湿地生态系统水动力数学模型研究范文

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1模型结构

在湖泊生态系统中，营养物质在水-底泥-植物界面不断迁移转化，对其模拟研究主要包括3个子模型，即植物生长模型、底泥营养物质迁移转化模型和水动力水质模型（图1）.

1.1模型机理水生植物在整个水体生态系统的建构、平衡、维持、恢复等过程中起到重要的作用.水生植物在其生长发育以及衰败、死亡过程中，通过对碳、氮、磷等营养元素的吸收同化、腐烂分解、沉积等过程调节着水体的营养平衡，对湖泊生态系统的物质和能量循环产生重要影响.

1.1.1水生植物生长与营养物质的吸收同化水生植物在生长发育过程中，通过根部直接从底泥中吸收碳、氮、磷等营养盐，同化为自身结构的组成物质，降低了底泥中营养物质的含量.水体中的营养物质通过沉积、吸附进入底泥，补充底泥里营养物质的流失（图2）.

1.1.2水生植物衰亡与营养物质的沉积水生植物在发育成熟以后进入衰亡阶段，不再吸收营养物质，通过腐烂、分解、沉积等过程返回至底泥中；底泥中的营养物质通过一系列物理化学作用，释放回归水体（图3）.

1.2基本方程水动力水生态模型分为两大部分，即二维湖泊水动力水质模型［1］和植物生长-营养物迁移转化模型.

1.2.1水生植物生长模型方程植物生长受温度、水分、养分和光照等因子的综合影响，植物生长是理想状态下最大生长速率与环境因子的时间变化函数［7］.本文主要研究植物生长与营养物质的迁移转换，假设水分、温度和光照因子都处于适宜状态，植物生长主要受营养物质的限制。

1.2.2底泥中营养物质迁移转化模型底泥在湖泊营养物质迁移转化过程中起源和汇的作用，既是外源和动植物残体分解形成营养物质的汇，又是水生植物生长所需营养物质的源.营养物质在底泥中的迁移转化运动受物理、化学和生物过程综合影响.

2模型求解

2.1数值方法

2.1.1植物生长求解水生植物生长模型均是与时间t有关的函数，采用时间向前差分方法，进行数值离散：

2.1.2底泥营养物质转换求解采用非正交交错网格，在控制体内，对流项采用迎风格式处理，对源项进行线性化处理，对公式（2）进行积分和离散。

2.1.3水动力水质模型求解采用非正交非交错网格，在控制体内，对流项采用迎风格式处理，对二维湖泊水动力水质模型公式进行积分和离散，得到对流扩散方程的离散方程。采用SIMPLE正交算法，获得自由表面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与动量方程、k-ε紊流模型方程、水质扩散方程均属于同一类五对角型的代数方程组，可以应用SIP方法进行快速求解.

2.2求解过程1）计算植物生长量，求取植物对营养物质的吸收量.2）计算底泥营养物质的迁移转化，依据植物吸收的损失量，求取底泥从水体中获取的营养物质补偿量.3）计算湖泊水动力水质，模拟湖泊水质变化情况，对比植物生长前后的湖泊水质状况，求取植物生长对湖泊水质的影响.

3模型应用

3.1研究区概况将本模型应用于湖北省黄冈市白潭湖，研究区位于长江中下游下段北岸，属亚热带大陆性季风气候，日照充足，雨量充沛，四季分明，雨热同季，年均日照时数为2082h，为植物生长提供了充足的热量和光照强度.

3.2模型参数植物生长模拟模型中各参数确定方法见文献［8］，底泥营养物（污染物）迁移转化模型主要参数值如表1所示.

3.3模型验证以2013年4月16—20日湖区取样点1、4（图4）的实测值为湖泊原始背景值，对模拟结果进行验证，如图5所示，实测浓度与模拟计算的结果最大误差不超过15%，表明该模型可用于研究水域的水质模拟研究.

3.4模拟结果模拟沉水植物生长期（3月中旬至8月下旬）湖区TN浓度的变化趋势，5个点位（图4）的模拟结果如图6所示.模拟结果表明，植物开始生长以后，湖泊水体中的TN含量开始降低，其中位于湖汊处的点1和点2植物密度较高，TN浓度迅速降低后期受外源的影响，植物对氮的吸收与氮源的补给基本持平.点3处湖泊水域面积较小，水体受外部环境影响较大，植物开始生长时，快速吸收营养物质，湖泊TN浓度降低迅速，当有外来营养物质补充时，湖泊营养物质浓度增高，水质下降，湖泊水质受植物生长与外源共同作用，成波浪式变化.点4和点5位于湖心区域，受外源影响相对较小，湖泊营养物质含量随植物生长过程逐步降低.植物生长过程能有效改善湖泊水质，但水生植物的密度和湖泊容量以及与外部交换能力也会影响湖泊水质。

4结论

为研究湖泊水生植物的生长对湖泊水动力水生态的影响机理，本文结合当前国内外学者对水动力水质、水生植物生长和营养物质迁移转化机理的研究成果，根据水生植物的生长发育特征及其与外部环境物质交换动力学特征，基于营养物质在植物-底泥-水体界面的迁移转化理论和湖泊水动力响应机制，建立了水-生态-底泥耦合的湖泊湿地生态系统水动力水生态数学模型，为湖泊水质水生态的改善和修复提供技术支撑，对湖泊水生态修复具有一定的实际意义.

作者：王生愿 张万顺 吴扬 刘浩 曾子龙 单位：武汉大学 资源与环境科学学院