美国与加拿大湖泊水质模型的成功与应用

1.湖(库)水体污染特点

湖泊与河流相比,具有水域广阔、流动缓慢、交换能力弱等特点。污染物进入湖(库)水体后,可长期停留进而发生质的变化和量的积累,因而相对于河流,其水体污染特点如下。

(1)污染物来源广、种类多。入湖河道携带了上游各种工业、生活废污水入湖,湖区周边分散的面源污染也通过降雨径流和农田退水进入湖泊。

(2)容易形成富营养化。氮、磷等营养元素进入湖泊后长期停留,致使藻类大量繁殖、溶解氧降低,从而造成水体的富营养化。

(3)输移污染物的能力弱,沉积作用强。污染物质进入湖泊后,不易迅速地被湖水稀释而达到充分混合,但对沉降作用有利。

(4)对污染物的生物降解、富集和转化能力强。流动缓慢的湖水,有利于湖泊生物对微小物质的吸收,为污染物的分解转化提供了良好条件,而通过食物链中多级生物的吞食,污染物被不断富集和转移。

水库兼有河流与湖泊的双重特征,由于和上下游河道联系密切,水库往往有一定程度的水体交换,自净能力比湖泊恢复得快。同时,高坝大库修建后,水温结构变化显著,其水温分层特性很大程度上影响着污染物的迁移转化和时空分布。(www.xing528.com)

2.湖(库)水质模型概述

选择合适的湖(库)水质模型是计算水域纳污能力的关键。在调查计算水域水文、水动力特性的基础上,结合确定的纳污能力计算污染物指标,选取能够有效模拟计算水域污染物迁移转化的水质模型。

湖(库)中污染物的物理、化学、生物过程基本与河流相同,但由于湖(库)流动缓慢、水体交换能力较弱,污染物迁移转化规律也与河流有所区别。湖泊(水库)水质模型研究始于20世纪60年代中期,是以河流水质模型为基础发展起来的。经过了近50年的发展历程,湖泊(水库)水质模型正日渐成熟,并在不断完善。从模型结构结果来看,湖泊(水库)水质模型从简单的零维模型发展到复杂的水质、水动力学、生态综合模型和生态结构动力学模型;从模型理论发展来看,湖泊(水库)水质模型发展了许多新鲜理论,如随机理论、灰色理论和模糊理论等;从研究方法来看,模型结合运用了计算机新技术,如人工神经网络(ANNS)和地理信息系统(GIS)等。

从国内外湖(库)水质模型的研究情况来看,一些国家如美国、加拿大、丹麦、德国、荷兰、澳大利亚等走在了世界湖泊水质模型研究的前沿。其中,美国自1925年率先推出SP模型后,又相继成功开发了许多先进的湖泊水质模型,如WASP、SMS、CEQUALW2、CE-QUAL-R1等,并得到广泛运用。加拿大学者Vollenweider于1975年提出了第一个预测湖泊水中营养性物质的Vollenweider模型,为湖泊水质富营养化问题的研究做出了贡献。与国外相比,我国水质模型的研究起步较晚,20世纪80年代中期才开始湖泊水动力学数值模拟的研究,相继建立了Hwqnow模型、太湖三维动态边界层模型、梅梁湾三维营养盐浓度扩散模型、太湖藻类生长模拟等。

目前,湖(库)水质模型分类按照水动力学空间维度的概念分类,可分为一维、二维、三维水质模型;按照湖(库)的形状、规模和性质分类,可分为均匀混合、非均匀混合、富营养化(完全混合箱式模型)以及分层型水质模型。从便于开展纳污能力计算的角度考虑,本书按第二种分类介绍湖(库)水质模型。