渤海灣生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型研究.pdf

1、隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大量工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水以及養(yǎng)殖業(yè)廢水進(jìn)入渤海灣.由于滯留在生態(tài)系統(tǒng)中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷積累,造成渤海灣水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,赤潮頻發(fā)、海水中含氧量急劇減少,生物多樣性減少,漁業(yè)減產(chǎn),這些問(wèn)題威脅著沿岸經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.對(duì)水體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究,建立一個(gè)能同時(shí)描述渤海灣生產(chǎn)力與相關(guān)水質(zhì)變化過(guò)程的生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于研究和控制水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義. 本文建立了二維生態(tài)

2、水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型.該模型包括了兩個(gè)子模型,即水動(dòng)力學(xué)子模型和生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)子模型.生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型的主體部分為有源項(xiàng)的對(duì)流擴(kuò)散方程,生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)子模型即為該對(duì)流擴(kuò)散方程的生態(tài)源項(xiàng),為了求解生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型中的水動(dòng)力因素,該模型耦合了二維潮流水動(dòng)力學(xué)子模型,應(yīng)用有限差分法進(jìn)行同步求解.生態(tài)系統(tǒng)各要素間的相互作用是推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)變化的內(nèi)在動(dòng)力,因此生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)子模型是建立生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)鍵. 本文建立的生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3、以浮游植物為核心,描述了浮游植物在相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)鹽、懸浮碎屑、有機(jī)物這些環(huán)境要素構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)中的生長(zhǎng)變化過(guò)程以及浮游植物的生命活動(dòng)等促使水體中溶解氧DO濃度發(fā)生變化的過(guò)程.生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)子模型共包括8個(gè)狀態(tài)變量:浮游植物(P)、懸浮碎屑氮(ND)、懸浮碎屑磷(PD)、氨氮(A)、硝酸鹽氮(N)、磷酸鹽(P1)以及表征水體中有機(jī)物質(zhì)濃度的生物化學(xué)碳化氧需求(CBOD)和溶解氧(DO).在生態(tài)系統(tǒng)模型中考慮了CBOD和溶解氧DO兩個(gè)指標(biāo)是本文

4、建立的生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型的主要特點(diǎn). 為了更好地檢驗(yàn)和調(diào)試生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)子模型程序,本文在無(wú)水流條件下,通過(guò)控制計(jì)算條件的方法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了大量數(shù)值實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明,模型程序的計(jì)算結(jié)果與選取關(guān)系式的理論結(jié)果一致,能較好地描述和體現(xiàn)海洋生態(tài)系統(tǒng)中的主要變化過(guò)程.數(shù)值實(shí)驗(yàn)采用對(duì)相關(guān)模型參數(shù)在小幅度內(nèi)進(jìn)行調(diào)整或改變給定條件,檢驗(yàn)?zāi)Ｐ晚憫?yīng)的方法,對(duì)系統(tǒng)中主要生化反應(yīng)過(guò)程對(duì)于系統(tǒng)整體變化的影響,以及光照、水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物

5、等相關(guān)變量變化過(guò)程的限制作用進(jìn)行了研究. 研究結(jié)果表明,浮游植物生長(zhǎng)和硝化反應(yīng)速率的變化對(duì)系統(tǒng)整體狀態(tài)的影響較大；在短期的數(shù)值實(shí)驗(yàn)中營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的限制作用表現(xiàn)得并不明顯,而光照和溫度條件對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)得更明顯.調(diào)整模型參數(shù)觀察模型響應(yīng)的方法實(shí)際起到了模型參數(shù)敏感性分析的作用,敏感性分析的結(jié)果表明,本文建立的生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的敏感性參數(shù)為浮游植物的最大比生長(zhǎng)速率μPmax(0)、最大比硝化速率k<,nitr>

6、<'20>以及浮游植物對(duì)光線的自遮系數(shù)K<,c>.本文以渤海灣2005年枯水期(5月份)的實(shí)測(cè)濃度值作為初始條件,應(yīng)用所建立的生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了6個(gè)月的連續(xù)預(yù)測(cè)計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與豐水期(8月份)和平水期(10月份)的實(shí)測(cè)濃度值進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證.結(jié)果表明,模型在不太長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)對(duì)CBOD與DO濃度有較好的模擬能力,而對(duì)其他情況的模擬結(jié)果還不甚理想,這主要是由于可用于模型調(diào)試與驗(yàn)證的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少,模型的進(jìn)一步研究需要更大量數(shù)據(jù)的支持.