊水動力水質模型公式進行積分和離散，得到對流擴散方程的離散方程。采用SIMPLE正交算法，獲得自由表面η校正方程和速度修正方程，即η校正方程。水面高程修正方程式與動量方程、k-ε紊流模型方程、水質擴散方程均屬于同一類五對角型的代數方程組，可以應用SIP方法進行快速求解.

2.2求解過程1）計算植物生長量，求取植物對營養物質的吸收量.2）計算底泥營養物質的遷移轉化，依據植物吸收的損失量，求取底泥從水體中獲取的營養物質補償量.3）計算湖泊水動力水質，模擬湖泊水質變化情況，對比植物生長前后的湖泊水質狀況，求取植物生長對湖泊水質的影響.

3模型應用

3.1研究區概況將本模型應用于湖北省黃岡市白潭湖，研究區位于長江中下游下段北岸，屬亞熱帶大陸性季風氣候，日照充足，雨量充沛，四季分明，雨熱同季，年均日照時數為2082h，為植物生長提供了充足的熱量和光照強度.

3.2模型參數植物生長模擬模型中各參數確定方法見文獻［8］，底泥營養物（污染物）遷移轉化模型主要參數值如表1所示.

3.3模型驗證以2013年4月16—20日湖區取樣點1、4（圖4）的實測值為湖泊原始背景值，對模擬結果進行驗證，如圖5所示，實測濃度與模擬計算的結果最大誤差不超過15%，表明該模型可用于研究水域的水質模擬研究.

3.4模擬結果模擬沉水植物生長期（3月中旬至8月下旬）湖區TN濃度的變化趨勢，5個點位（圖4）的模擬結果如圖6所示.模擬結果表明，植物開始生長以后，湖泊水體中的TN含量開始降低，其中位于湖汊處的點1和點2植物密度較高，TN濃度迅速降低后期受外源的影響，植物對氮的吸收與氮源的補給基本持平.點3處湖泊水域面積較小，水體受外部環境影響較大，植物開始生長時，快速吸收營養物質，湖泊TN濃度降低迅速，當有外來營養物質補充時，湖泊營養物質濃度增高，水質下降，湖泊水質受植物生長與外源共同作用，成波浪式變化.點4和點5位于湖心區域，受外源影響相對較小，湖泊營養物質含量隨植物生長過程逐步降低.植物生長過程能有效改善湖泊水質，但水生植物的密度和湖泊容量以及與外部交換能力也會影響湖泊水質。

4結論

為研究湖泊水生植物的生長對湖泊水動力水生態的影響機理，本文結合當前國內外學者對水動力水質、水生植物生長和營養物質遷移轉化機理的研究成果，根據水生植物的生長發育特征及其與外部環境物質交換動力學特征，基于營養物質在植物-底泥-水體界面的遷移轉化理論和湖泊水動力響應機制，建立了水-生態-底泥耦合的湖泊濕地生態系統水動力水生態數學模型，為湖泊水質水生態的改善和修復提供技術支撐，對湖泊水生態修復具有一定的實際意義.

作者：王生愿 張萬順 吳揚 劉浩 曾子龍 單位：武漢大學 資源與環境科學學院