一、引言1.1研究背景與意義蠡湖，作為太湖伸入無錫的內(nèi)湖，宛如一顆璀璨的明珠鑲嵌在城市之中，不僅擁有優(yōu)美的自然風光，還承載著豐富的歷史文化底蘊，是無錫城市形象的重要名片。然而，隨著城市化進程的加速和經(jīng)濟的快速發(fā)展，蠡湖面臨著嚴峻的水環(huán)境問題。工業(yè)廢水、生活污水的排放以及農(nóng)業(yè)面源污染等因素，導(dǎo)致蠡湖水質(zhì)惡化，水體富營養(yǎng)化嚴重，藍藻水華頻繁爆發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，不僅影響了湖泊的生態(tài)功能，也對周邊居民的生活質(zhì)量和城市的可持續(xù)發(fā)展造成了負面影響。為改善蠡湖水質(zhì)，增強湖水動力和自凈能力，補水成為一種重要的治理手段。通過引入清潔水源，能夠稀釋污染物濃度，促進水體流動，從而改善蠡湖的水環(huán)境質(zhì)量。然而，補水方案的設(shè)計并非一蹴而就，需要綜合考慮多種因素，如補水量、補水時間、補水位置等，以確保補水效果的最大化。如果補水量不足，可能無法有效改善水質(zhì)；補水量過大，則可能造成水資源的浪費。補水時間和位置的選擇不當，也可能導(dǎo)致補水效果不佳，甚至對周邊環(huán)境產(chǎn)生負面影響。在這樣的背景下，準確模擬蠡湖的水動力和水質(zhì)變化過程，對優(yōu)化補水方案具有重要意義。EFDC（EnvironmentalFluidDynamicsCode）模型作為一種先進的環(huán)境流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件，能夠模擬河流、湖泊、河口等多種水體的三維水流、泥沙遷移和化學(xué)過程，為蠡湖補水方案的研究提供了有力的工具。通過EFDC模型，可以深入了解蠡湖在不同補水方案下的水動力特性和水質(zhì)演變規(guī)律，預(yù)測補水效果，從而為制定科學(xué)合理的補水方案提供依據(jù)，提高補水工程的效率和效益，實現(xiàn)蠡湖水質(zhì)的有效改善和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在湖泊補水研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量工作。補水作為改善湖泊水環(huán)境的重要手段，其效果受到補水量、補水時間、補水位置等多種因素的影響。王磊等人以南京玄武湖為例，提出了集水質(zhì)、水力以及經(jīng)濟指標為一體的多指標綜合評價體系，運用層次分析法明確各指標權(quán)重，構(gòu)建了補水多指標綜合評價法，通過二維水動力—水質(zhì)耦合模型計算不同補水方案對應(yīng)的指標值，篩選出相對較優(yōu)的補水方案，為城市湖泊補水方案的比選提供了科學(xué)方法。在東昌湖生態(tài)補水研究中，通過建立二維水動力—水質(zhì)耦合模型，對不同補水方案進行模擬對比分析，考慮了黃河水含沙量對水質(zhì)的影響，最終篩選出較優(yōu)方案，為北方缺水城市湖泊的生態(tài)補水提供了實踐經(jīng)驗。在洞庭湖補水實踐中，通過“長江流域水庫群抗旱保供水聯(lián)合調(diào)度”專項行動，三峽水庫向下游補水，有效緩解了洞庭湖區(qū)的旱情，提升了湖區(qū)水位，改善了生態(tài)環(huán)境，保障了居民飲水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。在EFDC模型應(yīng)用研究方面，EFDC模型作為一種先進的環(huán)境流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。該模型能夠模擬河流、湖泊、河口等多種水體的三維水流、泥沙遷移和化學(xué)過程。在美國，EFDC模型是美國環(huán)保局（EPA）推薦使用的標準模型之一，被多個大學(xué)、政府和環(huán)境咨詢機構(gòu)用于水動力和水質(zhì)模擬、沉積物模擬等研究。在我國，EFDC模型的被接納度也較高，已應(yīng)用于多個領(lǐng)域的研究。李亞峰等人基于EFDC模型對湯河水庫污染物質(zhì)擴散進行模擬，通過建立庫區(qū)水動力水質(zhì)模型，分析了污染物在典型年的擴散情況，為預(yù)防水源地危險事件發(fā)生、保證居民飲水安全提供了科學(xué)依據(jù)。在深圳灣水環(huán)境模擬與預(yù)測研究中，EFDC模型被用于分析水體運動、水質(zhì)和沉積物等方面的問題，研究表明該模型能夠綜合分析水流運動與輸入通量、潮汐、地形等因素的關(guān)系，對深圳灣水體中的養(yǎng)分、微生物的輸運和演化進行有效模擬和預(yù)測，為深圳灣的管理和保護提供了科學(xué)依據(jù)。盡管國內(nèi)外在湖泊補水及EFDC模型應(yīng)用方面取得了一定成果，但仍存在一些研究空白。在蠡湖補水研究中，雖然已有一些關(guān)于蠡湖水環(huán)境治理的研究，但針對不同補水方案的系統(tǒng)模擬和優(yōu)化研究還相對較少，缺乏對補水量、補水時間、補水位置等因素的綜合分析，難以確定最優(yōu)的補水方案。在EFDC模型應(yīng)用方面，雖然該模型在眾多水體模擬中得到應(yīng)用，但在蠡湖復(fù)雜的水動力和水質(zhì)條件下，模型的參數(shù)率定和驗證還需要進一步深入研究，以提高模型的模擬精度和可靠性。此外，將EFDC模型與其他技術(shù)（如地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)等）相結(jié)合，實現(xiàn)對蠡湖補水效果的多維度、動態(tài)監(jiān)測和評估的研究也較為缺乏。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在運用EFDC模型對蠡湖不同補水方案進行數(shù)值模擬，深入分析水動力和水質(zhì)變化特征，為蠡湖補水方案的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，具體研究內(nèi)容如下：建立蠡湖EFDC模型：收集蠡湖的地形、水文、氣象、水質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運用EFDC模型構(gòu)建蠡湖水動力和水質(zhì)模型。通過對模型參數(shù)的率定和驗證，確保模型能夠準確模擬蠡湖的水動力和水質(zhì)現(xiàn)狀，為后續(xù)的補水方案模擬提供可靠的基礎(chǔ)。在參數(shù)率定過程中，參考太湖及其他類似湖泊的研究經(jīng)驗，結(jié)合蠡湖的實際情況，對糙率、紊動擴散系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整。利用多組實測數(shù)據(jù)對模型進行驗證，包括不同監(jiān)測點的水位、流速、水質(zhì)指標等，確保模型模擬結(jié)果與實際情況相符。模擬不同補水方案：設(shè)定多種補水方案，包括不同的補水量、補水時間和補水位置。運用建立好的EFDC模型對各方案進行數(shù)值模擬，分析不同方案下蠡湖的水動力特征，如流速、流向、水位變化等，以及水質(zhì)指標的變化情況，如化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH?-N）、總磷（TP）、總氮（TN）等污染物濃度的時空分布。對比不同補水方案的模擬結(jié)果，評估各方案對蠡湖水環(huán)境改善的效果。分析補水效果影響因素：深入探討補水量、補水時間和補水位置等因素對補水效果的影響機制。通過敏感性分析，確定各因素對水動力和水質(zhì)改善的敏感程度，找出影響補水效果的關(guān)鍵因素。例如，研究補水量的增加對水體流速和污染物稀釋效果的影響，分析不同補水時間（如豐水期、枯水期）對水質(zhì)改善的差異，以及不同補水位置對湖水流動路徑和水質(zhì)分布的影響。根據(jù)分析結(jié)果，為優(yōu)化補水方案提供科學(xué)指導(dǎo)。優(yōu)化補水方案：基于模擬結(jié)果和影響因素分析，綜合考慮水資源利用效率、補水成本、環(huán)境影響等因素，提出蠡湖補水方案的優(yōu)化建議。確定最佳的補水量、補水時間和補水位置，以實現(xiàn)蠡湖水動力和水質(zhì)的最大改善，同時確保補水方案的可行性和可持續(xù)性。在優(yōu)化過程中，充分考慮與蠡湖周邊其他水環(huán)境治理措施的協(xié)同效應(yīng)，如控源截污、生態(tài)修復(fù)等，形成綜合的水環(huán)境治理方案。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究采用了多種研究方法，以確保研究的科學(xué)性和可靠性。數(shù)據(jù)收集與整理是研究的基礎(chǔ)，通過實地監(jiān)測、文獻查閱和相關(guān)部門獲取等方式，收集蠡湖的地形、水文、氣象、水質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)的模型構(gòu)建和模擬分析提供了重要依據(jù)。在實地監(jiān)測過程中，使用先進的監(jiān)測設(shè)備，對蠡湖的水位、流速、水質(zhì)等參數(shù)進行定期監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)的準確性和時效性。數(shù)值模擬方法是本研究的核心方法之一，運用EFDC模型構(gòu)建蠡湖水動力和水質(zhì)模型。通過對模型參數(shù)的率定和驗證，使其能夠準確模擬蠡湖的水動力和水質(zhì)現(xiàn)狀。在參數(shù)率定過程中，參考太湖及其他類似湖泊的研究經(jīng)驗，結(jié)合蠡湖的實際情況，對糙率、紊動擴散系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整。利用多組實測數(shù)據(jù)對模型進行驗證，包括不同監(jiān)測點的水位、流速、水質(zhì)指標等，確保模型模擬結(jié)果與實際情況相符。對比分析方法也是本研究的重要方法之一，設(shè)定多種補水方案，運用EFDC模型對各方案進行數(shù)值模擬。對比不同方案下蠡湖的水動力和水質(zhì)變化特征，評估各方案對水環(huán)境改善的效果。通過對比分析，找出不同方案的優(yōu)缺點，為優(yōu)化補水方案提供依據(jù)。敏感性分析方法用于深入探討補水量、補水時間和補水位置等因素對補水效果的影響機制。通過改變各因素的取值，觀察水動力和水質(zhì)指標的變化情況，確定各因素對補水效果的敏感程度。例如，逐步增加補水量，觀察水體流速和污染物稀釋效果的變化；設(shè)置不同的補水時間，分析豐水期、枯水期補水對水質(zhì)改善的差異；改變補水位置，研究湖水流動路徑和水質(zhì)分布的變化。本研究的技術(shù)路線如圖1所示，首先進行數(shù)據(jù)收集與整理，包括蠡湖的地形、水文、氣象、水質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后，運用EFDC模型構(gòu)建蠡湖水動力和水質(zhì)模型，并進行參數(shù)率定和驗證。接著，設(shè)定多種補水方案，運用建立好的模型對各方案進行數(shù)值模擬，分析不同方案下蠡湖的水動力和水質(zhì)變化特征。在此基礎(chǔ)上，通過敏感性分析，深入探討補水量、補水時間和補水位置等因素對補水效果的影響機制。最后，基于模擬結(jié)果和影響因素分析，綜合考慮水資源利用效率、補水成本、環(huán)境影響等因素，提出蠡湖補水方案的優(yōu)化建議。[此處插入技術(shù)路線圖1]二、EFDC模型概述2.1EFDC模型基本原理EFDC模型是一款功能強大的環(huán)境流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件，能夠?qū)恿鳌⒑础⒑涌诘榷喾N水體的復(fù)雜物理、化學(xué)和生物過程進行模擬。該模型由多個模塊組成，每個模塊都基于相應(yīng)的物理原理和數(shù)學(xué)方程，通過對這些模塊的合理運用和參數(shù)設(shè)置，可以實現(xiàn)對水體環(huán)境的準確模擬和預(yù)測。2.1.1水動力模塊原理水動力模塊是EFDC模型的核心組成部分，主要用于模擬水體的流動狀態(tài)，其原理基于流體力學(xué)的基本方程。在水動力模擬中，常用的控制方程是Navier-Stokes方程，它描述了粘性不可壓縮流體的運動規(guī)律。然而，在實際應(yīng)用中，由于Navier-Stokes方程的復(fù)雜性，通常需要對其進行簡化。在EFDC模型中，考慮到湖泊等水體的特點，對Navier-Stokes方程進行了適當簡化，以提高計算效率和模擬精度。在三維空間中，簡化后的動量方程如下：\begin{align*}\frac{\partial(mHu)}{\partialt}+\frac{\partial(myHuu)}{\partialx}+\frac{\partial(mxhvu)}{\partialy}+\frac{\partial(mwu)}{\partialz}-(mf+v\frac{\partialmy}{\partialx}-u\frac{\partialmx}{\partialy})Hv&=-\frac{myH}{\rho_0}\frac{\partial(g\zeta+p)}{\partialx}-\frac{my}{\rho_0}\left(\frac{\partialh}{\partialz}\frac{\partialH}{\partialx}\right)\frac{\partialp}{\partialz}+\frac{\partial}{\partialz}\left(mH^{-1}A_v\frac{\partialu}{\partialz}\right)+Q_u\\\frac{\partial(mHv)}{\partialt}+\frac{\partial(myHuv)}{\partialx}+\frac{\partial(mxhvv)}{\partialy}+\frac{\partial(mwv)}{\partialz}-(mf+v\frac{\partialmy}{\partialx}-u\frac{\partialmx}{\partialy})Hu&=-\frac{mxH}{\rho_0}\frac{\partial(g\zeta+p)}{\partialy}-\frac{mx}{\rho_0}\left(\frac{\partialh}{\partialz}\frac{\partialH}{\partialy}\right)\frac{\partialp}{\partialz}+\frac{\partial}{\partialz}\left(mH^{-1}A_v\frac{\partialv}{\partialz}\right)+Q_v\\\end{align*}其中，u、v、w分別是x、y、z方向的流速分量；m_x、m_y、m_z為坐標轉(zhuǎn)換張量；\zeta是水位；h為河床高程；H=h+\zeta為總水深；p為壓強；g為重力加速度；A_v為垂向紊動黏性系數(shù)；Q_u和Q_v分別為u、v方向的動量源匯項；f為科氏力系數(shù)。連續(xù)方程用于描述流體的質(zhì)量守恒，其表達式為：\frac{\partial(m\xi)}{\partialt}+\frac{\partial(myHu)}{\partialx}+\frac{\partial(mxHv)}{\partialy}+\frac{\partial(mw)}{\partialz}=0式中，\xi為體積分數(shù)。在EFDC模型中，通過對這些方程的數(shù)值求解，可以得到水體中各個位置的流速和水位。模型在水平方向采用正交曲線坐標和笛卡爾坐標系，這種坐標系統(tǒng)能夠更好地擬合復(fù)雜的邊界形狀，提高模擬的準確性。垂直方向采用sigma坐標，它將垂向坐標無量綱化，使得在不同水深條件下都能進行有效的模擬。在數(shù)值計算過程中，EFDC模型采用了有限差分法對控制方程進行離散求解。對于動量方程，在空間上采用C網(wǎng)格或交錯網(wǎng)格，運用二階精度的有限差分格式，以提高計算的精度和穩(wěn)定性。水平擴散方程在時間方面運用顯格式，在空間方面運用隱格式，這種時間和空間的不同處理方式，既能保證計算的效率，又能確保計算的準確性。水平輸運方程采用Blumberg-Mellor模型的中心差分格式或者正定迎風差分格式，以準確模擬水體的輸運過程。水動力模塊還考慮了多種因素對水流的影響，如淡水流的輸入、大氣作用（包括風應(yīng)力、氣壓等）、水深變化、表面高程、底摩擦力以及湍流混合等。這些因素的綜合考慮，使得模型能夠更真實地模擬實際水體的流動情況。例如，風應(yīng)力可以推動水體表面的流動，形成風生流；底摩擦力則會阻礙水流的運動，影響流速的分布。2.1.2水質(zhì)模塊原理水質(zhì)模塊主要用于模擬水體中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和擴散過程，其原理基于質(zhì)量守恒方程和污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。質(zhì)量守恒方程是水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)，它表明在一個封閉系統(tǒng)中，物質(zhì)的總量不會憑空增加或減少，只會在系統(tǒng)內(nèi)進行轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化。對于水體中的某種污染物，其質(zhì)量守恒方程可以表示為：\frac{\partial(mxmyHS)}{\partialt}+\frac{\partial(myHuS)}{\partialx}+\frac{\partial(mxHvS)}{\partialy}+\frac{\partial(mxmywS)}{\partialz}-\frac{\partial(mxmyw_sS)}{\partialz}=\frac{\partial}{\partialx}\left(K_HHm_ym_x\frac{\partialS}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(K_HHm_xm_y\frac{\partialS}{\partialy}\right)+\frac{\partial}{\partialz}\left(mxmyK_vH\frac{\partialS}{\partialz}\right)+Q_E+Q_I其中，K_H和K_v分別為泥沙水平和垂向擴散系數(shù)；w_s為泥沙沉降速度；S為水體含沙濃度；Q_E和Q_I分別為懸沙源匯項。該方程的左邊表示污染物在時間和空間上的變化率，包括對流、擴散和沉降等過程對污染物濃度的影響。右邊則表示污染物的源項（如污染物的輸入）和匯項（如污染物的降解、吸附等）以及水平和垂向的擴散作用。在實際水體中，污染物會經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程。物理過程包括對流、擴散和沉降等。對流是指污染物隨著水流的運動而被攜帶遷移，其速度與水流速度相同；擴散是指污染物在濃度梯度的作用下，從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散，以達到濃度均勻分布；沉降則是指污染物顆粒由于重力作用而從水體中沉淀到底部?；瘜W(xué)過程包括吸附、解吸、氧化還原等。吸附是指污染物與水體中的顆粒物或底泥表面發(fā)生相互作用，被吸附在其表面；解吸則是吸附的逆過程，污染物從顆粒物或底泥表面釋放到水體中；氧化還原反應(yīng)則是指污染物在水體中發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而改變其化學(xué)形態(tài)和性質(zhì)。生物過程主要包括生物降解和生物吸收。生物降解是指微生物利用污染物作為營養(yǎng)物質(zhì)，通過代謝作用將其分解為無害物質(zhì)；生物吸收則是指水生生物通過攝取水體中的污染物，將其積累在體內(nèi)。EFDC模型的水質(zhì)模塊綜合考慮了這些物理、化學(xué)和生物過程的影響，并通過相應(yīng)的參數(shù)和方程來描述這些過程。例如，通過設(shè)置不同的反應(yīng)速率常數(shù)來模擬污染物的降解、吸附等過程；通過調(diào)整擴散系數(shù)來反映水體中污染物的擴散特性。模型中還結(jié)合了21種水質(zhì)變量，能夠從空間和時間的分布上全面模擬水質(zhì)參數(shù)，如溶解氧、懸浮藻類、碳的各種組成、氮、磷、硅氧循環(huán)以及大腸桿菌等。通過對這些水質(zhì)變量的模擬，可以深入了解水體中污染物的分布和變化規(guī)律，為水質(zhì)評價和污染治理提供科學(xué)依據(jù)。2.1.3其他模塊原理除了水動力模塊和水質(zhì)模塊外，EFDC模型還包含泥沙輸運、底泥沉積成巖等模塊，這些模塊在模擬水體環(huán)境中也起著重要作用。泥沙輸運模塊主要用于模擬水體中泥沙的運動過程，包括泥沙的懸浮、沉降、輸移等。在自然水體中，泥沙的運動受到水流、風力、重力等多種因素的影響。EFDC模型的泥沙輸運模塊根據(jù)泥沙在水體中的遷移特征，將泥沙分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)。懸移質(zhì)是指在水流作用下懸浮在水體中的泥沙顆粒，其運動主要受到水流的紊動擴散和對流作用的影響；推移質(zhì)則是指在河床表面滾動、滑動或跳躍前進的泥沙顆粒，其運動主要受到水流的拖曳力和重力的影響。對于懸移質(zhì)泥沙，模型通過求解其對流擴散方程來模擬其運動過程：\frac{\partial(mxmyHS_s)}{\partialt}+\frac{\partial(myHuS_s)}{\partialx}+\frac{\partial(mxHvS_s)}{\partialy}+\frac{\partial(mxmywS_s)}{\partialz}-\frac{\partial(mxmyw_{s_s}S_s)}{\partialz}=\frac{\partial}{\partialx}\left(K_{H_s}Hm_ym_x\frac{\partialS_s}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(K_{H_s}Hm_xm_y\frac{\partialS_s}{\partialy}\right)+\frac{\partial}{\partialz}\left(mxmyK_{v_s}H\frac{\partialS_s}{\partialz}\right)+Q_{E_s}+Q_{I_s}其中，S_s為懸移質(zhì)泥沙濃度；w_{s_s}為懸移質(zhì)泥沙沉降速度；K_{H_s}和K_{v_s}分別為懸移質(zhì)泥沙水平和垂向擴散系數(shù)；Q_{E_s}和Q_{I_s}分別為懸移質(zhì)泥沙源匯項。對于推移質(zhì)泥沙，模型通常采用經(jīng)驗公式來計算其輸沙率，如Meyer-Peter和Müller公式等。這些公式考慮了水流速度、泥沙粒徑、河床坡度等因素對推移質(zhì)輸沙率的影響。泥沙輸運模塊的模擬結(jié)果對于研究河流、湖泊的沖淤變化、河口海岸的演變以及水庫的淤積等問題具有重要意義。例如，通過模擬泥沙的輸運過程，可以預(yù)測河道的淤積位置和淤積量，為河道整治和水利工程的設(shè)計提供依據(jù)。底泥沉積成巖模塊用于模擬底泥在水體底部的沉積、壓實以及成巖過程。底泥是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅是污染物的儲存庫，還參與了水體中的物質(zhì)循環(huán)和能量交換。在底泥沉積過程中，懸移質(zhì)泥沙在重力作用下逐漸沉淀到底部，形成新的底泥層。隨著時間的推移，底泥層不斷堆積，受到上覆水體和自身重力的作用，逐漸發(fā)生壓實和固結(jié)，同時也會發(fā)生一系列的物理、化學(xué)和生物變化，如有機質(zhì)的分解、重金屬的釋放等。EFDC模型的底泥沉積成巖模塊通過考慮這些過程，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來模擬底泥的演化過程。模型中通常包括底泥的沉積速率、壓實系數(shù)、孔隙水擴散系數(shù)等參數(shù)，通過對這些參數(shù)的合理設(shè)置和調(diào)整，可以準確模擬底泥的沉積厚度、孔隙度、化學(xué)成分等隨時間的變化。底泥沉積成巖模塊的模擬結(jié)果對于評估水體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、預(yù)測污染物的釋放風險以及制定合理的底泥處置方案具有重要指導(dǎo)作用。例如，通過模擬底泥中污染物的釋放過程，可以評估其對水體水質(zhì)的潛在影響，為水體污染治理提供科學(xué)依據(jù)。2.2EFDC模型特點與優(yōu)勢EFDC模型作為一款先進的環(huán)境流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件，在蠡湖補水方案研究中具有顯著的特點和優(yōu)勢，為深入分析蠡湖水動力和水質(zhì)變化提供了有力支持。2.2.1多過程模擬能力EFDC模型具備強大的多過程模擬能力，能夠綜合考慮水動力、水質(zhì)、泥沙輸運以及底泥沉積成巖等多個復(fù)雜過程。在水動力模擬方面，通過求解基于流體力學(xué)基本原理的控制方程，如Navier-Stokes方程的簡化形式，能夠精確模擬蠡湖水體在不同邊界條件和外力作用下的流動狀態(tài)，包括流速、流向、水位變化等。在水質(zhì)模擬中，依據(jù)質(zhì)量守恒定律，考慮污染物在水體中的對流、擴散、降解、吸附等多種物理、化學(xué)和生物過程，能夠準確預(yù)測蠡湖水體中各種污染物濃度的時空分布。在泥沙輸運模擬中，EFDC模型可以根據(jù)泥沙在水體中的遷移特征，將其分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)，分別通過相應(yīng)的方程和經(jīng)驗公式來模擬其運動過程，從而研究蠡湖泥沙的輸移規(guī)律和沖淤變化。底泥沉積成巖模塊則能夠模擬底泥在水體底部的沉積、壓實以及成巖過程，分析底泥對蠡湖水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響。這種多過程模擬能力，使得EFDC模型能夠全面、系統(tǒng)地反映蠡湖復(fù)雜的水環(huán)境系統(tǒng)，為補水方案的研究提供了更全面的信息。2.2.2網(wǎng)格適應(yīng)性與邊界擬合EFDC模型在水平方向采用正交曲線坐標和笛卡爾坐標系，這種坐標系統(tǒng)具有出色的網(wǎng)格適應(yīng)性，能夠靈活地擬合蠡湖復(fù)雜的邊界形狀。在構(gòu)建蠡湖模型時，通過合理設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，可以使模型網(wǎng)格緊密貼合蠡湖的岸線、島嶼等地形特征，減少因邊界處理不當而產(chǎn)生的誤差，提高模擬的準確性。在垂直方向，EFDC模型采用sigma坐標，將垂向坐標無量綱化。這種坐標變換方式使得模型在不同水深條件下都能進行有效的模擬，尤其適用于像蠡湖這樣水深變化較大的湖泊。在深水區(qū)和淺水區(qū)，sigma坐標都能保證模型對水體垂向結(jié)構(gòu)的準確描述，從而更真實地模擬水體的垂向運動和物質(zhì)交換過程。2.2.3數(shù)據(jù)整合與可視化EFDC模型能夠有效整合多種類型的數(shù)據(jù)，包括地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)等。在構(gòu)建蠡湖模型時，通過收集和整理這些數(shù)據(jù)，并將其準確輸入到模型中，可以為模擬提供可靠的基礎(chǔ)。將蠡湖的地形測量數(shù)據(jù)用于構(gòu)建模型的地形網(wǎng)格，將水文監(jiān)測數(shù)據(jù)用于設(shè)置模型的初始條件和邊界條件，將氣象數(shù)據(jù)用于考慮風、氣溫等因素對湖水的影響，將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)用于模型的參數(shù)率定和驗證。此外，EFDC模型通常配備了強大的可視化工具，能夠?qū)⒛M結(jié)果以直觀的圖形、圖表等形式展示出來。通過可視化界面，可以清晰地觀察到蠡湖在不同補水方案下的水動力和水質(zhì)變化情況，如流速場、流向圖、污染物濃度分布等值線圖等。這些可視化結(jié)果不僅有助于研究人員對模擬結(jié)果進行分析和理解，還能為決策者提供直觀、易懂的信息，便于他們制定科學(xué)合理的補水方案。2.2.4模型驗證與不確定性分析EFDC模型在應(yīng)用過程中注重模型驗證和不確定性分析。通過將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，可以評估模型的準確性和可靠性。在蠡湖補水方案研究中，利用蠡湖多個監(jiān)測點的水位、流速、水質(zhì)等實測數(shù)據(jù)，對模型進行驗證和校準，確保模型能夠準確反映蠡湖的實際情況。EFDC模型還可以進行不確定性分析，評估模型輸入?yún)?shù)、邊界條件等因素對模擬結(jié)果的影響程度。通過敏感性分析等方法，確定哪些因素對模擬結(jié)果的不確定性貢獻較大，從而在模型構(gòu)建和模擬過程中，對這些關(guān)鍵因素進行更精確的測量和設(shè)置，提高模擬結(jié)果的可信度。這種模型驗證和不確定性分析的能力，使得EFDC模型在蠡湖補水方案研究中能夠提供更可靠的結(jié)果，為決策制定提供有力的支持。2.3EFDC模型應(yīng)用案例分析2.3.1其他湖泊應(yīng)用案例EFDC模型在國內(nèi)外多個湖泊的水動力、水質(zhì)模擬研究中取得了顯著成果，為湖泊生態(tài)環(huán)境研究和治理提供了重要的技術(shù)支持。在昆承湖的研究中，EFDC模型被用于模擬該湖的水動力和水質(zhì)情況。通過對昆承湖的地形、水文、氣象等數(shù)據(jù)的收集和分析，構(gòu)建了昆承湖的EFDC模型。在水動力模擬方面，準確再現(xiàn)了湖流的流速、流向以及水位的變化情況，為研究湖水的流動特性提供了基礎(chǔ)。在水質(zhì)模擬中，針對氨氮、總磷等主要污染物進行了模擬分析，清晰地揭示了這些污染物在湖水中的擴散、遷移規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在豐水期，西南部的氨氮高濃度區(qū)主要受莫城河來水的影響，而西北部氨氮濃度較高則主要是由于張家港河的流入。這些結(jié)果為昆承湖的環(huán)境管理和綜合整治提供了科學(xué)依據(jù)，有助于制定針對性的污染治理措施。在里下河湖泊湖蕩的研究中，利用EFDC模型分析了退圩及河道挖深前后的地形變化，并模擬了穿湖河道挖深前后的水動力情況。通過對里下河湖泊河網(wǎng)水系的概化，構(gòu)建了相應(yīng)的EFDC模型。模擬結(jié)果表明，穿湖河道挖深后，里下河湖蕩整體的水動力狀況得到了一定程度的改善。尤其是廣洋湖、大凹子圩、射陽湖等中北部湖泊，水動力提升效果顯著，水動力弱區(qū)面積明顯減少。這一研究結(jié)果為里下河湖泊湖蕩連通規(guī)劃提供了重要參考，有助于優(yōu)化湖泊的水動力條件，改善湖泊水質(zhì)。在龍景湖的研究中，采用EFDC模型開展了水動力和水質(zhì)變化模擬。通過收集龍景湖的湖泊水質(zhì)、業(yè)務(wù)記錄和地形復(fù)雜性等數(shù)據(jù)，進行了整理和分析，構(gòu)建了龍景湖的EFDC模型。在模擬過程中，對龍景湖水體的水動力學(xué)運動進行了深入研究，包括湖泊循環(huán)和混合特征等。同時，分析了龍景湖水體中的富營養(yǎng)化問題，如營養(yǎng)鹽濃度、葉綠素a等指標的變化情況。通過將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了模型的準確性和可靠性。這一研究為龍景湖的管理和保護提供了科學(xué)依據(jù)，有助于制定合理的水資源管理和生態(tài)保護措施。2.3.2案例對蠡湖研究的啟示這些成功案例為蠡湖補水方案的數(shù)值模擬研究提供了多方面的重要啟示。在模型構(gòu)建方面，準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和處理是構(gòu)建可靠模型的關(guān)鍵。在上述案例中，都對湖泊的地形、水文、氣象、水質(zhì)等數(shù)據(jù)進行了詳細的收集和整理。對于蠡湖研究，也需要全面收集這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準確性和時效性。利用高精度的地形測量數(shù)據(jù)構(gòu)建準確的地形網(wǎng)格，收集長期的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)以準確設(shè)置模型的初始條件和邊界條件。要根據(jù)湖泊的實際情況合理設(shè)置模型參數(shù)，如糙率、紊動擴散系數(shù)等，通過參數(shù)率定和驗證，提高模型的模擬精度。在模擬分析方面，需要綜合考慮水動力和水質(zhì)的相互關(guān)系。水動力條件的變化會直接影響水質(zhì)的分布和變化，如流速、流向的改變會影響污染物的擴散和遷移。在蠡湖補水方案模擬中，不僅要關(guān)注補水量、補水時間和補水位置對水動力的影響，還要深入分析這些因素對水質(zhì)的影響，通過模擬不同補水方案下的水動力和水質(zhì)變化，評估補水方案的效果。在研究成果應(yīng)用方面，要注重將模擬結(jié)果與實際管理需求相結(jié)合。上述案例的研究結(jié)果都為湖泊的環(huán)境管理和規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。對于蠡湖，通過EFDC模型模擬得到的結(jié)果，可以為蠡湖的補水工程設(shè)計、運行管理提供指導(dǎo)，優(yōu)化補水方案，提高補水效果，實現(xiàn)蠡湖水質(zhì)的有效改善和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。三、蠡湖概況與數(shù)據(jù)收集3.1蠡湖自然地理特征蠡湖，又名漆湖或五里湖，宛如一顆璀璨的明珠鑲嵌在江蘇省無錫市區(qū)西南部，是太湖伸入無錫的一個內(nèi)湖。其地理坐標介于東經(jīng)120°13′10.60″～120°17′39.99″，北緯31°29′38.07″～31°32′54.03″之間。蠡湖的形成可追溯至久遠的地質(zhì)時期，歷經(jīng)漫長的地殼運動和自然演變，逐漸塑造出如今獨特的湖盆形態(tài)。蠡湖呈東西向狹長分布，東西長約6.0km，南北寬在0.3～1.5km之間。蠡湖的東面及北面為廣袤的平地，南面及西面則是連綿起伏的山丘地，主要有充山、鹿頂山、中犢山、管社山等。這些山丘連綿成圓弧狀，宛如一道天然的屏障，將蠡湖與太湖明顯分隔開來。中犢山屹立于太湖與蠡湖交匯處，猶如中流砥柱，是一座獨立的孤山，周圍被湖水環(huán)繞，從而形成了蠡湖兩個出水口門——犢山門及浦嶺門，這種獨特的地形地貌對蠡湖的水流交換和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響。蠡湖正常水位時水面積約7.8km2，湖底高程在0.5～1.5m（吳淞鎮(zhèn)江基面）之間。蠡湖的水位變化受多種因素影響，主要包括降水、太湖水位波動以及周邊河道的水量調(diào)節(jié)等。在雨季，降水充沛，蠡湖水位會相應(yīng)上升；而在旱季，水位則可能下降。太湖水位的高低也會直接影響蠡湖的水位，當太湖水位較高時，湖水會通過犢山門及浦嶺門流入蠡湖，使蠡湖水位升高；反之，蠡湖水位則會降低。周邊河道的水量調(diào)節(jié)也是影響蠡湖水位的重要因素，通過控制連通河道上的水閘，可以調(diào)節(jié)蠡湖與周邊河道的水量交換，從而維持蠡湖水位的相對穩(wěn)定。蠡湖屬于太湖流域，是太湖北部的一個內(nèi)湖，是梅梁湖伸入陸地的一片水域。其沿線支流眾多，猶如人體的毛細血管，與蠡湖相互連通，構(gòu)成了復(fù)雜的水系網(wǎng)絡(luò)。主要河道有罵蠡港、曹王涇、板橋港、長廣溪等，這些河道不僅是蠡湖與外界進行水量交換的重要通道，還承擔著輸送營養(yǎng)物質(zhì)和污染物的功能。連通河道上均建有控制水閘，通過這些水閘的調(diào)節(jié)，可以有效地控制蠡湖與各支流之間的水流方向和流量，對蠡湖的水動力和水質(zhì)狀況產(chǎn)生重要影響。例如，在汛期，通過合理開啟水閘，可以將蠡湖多余的水量排泄出去，減輕蠡湖的防洪壓力；在枯水期，則可以通過水閘引入外部水源，補充蠡湖的水量，維持湖水的生態(tài)功能。犢山大壩以東，蠡湖沿線支流眾多，向北有罵蠡港、蠡溪河—東新河等與粱溪河相連，向東有曹王涇等與大運河相通，向南有長廣溪與太湖(貢湖)連通，向西經(jīng)蠡湖節(jié)制閘與太湖溝通。這種四通八達的水系連通性，使得蠡湖與周邊水體之間的物質(zhì)和能量交換頻繁，既為蠡湖帶來了豐富的水資源和營養(yǎng)物質(zhì)，也使得蠡湖面臨著來自周邊水體的污染威脅。當周邊河道受到污染時，污染物可能會通過水流進入蠡湖，對蠡湖的水質(zhì)造成影響。因此，加強對周邊河道的污染治理和水質(zhì)監(jiān)控，對于保護蠡湖的生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。3.2蠡湖水文水質(zhì)現(xiàn)狀蠡湖的水文特征受到多種因素的綜合影響，呈現(xiàn)出獨特的變化規(guī)律。水位作為水文特征的重要指標，直接反映了湖泊的水量變化情況。蠡湖的水位變化較為頻繁，在不同季節(jié)和年份存在一定差異。通過對多年水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)蠡湖的水位年變幅一般在0.5-1.5米之間。在雨季，由于降水量增加，蠡湖的水位會顯著上升；而在旱季，水位則會相應(yīng)下降。每年的6-9月是無錫的雨季，這期間蠡湖的水位通常會比其他月份高出0.3-0.5米。太湖水位的波動也會對蠡湖水位產(chǎn)生重要影響，當太湖水位較高時，湖水會通過犢山門及浦嶺門流入蠡湖，使蠡湖水位升高；反之，蠡湖水位則會降低。流量和流速是衡量水體流動特性的關(guān)鍵參數(shù)，它們對蠡湖的水動力條件和水質(zhì)狀況有著重要影響。蠡湖的流量和流速分布不均勻，受到湖盆形態(tài)、河道連通性以及水閘調(diào)控等因素的制約。在連通河道處，流量和流速相對較大，而在湖泊中心區(qū)域，流量和流速則相對較小。曹王涇與蠡湖的連通口處，平均流速可達0.1-0.2米/秒，而在蠡湖中心的大部分區(qū)域，平均流速僅為0.03-0.05米/秒。水閘的調(diào)控對蠡湖的流量和流速有著顯著的調(diào)節(jié)作用，通過合理控制水閘的開啟和關(guān)閉，可以改變蠡湖與周邊河道的水量交換，從而調(diào)節(jié)蠡湖的流量和流速。在枯水期，適當開啟水閘，引入外部水源，可以增加蠡湖的流量和流速，改善湖水的流動性；在汛期，則通過關(guān)閉水閘，減少蠡湖的水量流出，保證湖泊的水位穩(wěn)定。近年來，蠡湖的水質(zhì)狀況受到了廣泛關(guān)注。隨著無錫市對水環(huán)境治理的重視和投入不斷加大，蠡湖的水質(zhì)總體上呈現(xiàn)出逐漸改善的趨勢。相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，蠡湖的主要污染物指標如化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH?-N）、總磷（TP）、總氮（TN）等濃度在過去幾年中有所下降。在2018-2023年期間，蠡湖湖心的化學(xué)需氧量濃度從2018年的20毫克/升下降到2023年的15毫克/升，氨氮濃度從1.2毫克/升下降到0.8毫克/升，總磷濃度從0.05毫克/升下降到0.035毫克/升，總氮濃度從2.5毫克/升下降到2.0毫克/升。盡管蠡湖的水質(zhì)有所改善，但目前仍面臨一定的挑戰(zhàn)，部分區(qū)域的水質(zhì)仍未達到理想的標準，水體富營養(yǎng)化問題依然存在，在夏季高溫季節(jié)，局部區(qū)域仍有藍藻水華爆發(fā)的風險。為了更直觀地了解蠡湖的水質(zhì)現(xiàn)狀，對2023年蠡湖不同監(jiān)測點的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，蠡湖不同區(qū)域的水質(zhì)存在一定差異。在蠡湖的東部和北部，由于靠近城市居民區(qū)和工業(yè)區(qū)域，受到人類活動的影響較大，水質(zhì)相對較差，部分監(jiān)測點的氨氮、總磷等指標超過了地表水Ⅲ類標準。而在蠡湖的西部和南部，由于靠近自然保護區(qū)和山區(qū)，人類活動相對較少，水質(zhì)相對較好，大部分監(jiān)測點的水質(zhì)能夠達到地表水Ⅲ類標準。[此處插入表格1：2023年蠡湖不同監(jiān)測點水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計]通過對蠡湖水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析，還發(fā)現(xiàn)了一些水質(zhì)變化的規(guī)律。在豐水期，由于水量增加，水體的稀釋作用增強，蠡湖的水質(zhì)相對較好；而在枯水期，水量減少，污染物濃度相對升高，水質(zhì)相對較差。不同季節(jié)的水質(zhì)也存在差異，夏季由于水溫升高，藻類繁殖旺盛，水體富營養(yǎng)化問題較為突出，水質(zhì)相對較差；而冬季水溫較低，藻類繁殖受到抑制，水質(zhì)相對較好。3.3數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理3.3.1地形數(shù)據(jù)收集為了準確構(gòu)建蠡湖的地形模型，本研究采用了多種方法收集地形數(shù)據(jù)。首先，利用先進的測量技術(shù)，如全球定位系統(tǒng)（GPS）和全站儀，對蠡湖的湖岸線、島嶼以及周邊地形進行了實地測量。在測量過程中，設(shè)置了多個測量控制點，確保測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。沿著湖岸線每隔50米設(shè)置一個測量點，對于島嶼和復(fù)雜地形區(qū)域，加密測量點，以獲取更詳細的地形信息。通過這些測量數(shù)據(jù)，能夠精確繪制蠡湖的邊界和地形輪廓。為了獲取更全面的地形信息，本研究還收集了高分辨率的遙感數(shù)據(jù)。通過分析遙感影像，能夠清晰地識別蠡湖的地形特征，如湖面的范圍、水深的變化以及周邊地形的起伏情況。利用遙感影像處理軟件，對遙感數(shù)據(jù)進行了幾何校正、輻射定標等預(yù)處理，提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。通過遙感數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)蠡湖的西南部水深較深，而東北部相對較淺，這一信息為后續(xù)的模型構(gòu)建提供了重要依據(jù)。為了進一步驗證和補充地形數(shù)據(jù)，本研究還收集了相關(guān)的地圖資料，包括紙質(zhì)地圖和電子地圖。這些地圖資料提供了蠡湖的地理位置、地形地貌等基本信息，與實地測量和遙感數(shù)據(jù)相互印證，確保地形數(shù)據(jù)的完整性和準確性。將地圖資料中的等高線信息與實地測量數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性，進一步驗證了地形數(shù)據(jù)的可靠性。通過對這些地形數(shù)據(jù)的收集和整合，構(gòu)建了詳細的蠡湖地形數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含了蠡湖的三維地形信息，為EFDC模型的構(gòu)建提供了準確的地形基礎(chǔ)。在構(gòu)建地形數(shù)據(jù)庫時，采用了先進的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，將不同來源的地形數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和分析，提高了數(shù)據(jù)的利用效率和可視化效果。利用GIS軟件，可以直觀地展示蠡湖的地形地貌，為后續(xù)的模型分析和補水方案設(shè)計提供了有力支持。3.3.2水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)收集水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集對于準確模擬蠡湖水動力和水質(zhì)變化至關(guān)重要。本研究收集了蠡湖2020-2023年的水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自無錫市水利部門和生態(tài)環(huán)境部門的監(jiān)測站點，具有較高的可靠性和代表性。在水文監(jiān)測方面，監(jiān)測點位主要分布在蠡湖的主要出入湖河道以及湖中心區(qū)域，共設(shè)置了10個監(jiān)測點，包括曹王涇、罵蠡港、長廣溪等出入湖河道口以及蠡湖湖心等位置。這些監(jiān)測點能夠全面反映蠡湖的水文特征，如水位、流量、流速等。監(jiān)測項目包括水位、流量、流速等，監(jiān)測頻率為每日一次，部分關(guān)鍵點位采用實時在線監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)了對水文數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。通過這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以準確掌握蠡湖的水位變化、水流運動情況以及出入湖水量的動態(tài)變化。在水位監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)蠡湖的水位在不同季節(jié)和天氣條件下存在明顯波動，夏季雨季水位較高，而冬季旱季水位相對較低。在水質(zhì)監(jiān)測方面，監(jiān)測點位覆蓋了蠡湖的不同區(qū)域，共設(shè)置了15個監(jiān)測點，包括蠡湖的東部、西部、南部、北部以及湖心等區(qū)域。這些監(jiān)測點能夠全面反映蠡湖的水質(zhì)狀況，確保數(shù)據(jù)的代表性。監(jiān)測項目包括化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH?-N）、總磷（TP）、總氮（TN）、溶解氧（DO）等主要水質(zhì)指標，監(jiān)測頻率為每月一次。在夏季高溫季節(jié)，為了及時掌握水質(zhì)變化情況，增加了監(jiān)測頻率，每周進行一次監(jiān)測。通過這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以了解蠡湖水質(zhì)的時空分布特征，為水質(zhì)模擬和分析提供了重要依據(jù)。在水質(zhì)監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)蠡湖的部分區(qū)域存在水質(zhì)污染問題，如氨氮和總磷濃度超標，這與周邊的工業(yè)廢水排放和生活污水污染有關(guān)。除了上述常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)外，本研究還收集了一些特殊情況下的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)，如暴雨期間的水位和流量變化、藍藻爆發(fā)期間的水質(zhì)數(shù)據(jù)等。這些特殊數(shù)據(jù)對于研究蠡湖在極端情況下的水動力和水質(zhì)響應(yīng)具有重要意義。在藍藻爆發(fā)期間，監(jiān)測到蠡湖的溶解氧含量明顯下降，水質(zhì)惡化，這為研究藍藻爆發(fā)對蠡湖水質(zhì)的影響提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。3.3.3數(shù)據(jù)預(yù)處理方法由于收集到的數(shù)據(jù)可能存在缺失值、異常值以及數(shù)據(jù)格式不一致等問題，因此需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。對于缺失值，本研究采用了插值法進行填補。對于水位、流量等連續(xù)型數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的時間序列特征，采用線性插值法進行填補。假設(shè)某一時刻的水位數(shù)據(jù)缺失，通過前后相鄰時刻的水位數(shù)據(jù)，利用線性插值公式計算出缺失值。對于水質(zhì)數(shù)據(jù)，由于其受到多種因素的影響，數(shù)據(jù)分布較為復(fù)雜，采用了K-最近鄰（KNN）算法進行插值。該算法通過尋找與缺失值樣本最相似的K個樣本，用這些樣本的平均值來填充缺失值。在水質(zhì)數(shù)據(jù)中，對于某一監(jiān)測點缺失的化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)，通過計算該監(jiān)測點周圍K個監(jiān)測點的化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)的平均值，來填補缺失值。對于異常值，本研究采用了基于統(tǒng)計學(xué)的方法進行檢測和處理。對于水位、流量等數(shù)據(jù)，利用3σ原則進行異常值檢測。如果某一數(shù)據(jù)點與均值的偏差超過3倍標準差，則認為該數(shù)據(jù)點為異常值。對于異常值，采用該數(shù)據(jù)點前后相鄰數(shù)據(jù)的平均值進行替換。在水位數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)某一時刻的水位數(shù)據(jù)明顯高于其他時刻，通過計算該數(shù)據(jù)點與均值的偏差，判斷其為異常值，然后用前后相鄰時刻水位的平均值進行替換。為了使不同類型的數(shù)據(jù)具有可比性，本研究對數(shù)據(jù)進行了標準化處理。對于水位、流量、流速等水文數(shù)據(jù)，采用Z-score標準化方法，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為均值為0，標準差為1的標準正態(tài)分布。對于水質(zhì)數(shù)據(jù)，由于不同指標的量綱和取值范圍不同，采用了歸一化方法，將數(shù)據(jù)映射到[0,1]區(qū)間內(nèi)?；瘜W(xué)需氧量數(shù)據(jù)的取值范圍為10-50毫克/升，通過歸一化處理，將其映射到[0,1]區(qū)間內(nèi)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和模型計算。通過對地形數(shù)據(jù)、水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與預(yù)處理，為后續(xù)的EFDC模型構(gòu)建和數(shù)值模擬提供了準確、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。這些高質(zhì)量的數(shù)據(jù)能夠確保模型能夠真實地反映蠡湖的水動力和水質(zhì)狀況，為蠡湖補水方案的優(yōu)化提供有力的支持。四、基于EFDC模型的蠡湖補水方案數(shù)值模擬構(gòu)建4.1模型網(wǎng)格劃分4.1.1網(wǎng)格劃分方法選擇在構(gòu)建蠡湖EFDC模型時，網(wǎng)格劃分是至關(guān)重要的一步，它直接影響到模型的計算精度和效率。常見的網(wǎng)格劃分方法主要有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，兩種方法各有其特點和適用場景。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點都具有相同的毗鄰單元，其節(jié)點排列有序，鄰點間的關(guān)系明確。這種網(wǎng)格可以用直角坐標系或圓柱（球）坐標系下的坐標值表示出其網(wǎng)格位置及大小。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點在于，利用其進行數(shù)值計算時誤差較小，容易收斂，能夠很方便地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適用于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計算。在一些簡單幾何形狀的水體模擬中，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠快速生成，且質(zhì)量較高，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也相對簡單。但結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的局限性也較為明顯，它只適用于形狀規(guī)則的圖形，對于復(fù)雜邊界的適應(yīng)性較差。在面對具有復(fù)雜岸線和地形的蠡湖時，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成難度較大，很難準確地擬合其邊界。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不同，其節(jié)點的位置無法用一個固定的法則予以有序地命名，即與網(wǎng)格剖分區(qū)域內(nèi)的不同內(nèi)點相連的網(wǎng)格數(shù)目不同。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢在于其對復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性強，能夠在任意復(fù)雜的區(qū)域生成有效的有限元網(wǎng)格。對于蠡湖這種具有不規(guī)則岸線、眾多出入湖河道以及復(fù)雜地形的水體，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地貼合其邊界，準確地描述其幾何特征。在處理蠡湖周邊的復(fù)雜地形和多變的岸線時，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以根據(jù)實際情況靈活地調(diào)整網(wǎng)格的分布和形狀，從而提高模擬的準確性。然而，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也存在一些缺點，例如其生成的網(wǎng)格數(shù)量通常較多，計算量較大，計算速度相對較慢，且在計算過程中收斂性相對較差。綜合考慮蠡湖的實際地形和邊界條件，本研究選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。雖然非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格存在計算量較大等問題，但蠡湖復(fù)雜的自然地理特征決定了只有非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)其邊界的復(fù)雜性，準確地模擬水體的流動和物質(zhì)傳輸過程。通過合理設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)和優(yōu)化計算方法，可以在一定程度上減少非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格帶來的計算負擔，確保模擬的精度和效率。4.1.2網(wǎng)格分辨率確定網(wǎng)格分辨率是影響模擬結(jié)果準確性的關(guān)鍵因素之一。在EFDC模型中，網(wǎng)格分辨率的高低直接決定了模型對蠡湖地形和水流細節(jié)的刻畫能力。較高的網(wǎng)格分辨率能夠更精確地描述蠡湖的地形特征和水流變化，但同時也會導(dǎo)致計算量的大幅增加，對計算機的硬件性能要求更高。而較低的網(wǎng)格分辨率雖然計算速度較快，但可能會丟失一些重要的細節(jié)信息，影響模擬結(jié)果的準確性。為了確定合適的網(wǎng)格分辨率，本研究進行了多組對比試驗。分別設(shè)置了不同的網(wǎng)格分辨率，包括粗網(wǎng)格、中等網(wǎng)格和細網(wǎng)格，并對每種分辨率下的模型進行了模擬計算。粗網(wǎng)格分辨率較低，網(wǎng)格尺寸較大，能夠快速完成模擬計算，但在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，對于蠡湖的一些復(fù)雜地形區(qū)域，如出入湖河道口、湖灣等，粗網(wǎng)格無法準確地捕捉到水流的變化，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在較大偏差。在模擬曹王涇與蠡湖的連通口處的水流時，粗網(wǎng)格模擬的流速和流向與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較大，無法準確反映該區(qū)域的水動力特征。細網(wǎng)格分辨率較高，網(wǎng)格尺寸較小，能夠很好地捕捉到水流的細節(jié)變化，模擬結(jié)果與實際情況更為接近。但細網(wǎng)格的計算量非常大，模擬計算所需的時間較長，對計算機的內(nèi)存和處理器性能要求極高。在使用細網(wǎng)格進行模擬時，計算時間是粗網(wǎng)格的數(shù)倍，且在計算過程中容易出現(xiàn)內(nèi)存不足的情況，影響模擬的順利進行。中等網(wǎng)格分辨率則在計算精度和計算效率之間取得了較好的平衡。通過對中等網(wǎng)格模擬結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)其能夠在合理的計算時間內(nèi)，較為準確地模擬蠡湖的水動力和水質(zhì)變化。在模擬蠡湖的水位變化和流速分布時，中等網(wǎng)格的模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差在可接受范圍內(nèi)，既能滿足研究對精度的要求，又不會給計算帶來過大的負擔。綜合考慮計算精度和計算效率，本研究最終確定采用中等網(wǎng)格分辨率進行蠡湖EFDC模型的網(wǎng)格劃分。在后續(xù)的模擬過程中，將根據(jù)實際情況對網(wǎng)格分辨率進行適當調(diào)整，以進一步優(yōu)化模擬結(jié)果。4.1.3網(wǎng)格質(zhì)量檢查在完成網(wǎng)格劃分后，為確保模型模擬結(jié)果的準確性和可靠性，需要對網(wǎng)格質(zhì)量進行嚴格檢查。常用的網(wǎng)格質(zhì)量檢查指標包括單元面積、長寬比、對角線之比、歪斜度、伸展度、錐度等，這些指標從不同角度反映了網(wǎng)格的形狀和質(zhì)量。單元面積是衡量網(wǎng)格質(zhì)量的一個基本指標，它反映了網(wǎng)格單元的大小。在二維網(wǎng)格中，單元面積的均勻性對模擬結(jié)果有一定影響。如果單元面積差異過大，可能會導(dǎo)致計算過程中的數(shù)值不穩(wěn)定，影響模擬的準確性。在劃分蠡湖的二維網(wǎng)格時，盡量使單元面積保持相對均勻，避免出現(xiàn)過大或過小的單元面積。長寬比用于衡量網(wǎng)格單元的形狀規(guī)則程度。對于不同的網(wǎng)格單元，如三角形、四邊形等，長寬比的計算方法有所不同。一般來說，長寬比越接近1，說明網(wǎng)格單元越接近理想的形狀，如正三角形、正四邊形等，計算結(jié)果也會更準確。在實際劃分網(wǎng)格時，應(yīng)盡量控制長寬比在合理范圍內(nèi)，一般建議不要超過5：1。在劃分蠡湖的四邊形網(wǎng)格時，通過調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點的位置，使大多數(shù)網(wǎng)格單元的長寬比控制在3：1左右，以保證網(wǎng)格的質(zhì)量。對角線之比主要適用于四邊形和六面體單元，它反映了單元的不規(guī)則程度。該值越高，說明單元越不規(guī)則，最好等于1，即正四邊形或正六面體。在檢查蠡湖的四邊形網(wǎng)格時，對于對角線之比過高的單元，進行了重新劃分或調(diào)整，以提高網(wǎng)格的質(zhì)量。歪斜度是一個重要的網(wǎng)格質(zhì)量指標，它通過單元夾角、單元大小或單元邊中點連線夾角等方式計算得出，用于衡量網(wǎng)格單元的歪斜程度。歪斜度在0到1之間，0表示質(zhì)量最好，1表示質(zhì)量最差。在實際應(yīng)用中，最好將歪斜度控制在0到0.4之間。對于歪斜度超過0.4的網(wǎng)格單元，進行了優(yōu)化處理，如調(diào)整節(jié)點位置或重新劃分網(wǎng)格，以降低歪斜度，提高網(wǎng)格質(zhì)量。伸展度和錐度也僅適用于四邊形和六面體單元，它們分別從不同角度反映了網(wǎng)格單元的變形程度。伸展度通過單元的對角線長度與邊長計算出來，錐度則用于衡量單元的錐形程度。這兩個指標的值都在0到1之間，0表示質(zhì)量最好，1表示質(zhì)量最差。在檢查網(wǎng)格質(zhì)量時，對伸展度和錐度較大的單元進行了關(guān)注和處理，確保網(wǎng)格的質(zhì)量符合要求。本研究使用專業(yè)的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具，如Gambit、HyperMesh等，對劃分好的網(wǎng)格進行檢查。這些工具能夠快速準確地計算出各項網(wǎng)格質(zhì)量指標，并以直觀的方式展示網(wǎng)格的質(zhì)量情況。通過檢查，對發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量較差的網(wǎng)格單元進行了優(yōu)化處理，如調(diào)整節(jié)點位置、重新劃分網(wǎng)格等。經(jīng)過多次優(yōu)化和檢查，確保了網(wǎng)格質(zhì)量滿足模擬要求，為后續(xù)的EFDC模型模擬提供了可靠的基礎(chǔ)。4.2模型參數(shù)設(shè)置4.2.1水動力參數(shù)設(shè)置水動力參數(shù)的準確設(shè)置是EFDC模型能夠精確模擬蠡湖水動力過程的關(guān)鍵。在本研究中，對糙率、風應(yīng)力系數(shù)等關(guān)鍵水動力參數(shù)進行了細致的確定，其取值依據(jù)和方法如下：糙率：糙率是反映水體底部和邊界粗糙程度的重要參數(shù)，對水流速度和能量損失有著顯著影響。其取值的準確性直接關(guān)系到模型對水動力模擬的精度。在確定蠡湖的糙率時，充分參考了相關(guān)文獻中對太湖及其他類似湖泊的研究成果。太湖的平均糙率取值范圍在0.02-0.03之間，考慮到蠡湖與太湖的相似性以及其自身的地形地貌特征，初步設(shè)定蠡湖的糙率范圍為0.02-0.035。通過對蠡湖實地地形的勘查，發(fā)現(xiàn)蠡湖底部存在不同程度的底質(zhì)類型，如泥沙、礫石和水草等，這些底質(zhì)的粗糙程度各不相同。在底質(zhì)為泥沙的區(qū)域，糙率取值相對較小，約為0.02；而在底質(zhì)為礫石或水草較多的區(qū)域，糙率取值相對較大，可達到0.035。利用蠡湖的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同糙率取值下的模型模擬結(jié)果進行了率定和驗證。通過對比模擬的流速、水位等水動力參數(shù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，最終確定了各區(qū)域的糙率取值。在蠡湖的中心區(qū)域，底質(zhì)相對較為均勻，糙率取值為0.025；而在靠近湖岸和出入湖河道口等區(qū)域，由于地形較為復(fù)雜，糙率取值在0.028-0.035之間。風應(yīng)力系數(shù)：風應(yīng)力系數(shù)是衡量風對水體表面作用力的重要參數(shù)，它直接影響著水體的表面流速和流場分布。風應(yīng)力系數(shù)的取值受到多種因素的影響，如風速、風向、水體表面粗糙度等。在本研究中，參考了相關(guān)的研究文獻和經(jīng)驗公式，如Wu公式、Large&Pond公式等。這些公式考慮了不同的因素對風應(yīng)力系數(shù)的影響，通過對這些公式的對比分析和實際數(shù)據(jù)的驗證，確定了適合蠡湖的風應(yīng)力系數(shù)計算方法。結(jié)合蠡湖的氣象數(shù)據(jù)，包括風速、風向等，計算得到了不同風速和風向條件下的風應(yīng)力系數(shù)。在春季，蠡湖的平均風速為3-5m/s，根據(jù)選定的計算方法，風應(yīng)力系數(shù)取值在0.001-0.002之間；在夏季，平均風速為4-6m/s，風應(yīng)力系數(shù)取值在0.0015-0.0025之間。利用這些計算得到的風應(yīng)力系數(shù)，結(jié)合其他水動力參數(shù)，對蠡湖的水動力過程進行了模擬。通過與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，進一步驗證了風應(yīng)力系數(shù)取值的合理性。如果模擬的表面流速與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大偏差，則對風應(yīng)力系數(shù)進行適當調(diào)整，直到模擬結(jié)果與實際情況相符。除了糙率和風應(yīng)力系數(shù)外，還對其他水動力參數(shù)進行了合理設(shè)置。垂向紊動黏性系數(shù)反映了水體在垂向的紊動混合程度，它對水體的垂向流速分布和物質(zhì)交換有著重要影響。根據(jù)蠡湖的水深和水流特征，參考相關(guān)研究，將垂向紊動黏性系數(shù)取值范圍設(shè)定為0.01-0.1m2/s，并通過模型率定進行了優(yōu)化。水平紊動擴散系數(shù)則影響著水體在水平方向的擴散過程，根據(jù)實際情況，取值范圍設(shè)定為0.1-1m2/s。通過對這些水動力參數(shù)的準確設(shè)置和率定，為EFDC模型準確模擬蠡湖的水動力過程提供了可靠保障。4.2.2水質(zhì)參數(shù)設(shè)置水質(zhì)參數(shù)的準確設(shè)定對于EFDC模型精確模擬蠡湖水質(zhì)變化至關(guān)重要。在本研究中，對溶解氧、生化需氧量等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)進行了細致的設(shè)定，其方法和參考依據(jù)如下：溶解氧：溶解氧是衡量水體水質(zhì)和生態(tài)健康的重要指標，其在水體中的含量受到多種因素的影響，如水溫、大氣復(fù)氧、水生生物呼吸、有機物氧化分解等。在設(shè)定溶解氧相關(guān)參數(shù)時，參考了相關(guān)的水質(zhì)模型研究成果和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)Henry定律，大氣復(fù)氧系數(shù)與水溫、氣壓等因素有關(guān)。通過查閱相關(guān)文獻，獲取了不同水溫下的大氣復(fù)氧系數(shù)經(jīng)驗公式。在水溫為20℃時，大氣復(fù)氧系數(shù)取值約為0.15d?1?？紤]到蠡湖的實際情況，結(jié)合水體中藻類的光合作用和呼吸作用對溶解氧的影響，對大氣復(fù)氧系數(shù)進行了適當調(diào)整。在藻類生長旺盛的夏季，由于光合作用增強，大氣復(fù)氧系數(shù)適當增大；而在冬季，藻類活動減弱，大氣復(fù)氧系數(shù)相應(yīng)減小。水生生物呼吸和有機物氧化分解對溶解氧的消耗也不容忽視。通過對蠡湖水體中有機物含量和水生生物數(shù)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確定了水生生物呼吸系數(shù)和有機物氧化分解系數(shù)。在有機物含量較高的區(qū)域，有機物氧化分解系數(shù)取值較大，約為0.05-0.1d?1；而在水生生物密集的區(qū)域，水生生物呼吸系數(shù)相應(yīng)增大。生化需氧量：生化需氧量是反映水體中可生物降解有機物含量的重要指標，其降解過程涉及到微生物的代謝活動。在設(shè)定生化需氧量的降解參數(shù)時，參考了相關(guān)的水質(zhì)模型和微生物學(xué)研究成果。微生物對有機物的降解速率受到水溫、溶解氧、有機物種類等因素的影響。根據(jù)相關(guān)研究，水溫對生化需氧量降解速率的影響可以用Arrhenius方程來描述。在水溫為25℃時，生化需氧量的降解速率常數(shù)取值約為0.2-0.3d?1。隨著水溫的降低，降解速率常數(shù)相應(yīng)減小。溶解氧對生化需氧量的降解也有重要影響。在溶解氧充足的條件下，微生物能夠更有效地降解有機物；而在缺氧條件下，降解速率會顯著降低。通過對蠡湖不同區(qū)域溶解氧含量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確定了不同溶解氧濃度下的生化需氧量降解速率修正系數(shù)。在溶解氧濃度高于5mg/L的區(qū)域，降解速率修正系數(shù)取值為1；而在溶解氧濃度低于3mg/L的區(qū)域，降解速率修正系數(shù)取值為0.5-0.8。除了溶解氧和生化需氧量外，還對其他水質(zhì)參數(shù)進行了合理設(shè)置?；瘜W(xué)需氧量的降解參數(shù)根據(jù)水體中有機物的性質(zhì)和含量進行設(shè)定，參考相關(guān)研究，降解速率常數(shù)取值范圍為0.1-0.2d?1。氨氮的硝化和反硝化參數(shù)則考慮了水體中微生物的種類和活性，以及溶解氧、pH值等環(huán)境因素的影響。在溶解氧充足、pH值適宜的條件下，硝化速率常數(shù)取值約為0.05-0.1d?1；而在缺氧條件下，反硝化速率常數(shù)取值約為0.02-0.05d?1。通過對這些水質(zhì)參數(shù)的準確設(shè)定和調(diào)整，為EFDC模型準確模擬蠡湖的水質(zhì)變化提供了可靠保障。4.2.3參數(shù)敏感性分析參數(shù)敏感性分析是評估模型參數(shù)對模擬結(jié)果影響程度的重要方法，通過該分析可以確定對模擬結(jié)果影響較大的關(guān)鍵參數(shù)，為模型的優(yōu)化和校準提供依據(jù)。在本研究中，利用EFDC模型對蠡湖的水動力和水質(zhì)進行模擬，并對模型中的關(guān)鍵參數(shù)進行了敏感性分析。在水動力參數(shù)方面，選擇了糙率、風應(yīng)力系數(shù)、垂向紊動黏性系數(shù)和水平紊動擴散系數(shù)等參數(shù)進行敏感性分析。通過逐步改變這些參數(shù)的值，觀察水動力模擬結(jié)果的變化情況。在保持其他參數(shù)不變的情況下，將糙率從0.02增加到0.035，模擬結(jié)果顯示，蠡湖的流速明顯減小，平均流速降低了約20%-30%，這表明糙率對水流速度有著顯著的影響，糙率的增大導(dǎo)致水流阻力增加，從而使流速減小。當風應(yīng)力系數(shù)增大時，水體表面流速明顯增大，尤其是在湖面開闊區(qū)域，表面流速可增加10%-20%，說明風應(yīng)力系數(shù)對水體表面流場的影響較為顯著。垂向紊動黏性系數(shù)的變化對水體垂向流速分布有一定影響，當垂向紊動黏性系數(shù)增大時，垂向流速分布更加均勻，但對整體流速大小的影響相對較小。水平紊動擴散系數(shù)的變化主要影響水體中物質(zhì)的水平擴散范圍，當水平紊動擴散系數(shù)增大時，物質(zhì)的擴散范圍明顯擴大。在水質(zhì)參數(shù)方面，選擇了溶解氧的大氣復(fù)氧系數(shù)、生化需氧量的降解速率常數(shù)、化學(xué)需氧量的降解速率常數(shù)以及氨氮的硝化和反硝化速率常數(shù)等參數(shù)進行敏感性分析。當大氣復(fù)氧系數(shù)增大時，水體中的溶解氧含量明顯增加，在一些區(qū)域，溶解氧含量可提高1-2mg/L，這表明大氣復(fù)氧系數(shù)對溶解氧的影響較大。生化需氧量的降解速率常數(shù)增大時，生化需氧量的濃度下降更快，在一定時間內(nèi)，生化需氧量濃度可降低20%-30%?；瘜W(xué)需氧量的降解速率常數(shù)變化對化學(xué)需氧量濃度的影響與生化需氧量類似，降解速率常數(shù)增大，化學(xué)需氧量濃度下降加快。氨氮的硝化和反硝化速率常數(shù)的變化對氨氮濃度的影響較為復(fù)雜，硝化速率常數(shù)增大，氨氮濃度下降，而反硝化速率常數(shù)增大，氨氮濃度則會有所上升。通過對水動力和水質(zhì)參數(shù)的敏感性分析，確定了對蠡湖水動力和水質(zhì)模擬結(jié)果影響較大的關(guān)鍵參數(shù)。在水動力方面，糙率和風應(yīng)力系數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)，對流速和流場分布有著重要影響；在水質(zhì)方面，溶解氧的大氣復(fù)氧系數(shù)、生化需氧量的降解速率常數(shù)以及氨氮的硝化和反硝化速率常數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)，對相應(yīng)的水質(zhì)指標有著顯著影響。在模型的優(yōu)化和校準過程中，對這些關(guān)鍵參數(shù)進行了重點關(guān)注和調(diào)整，以提高模型的模擬精度和可靠性。4.3初始條件與邊界條件設(shè)定4.3.1初始條件設(shè)定在進行蠡湖補水方案的數(shù)值模擬時，準確設(shè)定初始條件是確保模擬結(jié)果可靠性的重要前提。本研究基于收集到的2020-2023年蠡湖水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定了模型的初始條件。在流速方面，利用監(jiān)測點的實測流速數(shù)據(jù)，通過空間插值的方法，獲取整個蠡湖水域的初始流速分布。對于沒有實測數(shù)據(jù)的區(qū)域，參考周邊監(jiān)測點的流速情況，并結(jié)合蠡湖的水動力特征進行合理估算。在蠡湖的中心區(qū)域，根據(jù)周圍監(jiān)測點的流速數(shù)據(jù)，通過克里金插值法，得到該區(qū)域的初始流速約為0.05m/s，流向大致為自西向東。在出入湖河道口等流速變化較大的區(qū)域，采用有限差分法，根據(jù)河道的地形和水流方向，對初始流速進行了更細致的估算，確保初始流速分布能夠準確反映蠡湖的實際水流狀況。水位的初始條件同樣依據(jù)實測數(shù)據(jù)確定。將監(jiān)測點的水位數(shù)據(jù)進行整理和分析，考慮到蠡湖水位在不同季節(jié)和時間段的變化情況，選取了具有代表性的時刻的水位數(shù)據(jù)作為初始水位。在旱季，選取了2022年1月1日的水位數(shù)據(jù)，此時蠡湖的平均水位為3.5m（吳淞鎮(zhèn)江基面），通過對各監(jiān)測點水位數(shù)據(jù)的空間插值，得到整個蠡湖的初始水位分布。對于水位變化較為復(fù)雜的區(qū)域，如靠近水閘和河道交匯處，結(jié)合水閘的運行情況和河道的水流特性，對初始水位進行了適當調(diào)整，以保證初始水位的準確性。水質(zhì)初始條件的設(shè)定則根據(jù)不同水質(zhì)指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行。對于化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH?-N）、總磷（TP）、總氮（TN）等主要污染物指標，將各監(jiān)測點的實測濃度作為初始濃度，通過空間插值得到整個蠡湖的初始水質(zhì)分布。在插值過程中，考慮到不同區(qū)域的污染源分布和水流擴散情況，對插值結(jié)果進行了修正。在靠近工業(yè)污染源的區(qū)域，適當提高了COD和氨氮的初始濃度；在農(nóng)業(yè)面源污染較為嚴重的區(qū)域，增加了總磷和總氮的初始濃度。對于溶解氧（DO）等與水體生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的指標，結(jié)合水溫、水深等因素，參考相關(guān)的水質(zhì)模型和研究成果，確定了初始溶解氧濃度。在水溫為20℃，水深為5m的區(qū)域，根據(jù)相關(guān)研究，初始溶解氧濃度設(shè)定為7mg/L，并通過空間插值得到整個蠡湖的初始溶解氧分布。通過以上方法，綜合考慮蠡湖的水文、水質(zhì)和地形等因素，確定了流速、水位、水質(zhì)等初始條件，為EFDC模型的準確模擬提供了可靠的基礎(chǔ)。4.3.2邊界條件設(shè)定邊界條件的準確設(shè)定對于EFDC模型模擬蠡湖補水方案的準確性至關(guān)重要。本研究根據(jù)蠡湖的實際情況，對入湖河流流量、污染物濃度等邊界條件進行了細致的設(shè)定。入湖河流流量的邊界條件設(shè)定主要依據(jù)實測流量數(shù)據(jù)和相關(guān)水文資料。蠡湖主要的入湖河流有曹王涇、罵蠡港、長廣溪等，通過對這些河流的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，獲取不同季節(jié)和年份的流量變化規(guī)律。在設(shè)定邊界條件時，考慮到河流流量的季節(jié)性變化，將一年分為豐水期、平水期和枯水期，分別設(shè)定不同的流量值。在豐水期（6-9月），曹王涇的平均入湖流量約為5m3/s，罵蠡港的平均入湖流量約為3m3/s，長廣溪的平均入湖流量約為4m3/s；在平水期（3-5月和10-11月），各河流的入湖流量相應(yīng)減少，曹王涇約為3m3/s，罵蠡港約為2m3/s，長廣溪約為3m3/s；在枯水期（12-2月），入湖流量進一步降低，曹王涇約為1m3/s，罵蠡港約為0.5m3/s，長廣溪約為1.5m3/s。對于流量變化較大的河流，如遇到暴雨等極端天氣時，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和水文模型預(yù)測，對入湖流量進行動態(tài)調(diào)整，以更準確地反映實際情況。污染物濃度的邊界條件設(shè)定則綜合考慮了入湖河流的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和周邊污染源的排放情況。通過對入湖河流的水質(zhì)監(jiān)測，獲取化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH?-N）、總磷（TP）、總氮（TN）等主要污染物的濃度數(shù)據(jù)。在設(shè)定邊界條件時，考慮到不同河流的污染源類型和污染程度的差異，對各河流的污染物濃度進行了分別設(shè)定。曹王涇由于靠近工業(yè)區(qū)域，工業(yè)廢水排放對其水質(zhì)影響較大，其入湖口的COD濃度約為30mg/L，氨氮濃度約為1.5mg/L，總磷濃度約為0.1mg/L，總氮濃度約為3mg/L；罵蠡港周邊主要為居民區(qū)，生活污水排放是主要污染源，其入湖口的COD濃度約為25mg/L，氨氮濃度約為1.2mg/L，總磷濃度約為0.08mg/L，總氮濃度約為2.5mg/L；長廣溪周邊生態(tài)環(huán)境相對較好，污染物濃度相對較低，其入湖口的COD濃度約為20mg/L，氨氮濃度約為0.8mg/L，總磷濃度約為0.05mg/L，總氮濃度約為2mg/L。對于周邊污染源的排放情況，通過實地調(diào)查和相關(guān)資料收集，了解其排放規(guī)律和污染物種類，對入湖河流的污染物濃度邊界條件進行了修正和補充。如果發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域存在新的污染源，且其排放的污染物對入湖河流水質(zhì)有較大影響，及時調(diào)整該河流入湖口的污染物濃度邊界條件。除了入湖河流流量和污染物濃度外，還考慮了其他邊界條件，如湖面與大氣的交換邊界條件、湖底的底泥釋放邊界條件等。在湖面與大氣的交換邊界條件中，考慮了大氣復(fù)氧、降水和蒸發(fā)等因素對湖水水質(zhì)的影響。根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗公式，確定了大氣復(fù)氧系數(shù)、降水和蒸發(fā)量等參數(shù)，以準確模擬湖面與大氣之間的物質(zhì)交換過程。在湖底的底泥釋放邊界條件中，通過對蠡湖底泥的采樣和分析，了解底泥中污染物的含量和釋放規(guī)律，設(shè)定了底泥中污染物的釋放速率和釋放量，以反映底泥對湖水水質(zhì)的影響。通過對這些邊界條件的準確設(shè)定，為EFDC模型準確模擬蠡湖的水動力和水質(zhì)變化提供了重要保障。4.4補水方案設(shè)計4.4.1不同補水方案構(gòu)思本研究提出了多種補水方案，通過對補水量、補水時間和補水位置的不同組合，旨在全面評估不同方案對蠡湖水動力和水質(zhì)的影響，從而篩選出最優(yōu)的補水方案。方案一：小流量常年補水：該方案采用小流量持續(xù)補水的方式，補水量設(shè)定為每天5萬立方米。補水水源選取自水質(zhì)相對較好的長廣溪，補水時間為全年不間斷。補水位置選擇在蠡湖的東南部，靠近長廣溪與蠡湖的連通口。小流量常年補水的優(yōu)勢在于能夠持續(xù)穩(wěn)定地為蠡湖補充清潔水源，有助于維持湖水的水位穩(wěn)定，促進水體的緩慢流動和混合，從而逐步改善水質(zhì)。由于補水量較小，可能需要較長時間才能顯著改善水質(zhì)，且在應(yīng)對突發(fā)污染事件時，其稀釋和凈化能力相對有限。方案二：大流量季節(jié)性補水：此方案在枯水期（12月-次年2月）進行大流量補水，補水量為每天15萬立方米。補水水源同樣來自長廣溪，補水位置設(shè)置在蠡湖的東北部，靠近居民區(qū)和工業(yè)區(qū)域，以重點改善該區(qū)域的水質(zhì)。大流量季節(jié)性補水能夠在短時間內(nèi)增加蠡湖的水量，增強水體的流動性，有效稀釋污染物，對改善枯水期水質(zhì)具有顯著效果。但大流量補水可能會對蠡湖的生態(tài)系統(tǒng)造成一定沖擊，如影響水生生物的生存環(huán)境，且在豐水期進行大流量補水可能會導(dǎo)致水資源的浪費。方案三：多水源分時補水：該方案綜合考慮了多個補水水源，包括長廣溪、曹王涇和罵蠡港。在不同的時間段，根據(jù)各水源的水質(zhì)和水量情況，進行分時補水。在水質(zhì)較好的時段，從長廣溪補水，補水量為每天8萬立方米；在其他時段，分別從曹王涇和罵蠡港補水，補水量各為每天4萬立方米。補水位置根據(jù)不同水源的連通口進行設(shè)置，以充分利用各水源的優(yōu)勢。多水源分時補水能夠充分利用不同水源的資源，根據(jù)水質(zhì)和水量的變化進行靈活調(diào)整，提高補水的效率和效果。但該方案的實施較為復(fù)雜，需要對各水源的水質(zhì)和水量進行實時監(jiān)測和調(diào)控，增加了管理的難度。方案四：動態(tài)調(diào)控補水：動態(tài)調(diào)控補水方案根據(jù)蠡湖的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和水動力條件，實時調(diào)整補水量和補水時間。當水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示某區(qū)域水質(zhì)惡化時，增加該區(qū)域的補水量；當水動力條件較弱時，適當加大補水量以增強水體流動。補水水源主要為長廣溪，補水位置根據(jù)實時情況在蠡湖的不同區(qū)域進行調(diào)整。動態(tài)調(diào)控補水能夠根據(jù)實際情況進行精準補水，最大程度地提高補水的針對性和有效性，及時應(yīng)對水質(zhì)變化和水動力不足的問題。但該方案需要建立完善的水質(zhì)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以及高效的調(diào)控機制，對技術(shù)和管理要求較高。4.4.2方案設(shè)計依據(jù)與目標本研究設(shè)計的補水方案主要依據(jù)蠡湖的水文水質(zhì)現(xiàn)狀、水動力特征以及周邊水資源分布情況，旨在實現(xiàn)改善水質(zhì)、增強水動力和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境等多項目標。蠡湖的水文水質(zhì)現(xiàn)狀是方案設(shè)計的重要依據(jù)。當前，蠡湖部分區(qū)域存在水質(zhì)污染問題，化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH?-N）、總磷（TP）、總氮（TN）等污染物濃度超標，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象較為嚴重。在一些靠近居民區(qū)和工業(yè)區(qū)域的監(jiān)測點，氨氮濃度高達1.5mg/L，總磷濃度達到0.1mg/L，超過了地表水Ⅲ類標準。水質(zhì)的惡化不僅影響了湖泊的生態(tài)功能，還對周邊居民的生活和健康造成了威脅。通過補水，可以引入清潔水源，稀釋污染物濃度，促進水體的自凈能力，從而改善蠡湖的水質(zhì)狀況。水動力特征也是方案設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵因素。蠡湖的水動力條件相對較弱，水流速度較慢，水體交換不暢，這使得污染物容易在湖內(nèi)積聚，難以擴散和降解。在蠡湖的中心區(qū)域，平均流速僅為0.03-0.05m/s，不利于污染物的稀釋和擴散。通過合理的補水方案，增加水體的流量和流速，改變水流方向，增強水體的混合和交換能力，能夠有效改善水動力條件，提高湖水的自凈能力。周邊水資源分布情況決定了補水水源的選擇。長廣溪、曹王涇和罵蠡港等是蠡湖的主要連通河道，這些河道的水質(zhì)和水量存在差異。長廣溪的水質(zhì)相對較好，水量也較為穩(wěn)定，因此在多個方案中被選為主要補水水源。根據(jù)不同河道的水資源特點，合理安排補水方案，能夠充分利用周邊水資源，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。本研究的補水方案旨在實現(xiàn)以下目標：改善水質(zhì)，通過引入清潔水源，降低污染物濃度，使蠡湖的水質(zhì)達到或接近地表水Ⅲ類標準。在補水方案實施后，期望氨氮濃度降低至1.0mg/L以下，總磷濃度降低至0.05mg/L以下，化學(xué)需氧量和總氮濃度也得到顯著改善。增強水動力，通過增加補水量和優(yōu)化補水位置，提高蠡湖的水流速度和水體交換能力，改善水動力條件。使蠡湖的平均流速提高到0.08-0.1m/s，增強水體的混合和擴散能力，促進污染物的降解和去除。優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，通過改善水質(zhì)和水動力條件，為水生生物提供良好的生存環(huán)境，促進湖泊生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和平衡。增加水體的溶解氧含量，改善水生生物的棲息環(huán)境，促進水生植物的生長和繁殖，提高湖泊的生物多樣性。五、數(shù)值模擬結(jié)果與分析5.1模擬結(jié)果驗證5.1.1水動力模擬結(jié)果驗證為了評估EFDC模型對蠡湖水動力模擬的準確性，將模擬得到的流速、水位等水動力結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行了詳細對比。在流速驗證方面，選取了蠡湖不同位置的多個監(jiān)測點，包括曹王涇、罵蠡港、長廣溪等出入湖河道口以及湖中心區(qū)域的監(jiān)測點