沙堆實驗研究三峽庫區(qū)典型水域環(huán)境的水華污染行為.pdf

1、三峽水庫正在形成，由于庫區(qū)段的長江流速明顯減緩，導致水體自凈能力大幅度降低。同時水庫的蓄水/排水作用將在三峽流域形成周期性的潮汐運動和區(qū)域氣候，這些都將改變水體中營養(yǎng)物質(zhì)的遷移、積累、分布和演化方式，使流域兩岸的消落帶和次級河流逐漸形成適應藻類生長、蔓延、甚至瘋長(水華爆發(fā))的水域環(huán)境，最后，加上每年接納大量含有P、N等的生活與工業(yè)污水及其它各種污染，將會加劇水體的富營養(yǎng)程度，從而形成水華爆發(fā)的隱患，對整個三峽庫區(qū)流域甚至整個長江流域的

2、水環(huán)境造成嚴重的威脅。因而水庫蓄水以后，在整個庫區(qū)水域的富營養(yǎng)化污染問題，就成為三峽水庫水環(huán)境安全保護中亟需開展預測研究的重要課題。 由于水華爆發(fā)系統(tǒng)本身是一個多因素耦合、多維消漲的和具有自組織臨界性特征的流域生物化學動力學體系。水華的形成、爆發(fā)、蔓延、持續(xù)與消退行為與富營養(yǎng)化物質(zhì)的行為、性態(tài)和濃度等因素表現(xiàn)出復雜的非線性和自組織臨界性關系(Self-Organized Criticality,SOC)。 自組織臨界態(tài)

3、理論最具有物理意義的典范就是沙堆模型(Sandpile Mode，SM)。SOC理論和SM模型研究的是具有自組織消漲行為的開放體系，三峽庫區(qū)典型富營養(yǎng)污染水域環(huán)境正好是一個有物質(zhì)交換(如P、N遷入與移出)和能量交換(光照和水流)的開放體系。因而可以采用SOC理論、SM模型(可以是數(shù)值仿真模型或者真實沙堆實驗模型)、生物化學反應機制和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來深入研究和描述三峽流域富營養(yǎng)化和水華爆發(fā)的內(nèi)在規(guī)律。通過SM實驗，一粒一粒的投放顆粒到定面積

4、區(qū)域而逐漸形成沙堆，當沙堆生長到臨界點(高度HC)時，再多加一粒沙子就會導致沙堆崩塌(Avalanche)，隨著顆粒不斷加入，塌陷的沙堆又將繼續(xù)生長，此過程周而復始，與水域中周期性水華爆發(fā)/消退過程應該能建立起某種對應關系。 基于自組織臨界性理論，在本實驗中設計了具有真實物理意義的沙堆實驗裝置；同時采用不同的長徑比，不同密度的材料顆粒，實施了一系列的沙堆實驗。通過對大量的實驗數(shù)據(jù)的篩選、處理和分析，定義了衡量體系崩塌趨勢或大小

5、的參數(shù)a，此參數(shù)反映了不同實驗參數(shù)設置下的漲落特征，反映了體系在不同的實驗條件下的動力學行為。 在實驗室實驗中，將沙堆實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)中符合自組織臨界性規(guī)律的普適性因子：沙堆底盤直徑D、顆粒長度L、顆粒半徑r和顆粒密度ρ等，與富營養(yǎng)污染流域中導致水華爆發(fā)的控制因子相關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)可以通過不同情況下沙堆崩塌的難易程度、頻度和規(guī)模來發(fā)現(xiàn)、描述和確定水華爆發(fā)的內(nèi)在機制和演化過程。本文進行的沙堆實驗數(shù)值分析結(jié)果與這些典型流域水華發(fā)生過程以及富營