湖泊水动力模型研究进展
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摘 要：通过对文献的阅读，论文论述了国内外湖泊流域一维二维水动力应用研究的相关进展，并提出了其发展趋势的一些展望，湖泊水动力学研究应该结合计算机科学技术，对水体运动过程进行精细而全面的模拟，建立全面、系统、适用性更强的数值模型。
关键词：湖泊水动力;发展趋势;数值模型
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.183
1 前言
湖泊作为一个相对完整的生态系统[1，2]，承接着上游河流的来水、流域产生的废物，众所周知，在我国广大的地域中，大大小小的湖泊数量众多，其类型，涵盖各种各样，分布各个地方，在《中国湖泊志》有记载的湖泊，九十年代的湖泊面积为90000多平方千米，其中大于1平方千米的湖泊2700多个，但是这个数字在2010年有所下降，面积超过8万平方公里。因此，我国湖泊数量和面积呈现出下降的趋势，与此同时湖泊面临的水质问题更加严重。就鄱阳湖而言面临着水土流失、水质污染、土壤退化等众多问题。
在对湖泊水质、水动力污染等问题研究中，大部分研究采用原位观测等方法进行观测，耗时耗力，且实据受预算、气候、地域、技术等的影响，存在许多不确定因素，很难有说服力，目前3S技术的发展给水土流失，水质污染研究带来了很多方便之处，但受天气的影响，时间上的数据连续性较差，在实物物理模型模拟方面，受经费、比尺效应影响对实验数据的波动较大，不具有很好地说服力，在上世纪，随着计算机技术和计算机科学的发展，对水体运动过程进行精细、全面的模拟成为可能，又因为经费少，精度高等特点，越来越受到学者的青睐。计算机科学的兴起，对传统实验带来了翻天覆地的变化，水动力、水质模型运用也越来越成熟。
2 湖泊水动力水质数值模拟研究
水质数值模型是指污染物在水环境中的化学、物理和生物相互作用的数学描述以及各因素之间的相互作用关系，水质数值模型是对污染物在水环境中的化学、物理和生物相互作用的数学描述，是定量的描述水中污染物之间迁移转化的数学方程式。水质数值模拟方程的运用，可以定量的模拟水中各物质的分布情况，从而进行水资源的规划与管理及预测。随着水质模型的发展，不同发展阶段的人们有不同的分类方法。李继选等（2006）把水质数学模型的研究按时间划分为三个阶段。第一阶段（1925-1980）这一阶段的研究主体为水体水质，比较关注水质内部成分之间的关系，主要研究受生活污染及工业污染的湖泊河流系统，其中发展历程为（1925-1965）开发了比较简单的生物化学需氧量和溶解氧（BOD-DO）平衡的方程，之后的研究中不断对简单氧平衡提出了修正与补充，在（1960-1975）计算机的运用对水质模型产生了深远影响，并开始计算二维湖泊海湾等水质问题，（1970-1975）非线性系统模型的研究与发展，对该海域的氮磷循环系统、浮游植物系统和浮游动物系统进行了研究，使用了有限元等方法计算，空间维度一二维结合计算，（1975-1980）涉及到多种系统的相互作用效果，空间尺度发展到三维;第二阶段（1980-1995）在这一阶段中模型模拟水质组成成分数量的增加，底泥的作用纳入模型模拟中，模型的初始输入值为非点源污染.;第三阶段（1995-至今）在第三阶段（1995年至今），通过控制反源污染，减少了模型中的非点源污染，但同时大气污染物增加，伴随着雨水进入到流域中，从而进入水体。叶常明认为水质模型经历了三个阶段：简单氧平衡模型阶段;形态模型阶段和多媒体环境综合生态模型阶段。
3 湖泊流域系统水文水动力联合模拟研究
近年来，河流流域水文模型和湖泊水动力学模型得到了迅速发展和成功应用。水文模型是利用已有的降雨径流数据建立数学关系，然后利用新的输入来推导输出。它主要用于盆地过程模拟。水动力模型主要用于河流或大型水体的二维或三维水动力模拟。然而，流域水文模型往往不具备湖泊水动力模拟的能力。相反，水动力模型通常不考虑流域水文变化的过程。只有单侧流域水文或水动力模拟不能准确描述流域与湖泊之间的复杂响应关系。因此，有必要结合水文和水动力学模型来研究湖盆系统。
湖泊流域联合模拟研究主要可分为外部耦合，内部耦合和全耦合技术。
3.1 外部耦合
流域水文模型的径流输出作为湖泊水动力模型的输入条件（边界条件）。该联合模型能够再现时空变化及其复杂的流场变化特征。例如，中国学者李云良利用流域分布式水文模型WATLAC、湖泊平原径流模型和水动力模型Mike21三种不同的子模型来实现对这一复杂系统的模拟。模型的组合使用输入输出驱动器和子模型来顺序执行该过程。以五个子流域和平原湖泊径流为输入条件，驱动湖泊水动力模型，模拟湖泊水位对流域径流的响应。该联合模型能够再现时空变化及其复杂的流场变化特征。
3.2 内部耦合
内部耦合是指模型之间边界条件、内部数据和参数信息的共享。模型独立求解，在迭代过程中不断更新和替换模型的共享信息。它主要用于流域水文过程和河流径流过程的联合模拟研究，主要是因为这些相对独立的模型构件之间存在着密切的水力关系。实际应用较少。
3.3 全耦合技术
完全耦合技术是指模型控制方程的同时解或整体解，从理论上讲，它是最可靠的模拟方法，但它涉及的变量较多，变量之间的关系难以建立，数值求解也比较困难。这些因素使得全耦合技术在大多联合模型中难以实现。
4 总结
随着当前经济的发展，湖泊的环境问题日益严重，相应的数值模拟方法也变得越来越复杂，为了是数值模拟的结果更切合实际，就必须要求数值模型的初始条件，边界条件，地形，温度等一些参数的处理更符合实际。所以我们必须建立一个更全面，更系统，更加适用的数值模型来研究湖泊水动力特征，湖泊水动力学与大气动力学、现代沉积学和生态环境动力学的结合将推动我国湖泊研究和数值模拟方法的进一步发展。
参考文献：
[1]贺彬，陈异晖，李跃青.高原湖泊环境与生态系统综合研究框架设计[J].环境科学导刊，2004，23（03）：16-8.
[2]杨文龙，王文义.湖泊生態系统的结构与功能——湖泊恢复与管理基础浅析[J].环境科学导刊，1997（03）：33+6.
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