渤海灣生態(tài)水質動力學模型研究.pdf

1、隨著沿海經(jīng)濟的快速發(fā)展,大量工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水以及養(yǎng)殖業(yè)廢水進入渤海灣.由于滯留在生態(tài)系統(tǒng)中的氮磷等營養(yǎng)物質不斷積累,造成渤海灣水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴重,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),這些問題威脅著沿岸經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展.對水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象進行深入的研究,建立一個能同時描述渤海灣生產(chǎn)力與相關水質變化過程的生態(tài)水質動力學模型對于研究和控制水體富營養(yǎng)化狀態(tài)具有重要的理論和現(xiàn)實意義. 本文建立了二維生態(tài)

2、水質動力學模型.該模型包括了兩個子模型,即水動力學子模型和生態(tài)系統(tǒng)動力學子模型.生態(tài)水質動力學模型的主體部分為有源項的對流擴散方程,生態(tài)系統(tǒng)動力學子模型即為該對流擴散方程的生態(tài)源項,為了求解生態(tài)水質動力學模型中的水動力因素,該模型耦合了二維潮流水動力學子模型,應用有限差分法進行同步求解.生態(tài)系統(tǒng)各要素間的相互作用是推動生態(tài)系統(tǒng)變化的內在動力,因此生態(tài)系統(tǒng)動力學子模型是建立生態(tài)水質動力學模型的關鍵. 本文建立的生態(tài)系統(tǒng)動力學模型

3、以浮游植物為核心,描述了浮游植物在相關的營養(yǎng)鹽、懸浮碎屑、有機物這些環(huán)境要素構成的生態(tài)系統(tǒng)中的生長變化過程以及浮游植物的生命活動等促使水體中溶解氧DO濃度發(fā)生變化的過程.生態(tài)系統(tǒng)動力學子模型共包括8個狀態(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物質濃度的生物化學碳化氧需求(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兩個指標是本文

4、建立的生態(tài)水質動力學模型的主要特點. 為了更好地檢驗和調試生態(tài)系統(tǒng)動力學子模型程序,本文在無水流條件下,通過控制計算條件的方法對生態(tài)系統(tǒng)動力學模型進行了大量數(shù)值實驗.結果表明,模型程序的計算結果與選取關系式的理論結果一致,能較好地描述和體現(xiàn)海洋生態(tài)系統(tǒng)中的主要變化過程.數(shù)值實驗采用對相關模型參數(shù)在小幅度內進行調整或改變給定條件,檢驗模型響應的方法,對系統(tǒng)中主要生化反應過程對于系統(tǒng)整體變化的影響,以及光照、水溫、營養(yǎng)鹽對浮游植物

5、等相關變量變化過程的限制作用進行了研究. 研究結果表明,浮游植物生長和硝化反應速率的變化對系統(tǒng)整體狀態(tài)的影響較大；在短期的數(shù)值實驗中營養(yǎng)鹽對浮游植物生長的限制作用表現(xiàn)得并不明顯,而光照和溫度條件對浮游植物生長的影響表現(xiàn)得更明顯.調整模型參數(shù)觀察模型響應的方法實際起到了模型參數(shù)敏感性分析的作用,敏感性分析的結果表明,本文建立的生態(tài)系統(tǒng)動力學模型的敏感性參數(shù)為浮游植物的最大比生長速率μPmax(0)、最大比硝化速率k<,nitr>

6、<'20>以及浮游植物對光線的自遮系數(shù)K<,c>.本文以渤海灣2005年枯水期(5月份)的實測濃度值作為初始條件,應用所建立的生態(tài)水質動力學模型進行了6個月的連續(xù)預測計算,并將計算結果與豐水期(8月份)和平水期(10月份)的實測濃度值進行了對比驗證.結果表明,模型在不太長的時段內對CBOD與DO濃度有較好的模擬能力,而對其他情況的模擬結果還不甚理想,這主要是由于可用于模型調試與驗證的實測數(shù)據(jù)較少,模型的進一步研究需要更大量數(shù)據(jù)的支持.