乡村水系连通的数值模拟研究

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平原河网地区水系发达,随着经济发展和人类活动,河流之间原有的联系被打破,水系的连通性变差,加之农药化肥的大量使用,水体富营养化现象时有发生,乡村河道的水环境问题日趋严峻。水生态系统的富营养化不仅取决于水体中营养物质的负荷,水动力条件的影响也至关重要。河网水系连通后,河流水动力条件的改善对水体自净能力和河流水质提升均具有积极的作用。本文以位于常熟市福圩村的沉海圩乡村湿地公园水系为研究区域,基于河道水位、河道断面形状、河流水质等资料,采用水系结构连通度评价体系,对研究区域水系不同结构连通度及不同连通路径下的河流水质状况进行了模拟研究,提出了平原河网地区乡村水系连通设计的准则,为区域水系河道治理、修复和规划等提供理论参考和实际指导。本文主要研究成果如下:(1)环境监测采用RISEN-SFCC超声波测深仪对河道各断面进行高密度测量多点水深,计算绘制河道断面形状,耗时两个月实测河道断面427个。在不同季节对研究区域河网水体进行采样检测工作,发现水体中总氮平均浓度高达3.09 mg/L,94%为无机氮;总磷平均浓度0.24 mg/L,主要以有机磷形态存在,总氮与总磷浓度均为劣Ⅴ类水体标准,亟需治理。(2)模型构建与模拟分析本研究基于Mike11模型构建了沉海圩河网水系的水动力模型,在水动力模型的基础上依托AD模块和EcoLab模块中的富营养化模板构建了水动力-水质耦合模型,状态变量有氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、总氮(TN)、磷酸根(PO43-)、总磷(TP)、叶绿素a等12个指标,主要模拟指标为总氮与总磷。本文采用水系结构连通度评价方法,结合Mike11模型模拟研究了不同水系结构连通度下河流的水质状况。沉海圩湿地公园河网水体中氮、磷元素的主要存在形态分别为无机氮和有机磷。模拟研究发现:水系环度与TN的降解效果呈正相关,与TP的降解效果呈负相关,河网设计为树状河网(无环路)时TN的降解效果较好,河网设计为水系环度等级为优(0.060.08)的环状河网时TP的降解效果较好。河网节点连接率与TN、TP的降解效果呈正相关,节点连接率等级越高,TN与TP模拟浓度越低,降解效果越好。水文连接度等级越高,TN与TP浓度均降低,且TN降解效果较显著。此外,模拟发现河流在交汇处连通时,水质改善效果更佳。
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