湖泊富營養(yǎng)化的非線性動力學(xué)及統(tǒng)計力學(xué)特性.pdf

1、湖泊富營養(yǎng)化問題是學(xué)術(shù)界和工程界所面臨的共同難題。湖泊富營養(yǎng)化的形成是一個內(nèi)部充滿復(fù)雜物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的開放的、遠離平衡的非線性的生態(tài)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的、線性的研究方法及模型已經(jīng)不能滿足我們對湖泊富營養(yǎng)化形成的內(nèi)部機理的認識。本論文使用非線性動力學(xué)和非平衡統(tǒng)計力學(xué)的研究方法，采用新的視角從時間到空間逐步研究湖泊富營養(yǎng)化的形成機理和其結(jié)構(gòu)分布。 在時間動力學(xué)方面，本論文選擇典型的磷循環(huán)動力學(xué)，假設(shè)湖泊受單一營養(yǎng)鹽磷限制，建立了一個單

2、層箱體磷循環(huán)的非線性動力學(xué)模型，研究湖泊中顆粒磷、可溶性磷和藻類中的磷這三種磷之間的相互關(guān)系，從理論上分析磷循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，又通過數(shù)值計算分析不同因素的改變對三種形式磷動力學(xué)的影響。此外，又考慮實際處理系統(tǒng)中湖底沉積物在不同擾動條件下(大風(fēng)浪擾動和季節(jié)變化)對系統(tǒng)中磷循環(huán)的影響，并對一類問題進行數(shù)值模擬分析。本論文不僅在磷循環(huán)動力學(xué)機制上有理論上的意義，而且在富營養(yǎng)化防治上也有新的工程應(yīng)用意義。 在空間結(jié)構(gòu)的研究上，本文以非

3、平衡統(tǒng)計力學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用最大流原理，從微觀動力學(xué)角度建立了一個新的湖泊富營養(yǎng)化評價模型，結(jié)合SOM(自組織特征映射網(wǎng)絡(luò))的模擬方法對我國10個湖泊進行了富營養(yǎng)化評價并和以往的評價方法作了詳細比較，結(jié)果表明該方法具有較好的合理性和可操作性。該模型從一定程度上體現(xiàn)了湖泊富營養(yǎng)化系統(tǒng)的演化動力學(xué)機理和湖泊系統(tǒng)時空演變特性，因此在評價上及水質(zhì)預(yù)測上有較大的潛力。 隨后，本文又考慮系統(tǒng)的不同尺度，從微觀動力學(xué)角度探討了湖泊系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的

4、非線性相互作用及其擴散規(guī)律，分析了營養(yǎng)物質(zhì)通過自組織過程形成的空間分形結(jié)構(gòu)并以此來度量湖泊富營養(yǎng)化的基本特征，從而系統(tǒng)地構(gòu)建了一個研究湖泊富營養(yǎng)化的新方法。結(jié)合SOM(自組織特征映射網(wǎng)絡(luò))的模擬方法，選取太湖部分流域和滇池作為典型案例，通過數(shù)值計算定量揭示了湖泊系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)分布的分形特性，并通過更細致的模擬結(jié)果表明，該分布具有分形維數(shù)隨著尺度變化而變化的多重分形特征，這暗示了湖泊營養(yǎng)物質(zhì)系統(tǒng)在流域變化上具有變化的分布結(jié)構(gòu)也即變化的富營養(yǎng)