（市政工程专业论文）水动力条件下藻类生长相关影响因素研究.pdf

中文摘要 摘要 浮游植物是水生态系统的组分之一，是水体初级生产者，其群落结构与数量对 于水体生态系统的演替和发展影响较大。水库在形成过程中，由于水动力学条件的 变化，浮游植物的种属和数量通常会发生改变，甚至会出现“疯长”，并导致水华爆 发。因此，掌握其变化特征对于水库的富营养防治以及实施生态管理都具有重要 的意义。三峡工程于2 0 0 3 年6 月开始二期蓄水，水位线达到1 3 5 m 。蓄水后库区 在枯水期水流显著变缓，坝前深水区断面流速比天然河道断面平均流速减小约l o 倍。水位、流速等水文要素的变化对三峡水库的浮游植物的影响是目前十分关注 的热点问题之一。 本论文通过对流速v 、水温t 、浊度、溶解氧d o 、p h 、溶解性总氮d t n 、 溶解性总磷d t p 、c h l a 的监测，着重分析了不同流速下，藻类生长的各影响因素 对藻类生长的影响规律，同时对各个因素的影响程度进行了排序，建立了c h l a 与藻类生长各影响因素之间的数学模型，并得出以下结论： 各个流速下的c h l a 的变化均呈现相同的趋势，都是先上升后下降。 c h l a 达到峰值的时间大约为1 1 d 1 5 d 。试验观察到藻类在初始d t n 、d t p 比较充足的情况下，并且没有外源营养盐补给时，一个完整的生长周期约为2 0 2 8 d 。 在动态与静态水温相差1 3 范围内，当v 印0 8 m s 时，c h l a 的量随着 流速的增大而增大；当v 0 1 4 m s 时，c h l a 的量随着流速的增大而减小。说明流 速在o 0 9 m s ，o 1 4 m s 之问，存在一个临界值v o 。 3 月份v = 0 0 8 m s 时c h l a 峰值最大，此时，藻量高峰期有足量营养盐( 初始 d t n 2 2 5 0 m g l 、初始d t p 0 0 5 1m g l ) 、适宜水温( 1 2 2 5 ) 、较高水温( 1 2 2 5 ) 、光度( 7 0 0 1 8 0 0 1 x ) 、低流速( o 0 8 m s ) 。 灰色关联分析结果表明：动态条件下，溶解性总磷与c h l a 的关联度最大， 而在静态条件下，各指标与c h l a 的关系不定，随各个月份的具体情况而变化。 灰关联定权组合的数学模型为以后进一步研究藻类生长模型提供了参考。 关键词：临界流速，藻类，浮游植物，叶绿素a ，富营养化，灰色关联序 英文摘要 a b s t r a c t p h y t o p l a n k t o ni so n eo ft h ec o m p o n e n ti na q u a t i ce c o s y s t e m ，a n di t i sa l s o p r i m a r yp r o d u c t e r t h ep h y t o p l a n k t o n sc o n s t r u c t u r ea n dq u a n t i t yl a r g e l ya f f e c tt h e e v o l u t i o na n dt h ed e v e l o po f t h ea q u a t i ce c o s y s t e m i nt h ep e r i o do f t h er e s e r v o i rb e i n g f o r m d ，t h es p e c i e sa n dt h eq u a n t i t yo f p h y t o p l a n k t o na l m o s ta r cc h a n g e d ，e v e ng r o w c r a z l y a l lt h e s ew i l ll e a dt ot h ee u t r o p h y c a t i o n s o ，船t op r e v e n t i o no fr e s e r v o i r s e u 仃o p h y c m i o na n de c o s y s t e m a d m i n i s t e r ，i ti sa n i m p o r t a n t t o h o l d i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co f t h ep h y t o p l a n k t o n t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rs t a r t e dw a t e rs t o r a g e i nj u n e2 0 0 3 ，a n dw a t e rl e v e lo f t h ed a r nf l u c t u a t e da r o u n d1 3 5m e t e r s s i n c et h e n ， t h ea v e r a g ev e l o c i t yo fe n t i r ef l o wp l a c ei nd r ys e a s o n sh a sd e c l i n e dr e m a r k a b l e , a n d t h ev e l o c i t yo fe n t i r ep l a c ei nd e e pa r e ab e f o r ed a md e c r e a s e da b o u t1 0t i m e st ot h et h e v e l o c i t yo fe n t i r ep l a c ei n n a t u r ef l o w t h ei n f l u e n c eo ft h ec h a n g eo fh y d r o l o g y f a c t o r ss u c ha sw a t e rl e v e la n df l o wv e l o c i t yo nt h ep h y t o p l a n k t o ni nt h et h r e eg o r g e s r e s e r v o i ri sg i v e nc l o s ea t t e n t i o n a tf i r s t ，t h o u g hm o n i t o r i n gt h ev a l u e so ff l o wv e l o c i t y ，w a t e rt e m p e r a t u r e , t u r b i d i t y ，d i s s o l v e do x y g e n ，p h ，d i s s o l v e dt o t a ln i t r o g e n ，d i s s o l v e dt o t a lp h o s p h o r u s ， a n dc h l o r o p h y l l a ，t h i sp a p e rs h o w st h a tt h er u l e so ft h er e l e v a n tf a c t o r so fa l a g e g r o w t hi n f l u e n c eo na l a g eg r o w t hi nc o n d i t i o no fd i f f e r e n tf l o wv e l o c i t y t h e n , t h e o r d e ra r ea r r a n g e da st h ed e g r e eo f t h er e l e v a n tf a c t o r si n f l u e n c eo na l a g eg r o w t h ，a n d m a t h e m a t i c a lm o d e l b e t w e e nc h l aa n dt h er e l e v a n tf a c t o r so fa l a g eg r o w t ha r e b u i l d f i n a l l y ，t h ep a p e rc o m e st ot h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： t h ec h a n g eo fc h l as h o w st h es a l n e 仃e n di nd i f f e r e n tf l o wv e l o c i t y ，w h i c h a s c e n df i r s t ，t h e nd e s c e n d t h et i m en e e d e da b o u t1 1 1 5d a y sw h e nt h ev a l u eo fc h l ag e tt ot h e m a x i m u m i nt h et e s t ，w h e nt h eo r i g i n a ln u t r i e n t sa r ea b o u n d a n t ，a n dt h en u t r i e n t sa r e n o ta d d e d ，t h ew h o l el i f ec y c l ei sa r o u n d2 0 2 8d a y s w h e nt h ed y n a m i ct e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a nt h es t a t i ct e m p e r a t u r eb e t w e e n1 a n d3 。t h ev a l u eo fc h l ai n c r e a s e s 、i t l lt h ef l o wv e l o c i t yi n c r e a s e su n d e rt h e c o n d i t i o no ft h ef l o wv e l o c i t yb e l o wo ra m o u n tt o0 0 8 m s ，a n dt h ev a l u eo fc h l a i n c r e a s e s 、i t l lt h ef l o wv e l o c i t yd e c r e a s e su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ef l o wv e l o c i t y a b o v eo 1 4 m s t h er e s u l t si l l u s t r a t e st h a tt h e r ei sac r i t i c a lf l o wv e l o c i t yb e t w e e n 0 0 8 m sa n d0 1 4 m s w h e nt h ef l o wv e l o c i t yi sb e l o wt h ec r i t i c a lv a l u e ，t h ev a l u eo f i l l 重庆大学硕士学位论文 c h l ai n c r e a s e sw i t ht h ef l o wv e l o c i t yi n c r e a s e s w h e nt h ef l o wv e l o c i t yi sa b o v et h e c r i t i c a l v a l u e ，t h e v a l u e o f c h l a i n c r e a s e s w i t h t h e f l o w v e l o c i t y d e c r e a s e s t h em a x i m u mv a l u eo fc h l ai sh i g h e s ti nm a r c h a tt h e s a m et i m e c o m p a r a t i v ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep e a kp h y t o p l a n k t o nr e p r o d u c t i o n sn e e de n o u g h n u t r i t i o n ( o r i g i n a ld t n 2 2 5 0 m g l 、o r i g i n a ld t p 0 0 5 1m g a - 4 , p r o p e rw a t e rt e m p e r a t u r e ( 1 2 2 5 c ) ，h i g h e r w a t e r t e m p e r a t m e ( 1 2 2 5 ) ，l i g h t c o n d i t i o n ( 7 0 0 l s 0 0 1 x ) ，a n d s l o wf l o wv e l o c i t yf o 0 9 i n s ) t h eg r e yi n c i d e n c ea n a l y s i ss h o w st h a td i s s o l v e dt o t a lp h o s p h o r u sh a v ec l o s e r e l a t i o nw i t hc h l ai nd y n a m i cc o n d i t i o n ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nc h l aa n de a c hv a l u e i s n ta s c e r t a i n e di ns t a t i cc o n d i t i o n i tc h a n g e si nd i f f e r e n tm o n t h s t h em a t h e m a t i c a lm o d e ld e c i d e db yg r e yr e l a t i o ng r a d es u p p l i e sr e f e r e n c ef o r f u l 恤e rr e s e a r c ha b o u tt h er e l a t i v ef a c t o r so f a l g a lg r o w t h k e y w o r d s ：c r i t i c a lv e l o c i t y , a l a g e ，p h y t o p l a a k t o n , c h l o r o p h y l l a ， e u t r o p h i c a t i o n , g r e yi n c i d e n c eo r d e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得重庆盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王甬】季1 签字日期：如多年2 月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庞太堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：王剐到 签字日期：2 嘭年2 月争日 导师签名：歹乜缸f 签字日期：w 。年j 乙月l l r 日 1 绪论 1 绪论 1 1 水体的富营养化 水体富营养化是当代许多国家的政府和公众最为关注的环境问题之一。据联 合国环境规划署( u n e p ) 的一项调查表明，全球范围内3 0 4 0 的湖泊和水库 遭受了不同程度富营养化的影响。特别在气候干旱地区，水源以人工或半人工方 式蓄积起来，富营养化情况尤为严重。在中国，由于人口的不断增多及工农业的 迅速发展，大量富含营养物质的污水未经任何处理直接排入各种水体中，从而导 致富营养化进程加速。湖泊和水库的富营养化已经成为我国一个突出的环境问题。 1 1 1 概述 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 一词源于希腊文意即“富裕”。所谓富裕的水即指富 含氮、磷等植物营养物质的水。因而水体富营养化主要是指水体中含有较多的有 利于植物生长的营养元素氮和钭”。水中营养物质增多，促使自养型生物大型 绿色植物和微型藻类旺盛生长，迅速繁殖，水体从生产力水平较低的贫营养状态 向生产力较高的富营养状态转化的过程 2 1 。水体的富营养化过程是自养性生物( 浮 游藻类) 在水体中建立优势的过程。它包含着一系列生物、化学和物理变化的过 程，与水体化学物理性状、湖泊及水库的形态等众多因素有判3 1 。 1 1 2 水体富营养化发生的机理 关于水体富营养化问题的成因有不同的见解。早在2 0 世纪6 0 年代，国际经济 合作与开发组织( o e c d ) 对水质富营养化开展了一系列的研究工作，最后确定氮、 磷等营养物质的输入和富集是水体发生富营养化的最主要原因。 丹麦著名生态学家j o r g e n s e n ( 1 9 8 3 年) 指出浮游藻类的生长是富营养化的关 键过程：因此着重研究氮、磷负荷与浮游藻类生产力的相互作用和关系，是揭示富 营养化形成机理的主要途径。根据o e c d 研究的结果，8 0 的湖泊富营养化是受磷 元素的制约，大约1 0 的湖泊与氮元素有关，余下1 0 的湖泊与其它因素有关。根 据对藻类化学成分进行的分析研究，提出了藻类的“经验分予式”为 c l o d - 1 2 6 3 0 1 1 0 n 1 6 1 ，同时，l i e b i g 最小值定律指出，植物生长取决于外界提供给它的 所需养料中数量最少的一种。由此可知，在藻类分子量中所占的重量百分比最小 的两种元素氮和磷，特别是磷是控制湖泊藻类生长的主要因素。大量的实验结果 也证实了这一结论。 磷是生命活动绝对必须的元素。自然界中的磷主要来源于磷酸盐矿、动物粪 便以及化石等天然磷酸盐沉积物。众所周知，自然界中的磷循环只是一个单向流 动过程，由于过度的人为活动( 如矿山开采、土地开发等) ，储藏在地球表面的 重庆大学硕士学位论文 磷通过食物链进入水循环中，使得水体中的磷负荷增加。由于环境因素造成磷浓 度的变化又通过藻类生物量表现出来，当环境中供给的磷总量减少时，则水体中 的磷浓度降低影响藻类的生长率，相反，当环境中连续不断地增加磷的供给时藻 类便大量迅速地增殖。 氮也是生物生长必需的元素。与磷不同；自然界中的氮主要是储藏在大气中。 大气圈中的氮气为具有固氮能力的植物与藻类提供了丰富的氮供给源。由于水体 中有一些藻类具有固氮能力：能够把大气中的氮转化为能被水生植物吸收和利用 的硝酸盐类! 因而使得藻类能够获得充足的氮营养物质。此外，由于工业的发展导 致了化肥与农药的增长，巨大数量的化肥都是由合成氨工业利用大气中的氮制造 出来的! 而它们中的很大一部分最终被排入水体中从某种程度上说：水体富营养 化形成的一个主要原因，就是由于自然界中氮循环的固氮过程被不断强化而造成 水体中氮负荷的增加与磷元素相比，氮作为湖泊富营养化的限制因素处于次要 地位。 水体的流态和水体更新周期与富营养化密切相关。如在长江中上游的三峡库 区干流江段同滇池外海水体中的营养盐浓度均巳达到了发生富营养化的条件，但 目前长江干流尚未出现富营养化，而滇池已经严重富营养化。分析认为长江水流 快，水体更新周期短，某些藻类在其它条件较适宜情况下，生长尚未达到高峰时 已被快速水流带到下游去，藻类生长条件遭破坏；与此相反滇池流域内水流速度 及其他动力学条件都适合藻类大量繁殖而产生富营养化。分析2 0 0 0 年长江一级支 流汉江及巢湖发生富营养化的现象发现，由于汉江和巢湖常年营养盐含量较高， 到枯水季节，随着水流流态改变，河道出现低流速，水体更新周期长，加速了富 营养化进程。因此缓慢水流流态和较长更新周期也是富营养化发生的关键原因。 另有分析认为，湖泊、水库发生富营养化主要与氮磷等营养盐含量、水文、 气候条件等因素有关，一般发生“水华”的水域要同时具备以下特征；氮、磷营 养物质水平达到湖泊富营养化标准水平，水深不超过1 0 1 n ，平均流速小于0 0 5 m s ， 而且水温在适宜藻类生长的范围内，气候温暖、日照充足等。因此，三峡水库蓄 水后是否会发生富营养化及“水华”现象也将取决于以上三个因素的共同作用【4 】。 1 1 3 水体富营养化的特征 水体富营养化的主要表现特征是： 藻种减少，水体中的蓝藻和绿藻大量繁殖，浮游生物个体数量激增； 由于浮游生物、细菌的大量增加导致水中的悬浮物大量增加，透明度降低； 死亡的藻类残体分解释放使水体维持较高的t n 、t p ，水体p h 上升： 水体的氧平衡被破坏。在富营养化水体中，白天水体表层水可以因藻类的 光合作用而获得超过正常水体几倍的氧。但因表层藻类的遮盖隔离，阳光很难投 2 1 绪论 射到下层水体，因此，下层水体中的光合作用很弱，水体中的氧源很不充足。当 表层水体的光合作用停止后，水体中生物的呼吸及分解仍在进行，导致水体中的 溶解氧大幅度下降，甚至呈厌氧状态。 在富营养化比较严重的水体中，会频发水华。 1 1 4 水体富营养化的危害 水体富营养化是许多湖泊、水库的主要环境问题，被人形象地称为“生态癌” 嘲，它的存在已经严重妨碍了对这些水体作为资源的利用，造成了环境和经济的 重大损失。 湖库环境中，水体富营养化的危害主要表现在以下几个方面： 散发出腥味异臭 在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些藻类能够发出腥味异 臭。藻类散发出的这种腥臭，向空气中扩散，直接影响到人们的正常生活，给人 以不舒适的感觉，同时，这种腥臭也使水味难闻，大大降低了水体质量。 降低水体的透明度 在富营养化水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻 浮在表面，形成一层“绿色浮渣”，使水质变的浑浊，透明度明显降低，水的感官 性状大大降低。 影响水体的溶解氧 向水体释放有毒物质 富营养化对水质量的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质， 有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃到疾病。研究表明， 2 0 0 0 多种蓝绿藻中有4 0 余中可产生毒素，主要产毒藻有微囊藻、鱼腥藻、颤藻 及束丝藻【6 】。在适宜的环境条件下，蓝绿藻在水中容易形成“水华”，人若饮用也 会产生消化道炎症，有害人体健康 7 1 ，水中蓝绿藻毒素与肝癌的关系尤其受到关 注。影响供水水质和增加制水成本。 对水生生态的影响 在正常情况下，水体中各种生物都处于相对平衡的状态。但是，一旦水体受 到污染而呈现富营养化状态时，这种正常的生态平衡就会被扰乱，某些种类的生 物明显减少，而另外一些生物种类则显著增加，物种丰富度显著减少。这种生物 种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏其生态平衡。 影响水产养殖 由于藻类的大量繁殖，引起水中缺氧，鱼类等水生动物面临窒息死亡的威胁。 影响旅游和航运 水体一旦发生富营养化，因藻类大量繁殖，水体透明度下降，水质浑浊，水 3 重庆大学硕士学位论文 面藻华聚集，臭味弥漫，严重影响湖库的旅游观光，甚至丧失旅游价值。此外， 富营养化水体中生长的大量浮游生物，还会堵塞航道，影响航运。 1 2 课题的研究背景 长江三峡水利工程是举世瞩目的跨世纪特大型水利工程，它的建成将在防洪、 发电、航运等方面产生巨大的综合效益，然而，三峡工程也会对库区的生态与环 境带来巨大的影响。三峡工程对生态与环境的影响问题一直是国内外广泛关注的 热点之一。 近年来，在长江流域一级支流汉江的武汉江副。 1 和乌t r 1 2 1 的局部江段相继 多次发生。水华”的严重富营养化污染事故。历年水质监测结果分析表明，两条 江的t p 、t n 浓度长期偏高，其中汉江武汉江段自1 9 8 9 年以来t p 浓度在0 1 0 1 9 m g l 之间、t n 在1 o 2 0 m g l , 乌江武隆断面t p 浓度在0 1 5 m g l 左右、t n 在 1 5 m g l 左右。目前，国际上一般认为当水体中t p 和t n 的浓度分别达n o 0 2 m g l 和0 2 m g l 时，从营养盐单因子考虑，就有可能发生藻类疯长的水华”现象【1 3 1 。 两个江段的t p 、t n 浓度己常年超过了国际上确定的爆发水华的临界浓度值的5 倍 左右。也就是说，从营养盐单因子角度考虑，两个江段常年都具备发生富营养化 的营养盐条件。汉江和乌江水华发生时正处于枯水期，汉江1 9 9 2 年、1 9 9 8 年和2 0 0 0 年发生的3 次严重的“水华”现象均是在春季的枯水季节、水流速度相对比较小的 情况下发生的。其中1 9 9 2 年春季武汉江段的水流速度比往年同期流速减小了3 0 以 上，武汉宗关断面流速小于0 。7 m s 。乌江自1 9 9 4 年以来，几乎每年都发生“水华” 现象，发生时间基本上也是在3 月份的枯水季节加之长江汛期比汉江和乌江早， 长江对支流产生“顶托”，使支流水流速度更加缓慢，呈现湖泊水状态，为硅藻生 长繁殖提供了“温床”。因此，从水流流态上说在每年的枯水季节两江都具备了发 生富营养化的条件。每年汉江“水华”均发生在2 月，乌江发生在每年的3 月份，这 时段天气较暖，阳光充足，水温一般在7 1 0 。c ，适宜于硅藻等造成“水华”的 藻类生长。充足的阳光、适宜的温度为硅藻的繁殖创造了良好的气候条件。 三峡水库成库后，属周期性调节的河道型水库，既不同于普通的湖泊，又不 同于一般的河流，每年4 1 0 月泄水，该时间段基本上呈天然河流状态：1 1 月一 次年4 月蓄水，蓄水时类似于湖泊状态。库水水位周期性涨落( 幅度可达3 0 m 以 上) ，流速周期性变化，变化幅度大，( 泄水时流速可达2 0 r i f f s 以上，蓄水时流速 减少到o 4 m s ) ，另外，三峡水库一般是在3 6 月和9 1 1 月的月均气温、水温 条件适宜藻类生长，整个库区t p 、t n 浓度普遍较高，因此，三峡水库蓄水后， 在长江枯水期，库区水文条件满足藻类发生富营养化的水文要素的要求。 在2 0 0 4 年8 月1 2 月对重庆主城区长江与嘉陵江交汇段水体的研究中，测 4 1 绪论 试到该水域的总氮含量为1 3 0 9 1 7 8 1 m g l ，总磷含量为o 0 4 8 0 0 6 7 m g l ，远 远高于国际上一般认为的总氮浓度o 2 m g l 、总磷浓度0 0 2 m g l 水质富营养化的 初始条件。在同期的研究中调查到的该水域藻类有3 8 属，7 2 种( 变种) ，几乎占 到三峡工程生态和环境监测信息管理中心公布的1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年长江水质监测情 况中的藻类1 2 8 种属的8 5 9 。这样，当2 0 0 9 年三峡水库二期工程完成后蓄水位 到1 7 5 m 时，到时污染负荷得不到改善，处于重庆主城的两江交汇段将成为水库 的库尾，随着水流速度减缓、泥沙沉降加快、水温升高等，富营养化有可能发生。 因此，对两江交汇段以至整个库区的藻类和相关因素很有必要进行长期的、深入 的、全面的、系统的研究。 李锦秀和廖文根【1 4 】通过简要分析富营养化发生的成因和机理，及类比分析三 峡水库成库过程中和成库后库区生态系统相关要素的变化趋势后认为，目前三峡 库区总氮总磷浓度普遍较高，之所以在库区干流和一般支流尚未普遍出现富营养 化问题，主要原因是天然河道状况下水流流速比较快，没有满足富营养化发生所 需的缓慢流态条件。因此提出了将库区富营养化发生的临界水动力条件作为水库 调控要素之一来调整库区干支流流态以防御库区富营养化的大胆设想。 张晟【1 5 增根据国内外富营养化研究成果分析比较后提出，以前的富营养化模 型研究重点在于对藻类生长过程受营养盐和气候条件影响机理方面，而水动力条 件与藻类生长过程的影响研究应成为三峡库区富营养化研究中拟解决的关键技术 难题。 综上所述，在三峡水库正常蓄水后，1 7 5 m 水位时正逢秋末冬初时节，流速 减小、泥沙沉降、浊度降低，水域的优势藻种是否还是硅藻以及藻类总生长量如 何是预测该水体富营养化状况的直接指标。因此，研究动态条件下，水体中藻类 生长量与其主要影响因素之间的定量关系，对三峡水库正常蓄水后水体的优势藻 种和富营养化状况进行预测具有重要理论和现实意义。 1 3 课题的提出 本文以三峡库区属于周期性调节河道水库为前提，通过采集嘉陵江原水，并 且对藻类生长各个影响因素( 主要包括流速v 、水温t 、溶解氧d o 、p h 、浊度、 溶解性总氮d t n 、溶解性总磷d t p 、c h l a 等) 的监测，解释流速、营养盐等水 文条件对藻类生长的影响程度，建立影响藻类生长各因素之间的数学模型，预测 藻类疯狂生长的临界流速条件，为制定正确有效的富营养化预防措施，确定三峡 库区水环境保护和水资源综合利用的技术措施提供科学依据。 1 4 课题的研究内容 本课题的研究内容包括： 重庆大学硕士学位论文 采集嘉陵江原水为实验用水，记录与藻类生长相关的理化参数如流速( v ) 、 水温( t ) 、气温、光照、溶解性总氮( d t n ) 、溶解性总磷( d t p ) 、浊度( n 1 u ) 、 溶解氧( d 0 ) 、叶绿素( c h l a ) 、p h 等； 对叶绿素( c h l a ) 和优势的藻种类进行数量统计； 对比不同流速的条件下，水体的p h 、温度场、营养盐( d t n 、d t p ) 、水 体浊度以及溶解氧浓度、叶绿素a 浓度的分布情况，分析c h l a 与水温、浊度、营 养盐、流速等的关系； 对藻类生长相关因素进行灰关联分析； 研究藻类生长相关因素模型。 6 2 富营养化预测模型研究现状与发展趋势 2 富营养化预测模型研究现状及发展趋势 2 1 富营养化模型研究现状 水质富营养化被列入水污染范畴还是近- - = 十年的事情，但是由于其发展快、 危害大、处理难、恢复慢，富营养化问题已被列入全球性的水污染问题0 6 1 。富营 养化模型无疑是研究水质动态变化较为有力的工具，它能够将理论分析、实验研 究的成果有机结合起来并应用到具体的湖泊之中，并已逐渐成为一种相当独立的 研究方法【1 7 】。 当今常用的三类富营养化模型，即单一营养物质负荷模型，浮游植物与营养 盐相关模型和生态动力学模型。 2 1 1 单一营养物质负荷模型 引起富营养化的物质主要是碳、氮、磷，在正常条件下，淡水环境中存在的 碳、氮、磷的比率为1 0 6 ：1 6 ：l ，根据l i e b i g 的最小生长定律可以认为氮、磷是富 营养化形成的限制物质，其中磷是绝大多数湖泊和水库富营养化形成的最关键的 限制物质。在7 0 年代湖泊学家们通过建立简单的磷负荷模型，评价、预测湖泊水体 的营养状态。这类模型的典型代表是加拿大湖泊专v o l l e n w e i d e r t l 8 】提出的 v o l l e n w e i d e r 模型。d i l l o n ，l a e s s e n ，m e r c i e r 等又对v o u e n w e i d e r 模型进行了一 些修正，产生了d i l l o n 模型及l a e s e n - m e r c i e r 模型等。 单一营养物质模型在北美和加拿大的湖泊以及世界上其他国家和地区得到广 泛应用。1 9 7 9 年以来，我国也将其用到湖泊、水库的富营养化的研究中。但是，由 于早期的磷模型相对简单，不可避免的存在很多不足。近年来，营养盐模型得到了 很大的发展，在很大程度上克服了早期磷模型的缺陷：从考查单一的总磷浓度发展 到模拟水体中整个磷系统( 包括颗粒磷d p 、溶解的无机磷d i p 和浮游生物中的磷p p ) 的循环；从简单的水体完全混合模型发展到多层模型；从单纯考虑水体本身的营 养盐循环发展到考虑底泥和水体界面的营养盐交换过程等。 2 1 2 浮游植物与营养盐相关模型 浮游植物大量繁殖是湖泊及水库富营养化的主要表现形式，而它要靠吸收和 利用水中营养盐而生长，因此，直接模拟浮游植物的繁殖和营养盐之间的关系，对 于预测水体的富营养化具有重要意义。目前，浮游植物与营养盐相关模型主要有3 种：一是藻类生物量与磷负荷量之间的相关经验模型；二是使用限制因子假定来 模拟浮游植物的生长；三是根据光合作用的相关因素来估算浮游植物的初级生产 力。 7 重庆大学硕士学位论文 藻类生物量与磷负荷量之间的相关经验模型 7 0 年代世界各地开展了大规模的湖泊富营养化调查，如北美五大湖区，欧洲的 b a l a n t o n 湖，日本的琵琶湖及我国的太湖、滇池等，积累了大量湖泊富营养化基础资 料，包括湖泊年平均的总磷浓度、叶绿素浓度等。在分析资料的基础上建立了一系 列藻类生物量与营养物质负荷量之间的相关经验模型1 1 9 1 。比较典型的有： b a r ts e h 和g a k a t a t t e r ：l gc h a = o 1 8 0 7 1 9p - o 11 9 4 ( 2 1 ) r a s t 和【脱：l g c h a = o 1 7 6 1 9 p o 1 2 5 9 ( 2 2 ) 式中：c h l a 为叶绿素a 的浓度；p 为总磷浓度：只为夏季总磷浓度；届为水 体透明度。 这类经验模型简单直观，使用方便，但是它们都有混合均匀、稳态、限制营养 物质惟一的假定，提供的信息量少，而且不能反应藻类生长的机理。 使用限制因子假定来模拟浮游植物的生长 在浮游植物动态模拟中，m o n o d 方程和d r o o p 方程是两个基本的动力学方程， 它们将营养盐可利用性与微型生物生长直接联系起来 2 0 1 。 m o n o d 方程表达了稳态状况、营养盐限制条件下藻类生长速率与细胞外部营养 盐之间的关系【2 l 】，该方程尤其适合研究以磷作为限制性元素的水体。r o b e r t 等在实 测数据的基础上修正了m o n o d 方程，建立了温带水库( 以美国德 h e a g l em o u n t a i n l a k e 为模拟对象) 的藻类生长率和d i n ( 溶解无机氮) 之间的关系式 2 2 1 。 d u g d a l e 使用源自酶动力学的m i e h a e l i s - m e n t e n 方程( m m 方程) ，描述稳态条件 下藻类对营养盐的吸收。由于该模型未考虑营养盐过度吸收现象，也未考虑营养盐 和生物的时空异质性，所以并未完善地表达出藻类动态变化的驱动机审l j l 2 3 1 。 d r o o p 认识到营养盐过度吸收盼重要性，将藻类生长速率与细胞内部营养库大小或 细胞营养储额( e e l l q u a t o ) 联系起来，建3 z t d r o o p 模型 h i 。实验证明，它适用于多数 限制性营养盐条件。但是，将其作为管理模型使用时，需要了解细胞内部营养吸收 动力学过程，降低了模型的易使用性。 估算浮游植物的初级生产力 浮游植物的初级生产力是湖泊营养状况的主要评价指标，它的光合作用速率 与细胞本身的内环境及环境因子( 如光强、营养盐、温度等) 有关。c h e n 等考虑了 4 种外界因子：氮、磷、太阳辐射和温度，利用m - m 方程建立了浮游植物生长与环 境因子的模型2 5 】。s m i t h 建立了生物一光学模式( b i o o p t i c a lm o d e l ) ，水体的光照分 布来计算水体初级生产力 2 6 1 。国外有些学者通过不断测定水体中溶解氧的含量来 估算水体的初级净生产力 2 7 1 。浮游植物的动态变化，是其内部生理特征和外部驱动 因素综合作用的结果。除了其自身生理因素，光、温度、营养盐、水流、风、浮游 植物自身浓度、种间关系、捕食等等，都是影响因素。因此，单一的浮游植物与营 8 2 富营养化预测模型研究现状与发展趋势 养盐相关模型不可能全面模拟浮游植物的动态变化。不过，藻类作为水体生态系 统中“上行效应”和“下行效应”的结点，是这一类模型中最重要状态变量之一， 它的研究可以加深对诸影响因素的作用机理的了解，为生态动力学模型的建立和 应用打下良好的基础。 2 1 3 生态动力学模型 生态动力学模型以水动力学为理论依据，以对流一扩散方程为基础建立模型。 同时在生态系统水平上，对生态系统进行结构分析，研究生态系统内子系统间相互 作用过程，综合考虑系统外部环境驱动变量，建立微分方程组，运用数值求解方法， 来研究生态系统状态变量变化。与前几种生态模型相比较，生态动力学模型能够更 详细准确的模拟水体的富营养化。 生态动力学模型的研究始于c h e r t ，d i t o r o 开发的简单水质动力模型【2 8 】。j o r g e n s e n 于1 9 7 6 年提出t g l u s m o 生态模型 2 9 1 ，该模型以c 、n 、p 为营养物质的循 环变量，按生物链层次建立了以浮游植物，浮游动物为中心变量的生态模型，为此 后一系列富营养化模型研究的基础。p a r k 等开发的c l e a n 系列湖泊综合模式1 3 0 】至今 仍在广泛应用。d i t o r o 等开发的w a s p ( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 箱 模型，是一个能模拟各类地表水( 河流、湖泊、河口和海洋) 中污染物的输移扩散 的综合模型，被称为万能水质模型p 。w a s p 5 包括t o x l 5 ( 用来模拟有机化学物 质和金属离子的动力过程) 和e u t r 0 5 ( 用来模拟d o 、c b o d 、营养物和浮游植物 之间的动力过程) 。p i l a f 等利用w a s p 5 对水库中浮游植物和营养盐、有机物、d o 等环境因子的相互影响进行了模拟 3 2 1 。p r o t e c h ( p h y t o p l a n k t o nr e s p o n s e st o e n v i r o n m e n t a lc h a n g e ) 模型从藻类细胞分裂和繁殖着眼，基于藻类的最大生长率公 式，建立了8 种藻类生长和环境因子的变化关系。环境因子不仅包括了营养盐、光 照、温度等物理因子，还包括了水库的动力过程，如热分层、周期性消层、进出水 1 ：3 位置和流量的变化等1 3 3 j 。j o r g e n s e n 对2 6 种富营养化模型进行了总结，其中包括模 型的各层状态变量目、所涉及的营养盐、分段数、维数或层数、标定或有效性和 已应用实例等项目 3 4 1 ，在其著作中已经进行了概括和描述。 目前，一批大型综合生态动力学模型已经发展成为大型商用软件，如 w a s p 5 ，c e 2 q u a l 系列模型等。但是，这些模型都包含了很多的参数，且这些参数 的率定十分困难，如c l e a n e r 模式考虑了4 0 个生态变量，模型需率定的参数达1 1 0 个。 尽管一些生态模型利用一些特殊年份的实测资料。进行了模型的率定与验证工作， 但由于富营养化模型中类似藻类的生长速率等参数对于不同的藻类，不同季节， 甚至不同时段内都是不一样的，给模型参数的率定带来了很大的困难，也限制了模 型的引用。 9 重庆大学硕士学位论文 2 2 富营养化模型存在的主要问题 2 0 多年来，富营养化模型得到了很大发展：状态变量由最初的几个发展到几 十个；水体维数由一维稳态模型发展到多维动态模型；研究角度由简单的营养盐 吸收发展到对生态系统分析模拟；研究对象由单一的藻类生长模拟发展到综合考 虑水体的动力学、热力学及生物动态过程等。但是，仍有许多不足： 模型的模拟对象主要是营养盐的循环、浮游植物的生长和死亡及d o 的动 态过程，对生态系统进行结构分析的研究还处于摸索阶段。富营养化模型在整个 生态系统中相当独立，没有和食物链、有毒物质循环模型相耦合，形成一整套湖 泊水库管理决策支持体系。 由于水体的水动力学、温度和光照等物理特性相当复杂，大多数模型在这 些方面处理很简略，水体中物理、化学、生物三者的相互影响没有很好的体现。 模型缺乏真正生态系统所具有的灵活性，不能实时模拟环境的突变。 模型中大量待定参数限制了模型的引用。由于缺乏湖泊水体营养状况数据 库，当模型应用到新的研究对象时，模型的校验比较困难。 模型本身的特性分析没有系统化，如敏感性、确定性等，研究者很难在综 合分析比较各个模型的基础上再引用合理的模型。如何克服这些不足，进一步完 善富营养化模型，是研究者努力的方向。 2 3 富营养化模型的发展趋势 自2 0 世纪8 0 年代以来，通过数学模拟来考察、预测富营养化进程，已经取 得一系列令人鼓舞的成就。国内外富营养化模拟的发展趋势以学科相互渗透与交 错为主，如物理湖泊环境与藻类生态行为相结合，藻类生态学与分子生物学相结 合，地球化学与微生物学相结合。国际上对于富营养化的研究已进入相当细致的 程度，有的是在分子水平上的研究，手段、方法也越来越先进，并提出了一些新的研 究理念。随着生态学界对“形态一过程一尺度”认识的加深，尺度研究在富营养化 模型中越来越受到重视 3 5 j 。富营养化模型也将从单一的预测和评价发展成为多目 标管理优化模【3 6 】。藻类动态模型除了运用过程机理性模型外，还出现了不少非 过程的模型，如线性、非线性回归模型等统计模型、时间序列分析模型以及模糊数 学模型。近年来，利用神经网络模型模拟和预测浮游植物的生长和繁殖【3 刀呈现出 良好的应用前景。这些模型虽然不基于过程和机理，但它们力图揭示藻类动态变