（环境科学专业论文）利用复杂网络理论研究三峡库区流域水华暴发行为.pdf

重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ea l g a lb l o o mi sap o l l u t i o np h e n o m e n o no fa l g a ee x p l o s i v eg r o w t hi nt h ew a t e r f i e l d t h ea l g a lb l o o mc a l lr e l e a s es o m ep o i s o n o u ss u b s t a n c ea n dt h ea l g a el a y e rc a n p r e v e n to x y g e ni nt h ea t m o s p h e r eg e t i i n gi nt h ew a t e r ，w h i c hc a u s et h ea q u a t i ca n i m a l d e a db yt h ea s p h y x i aa n da l s op r o d u c ep e c u l a rs m e l li nt h ew a t e ra n db r i n go u tas e r i o u r e s u l t t h ew a t e rb l o o mw h i c hc a u s eas e r i o ue n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r o s et h ea t t e n t i o n a n dr e s e a r c ho fm a n ys c h o l a r s h o w e v e r ，h y d r o f l u c t u a t i o nb e l ti st h e n o n - l i n e a r c o m p l i c a t ee c o t y p i ce n v i r o n m e n to fd y n a m i c so p e n i n gs y s t e mo fm a n yf a t o r sc o u p l i n g a n dm u l t i d i m e n s i o n a l i t yc o o p e r a t i o na n di n t e g e r a t i o n ，w h i c hi sd i f f i c u l tt od e s c r i b et o r e s e a r c ha n dq u a n t i t a t i v e l yu n c o v e rt h er e g u l a r i t yo fe v o l v e m e n tb yt h el a t e r r - d a y s i n d u c t i o no fm e t h o d sa n dt h e o r y s t h i sa r t i c l eu s ec o m p l e xn e t w o r k st h e o r y ，w h i c hd e c r i b ea n dr e s o l v et h ec o m p l e x s y s t e mo fi n t e g r a t i o nb e h a v i o ro ng r a p ht h e o r ya n ds t a t i s t i c sr e g u l a r i t y s i n c e 19 9 8 w a t t sd i c o v e r e dt h es m a l lw o r l da t t r i b u t eo fc n st h e o r ya n d19 9 9a l b e r td i s c o v e r e d t h es c a l e f r e ea t t r i b u t eo fc n st h e o r y ，t h e a p p l i c a t i o nf i e l do fc n st h e o r y i s e x t e n d e d ，w h i c hp r o v i d e st h en e wv i e w sa n di d e a sa n dm e t h o d st or e s e a c ha n dd e s c r i b e t h ea l g a ep o l l u t i o ni nt h eh y d r o - f l u c t u a t i o nb e l t t h e r ea r ep r i m a r yt w op a r a m e t e r st o d e s c r i b et h ec n s ，w h i c ha r et h ea v e r a g ep a t hl e n g t ha n dc l u s t e r i n gc o e f f i c i e n c t b a s e d o nt h ed e f i n i t i o no fc n s t h e o r y ，t h ea v e r a g ep a t hl e n g t hi st h ed i s t a n c eo f t w or a n d o m d o t s ，a n dt h ec l u s t e r i n gc o e f f i c e n ti st h en u m e r i c a lv a l u ed e s c r i p t i o no fo n ed o t c o n n e t i o np o s s i b i l i t yt ob er e l a t e dt oo t h e rd o t s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nc n st h e o r y ，t h er e a ln e t w o r k sc a l lb ed e s c r i b ea sag r a p h w h i c hi sm a k eu po ft h ed o t - c o l l e c t i o na n dt h ev e r g e - c o l l e c t i o n t h eh y d r o - f l u c t u a t i o n b e l tc a nb ed e s c r i b ea st h es y s t e mo fc n s ，w h i c hc a nb ec a c u l a t e db yt h er e a s o n a b l e d e s c r i p t i o no fh y d r o - f l u c t u a t i o nb e l tw i t ht h ec n ss y s t e ma n dd e d u c eb yt h ec o n t r a r yt o d e s c r i b et h eb e h a v i o ro fa l g a eb l o o m b a s eo nt h ec n st h e o r ya n ds t a t i s t i c s r e g u l a r i t y ，t h i s a r t i c l ed e s c r i b e st h ef a t o r so fa l g a eb l o o ma st h ed o t c o l l e c t i o n ，a n d d e s c r i b e st h ee f f e c t i o no ff a t o r so fa l g a eb l o o ma st h ev e r g e c o l l e c t i o n t h e r e f o r e ，t h e a l g a eb l o o mw h i c hi sr e s u l to nt h em u l t i f a t o r sc o u p l i n ga n dm u l t i - d i m e n s i o n a l i t y c o o p e r a t i o ni nt h eh y d r o - f l u c t u a t i o nc a nb ed e s c r i b ea sc n si nw h i c ht h ed o t sc o n n e t w i t he a c ho t h e r o np r i m a r yf o u n d a t i o no ft h ec n sm o d e lo fa l g a eb l o o m ，b a s e do nt h e d e f i n i t o no fc n st h e o r yo fa v e r a g e p a t hl e n g t h a n dc l u t e r i n gc o e f f i c i e n t ，t h i s i l a r t i c l c o n c l u d e st h a ti nt h ec n sm o d e ls y s t e mo fw a t e rb l o o mt h ea v e r a g ep a t hl e n g t h a n dt h ep o s s i b i l i t yo fw a t e rb l o o mi si nt h ei n v e r s er a t i o ，a n dc l u s t e r i n gc o e f f i c i e n t r e f l e c t st h ee x t e n to fe f f e c t i o no fe a c hf a c t o rw h i c hc a u s et h ew a t e rb l o o m u s et h e a c t u a li n s p e c td a t ai nt h ej i a l i n g j i a n gr i v e ra n dt h ey a n g t z er i v e ri nt h ep r i n g2 0 0 7a n d t h ew u j i a n g d ur e s e r v i o ri na u g u s t2 0 0 2t oc a l c u l a t et h ea v e r a g ep a t hl e n g t ha n dt h e c l u s t e r i n gc o e m c i e n to ft h ec n s m o d e lo ft h ea l g a lb l o o ma n df i n dt h a tt h eli nt h ea r e a o fw a t e rb l o o mi ss m a l l e r i te x p l a i n st h a tt h eli st h em o r es m a l l e rt h ep o s s i b i l i t yo ft h e a l g a lb l o o mi sm o r ee a s i e r , w h i c hv a l i d a t et h ec o n c l u d i n gr e s u l to ft h ec n s m o d e lo f w a t e rb l o o m m e a n w h i l e t h ec o e m c i e n to fa l g a eb l o o mi nw a t e ra r e ai ss m a l l e rt h a nt h a t o fn o n w a t e rb l o o mi nt h ea r e a i td e m o n s t r a t e st h a ta tt h ep e r i o do fa l g a eb l o o mt h e c o e f f i c i e n to fw a t e rb l o o mi n c r e a s ea tf i r s ta n dd e c r e a s et h e n a n di n c r e a s e f i n a l l y t h e r e f o r e ，a tt h ep e r i o do fa l g a eb l o o m ( p r e v i o u st i m eo fa l g a eb l o o m ，t i m eo f a l g a eb l o o m ，f a d e a w a yt i m eo fa l g a eb l o o m ) ，t h em u t u a le f f e c t i o no fa l g a eb l o o mf a c t o r s t r e n g t h e na tf i r s ta n di sw e a k e n e dt h e na n ds t r e n g t h e nf i n a l l y k e yw o r d s ：a l g a lb l o o m ；w a t e rb l o o m ；c o m p l e sn e t w o r k s ；a v e r a g ep a t hl e n g t h ； c l u s t e r i n gc o e f f i c i e n t i l l 学位论文独创性声明 本人 声 明所呈| 交的盈l士 学位论文 囊回复唰堙残通瘟翻堕彭缸醯缯酸猫是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 力经 以矿 签字日期：如7 6 刍d 签字日期：如卵6 3 7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程) ，愿意将本人的砒学位论文锰蛔影圈纽勃迹睦乱趣碰篮蜊酗鳓 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：生楚导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书堂筮装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 三峡水库正在形成，长江流速明显减缓( 平均流速从0 4 2 米秒降至0 1 3 米秒 以下【1 1 ) 导致水体自净能力大幅度降低；每年受纳1 0 亿吨含氮磷的城市污水农村面 源污染和沿江3 4 0 0 万吨垃圾中大量氮磷渗透液主要分布并长期滞留在沿江两岸水 域，严重加剧了富营养化，构成藻类生长的资源和水华暴发的隐患【2 6 】；按三峡水 库防汛和发电的工程设计，每年季节性水位调度将使这个巨大的河道型水库沿江 两岸各形成一条长6 0 0 多千米、落差3 0 米【7 】、宽约1 0 0 米【8 】和水文独特的消落带 ( f l u c t u a t i n gb a n d s ) 水域生态环境子系统。这种水域中营养污染物的迁输、分布和归 趋，藻类种群、聚集行为和生长环境等都与库前长江流域的自然状态明显不同， 加上不断受纳的大量氮磷等污染物，同时，伴随在三峡水库的形成而出现江面变 宽，温度上升和湿度明显增加的区域小气候，这将在沿水库两岸消落带营造出适 应优势藻( 即蓝绿藻，b l u e g r e e na l g a e ) 生长、蔓延、聚集、悬浮并导致藻类疯长， 即水华暴发( a l g a lb l o o m s ) 的水域生态环境，势必和正在对整个三峡流域，乃至长 江中下游的水环境安全构成严重威胁。事实上，三峡工程论证报告预言的富营养 污染已经发生。从1 9 9 4 年三峡工程开工以来，库区水系最重要的支流如嘉陵江、 乌江和澎溪河，尤其是沿长江两岸形成的消落带水域己连续暴发季节性水华污染。 这种首先出现于消落带的水华污染必然逐年向长江主航道扩散，最终将影响并危 机整个三峡流域的水环境安全。 三峡工程对库区水环境的影响主要体现在： 沿岸城镇岸边污染带加重。建库后，水库比降变小，水流速度减小，扩散 能力降低，水体自净能力降低，三峡库区沿江城市江段的污染带加重，污染带加 宽，污染物浓度相应增加，水环境容量相应降低。尤其是排污量最大的重庆市及 万州区等江段。 对库区b o d 5 负荷的影响。建库后，库区江段从天然河道变成人工河道型 季节水库，流速下降，复氧能力减弱，将降低对b o d 5 的接纳能力。同时，随着污 染物在库区水体中滞留时间的加长，将增加b o d 5 的降解量，可为大坝出水提供良 好的水质，但沿岸b o d 5 污染将带加重。 航运对水库水质的影响。三峡建坝后，航运的迅速发展将造成流动污染源 的增加，从而将加重长江水质的污染。 土地淹没对水库水质的影响。三峡一期工程蓄水后，水库淹没了大面积的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 陆地，主要包括地面较平坦的河漫滩，一、二级阶地和丘陵等耕地和遗弃的城镇 等。被淹没的土壤中有毒有害物质和营养物质被水溶出，将引起库区水质的下降。 水库泥沙淤积对水质的影响。库区悬移泥沙吸附能力强，泥沙淤积将使水 库重金属元素总浓度降低6 3 7 0 ；而沉积物中的有毒物质的含量将增加，如 汞和砷的含量将增加1 倍；泥沙淤积后，将加剧鱼体对汞的生物富集作用，减弱 鱼体对砷的富集作用。 对库区及坝下游营养物质的影响。水库淹没土地后，对营养物质氮、磷有 一定的拦蓄作用，有利于加强生物过程和提高生物生产力。 综上所述，影响库区水环境的污染源主要有：工业废水、城市生活污水、地 表径流和船舶排污等点源和非点源，1 9 9 7 年的大江截流及截流后的二期施工，虽 然尚未对长江干流水质造成明显的不利影响，但从目前情况看，随着三峡工程施 工的进展，对旌工区、库区及中下游生态与环境造成的影响正在逐渐显露。 藻类和某些光合细菌能利用无机盐类制造有机质，称为自养型生物。自然水 体中磷和氮在通常是浮游生物数量的控制因素。生活污水、化肥和食品等工业的 废水以及农田排水中都含有大量氮、磷及其它无机盐类。纳入这些废水后，水体 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。藻类主 要分布于水体上层，随着水体富营养化的发展，藻类的个体数量迅速增加，而种 类逐渐减少。例如，典型的水体富营养化污染往往是以硅藻和绿藻为主，红色颤 藻的出现是富营养化的征兆，随着富营养化加剧，最后变为以蓝藻为主。蓝藻繁 殖迅速，生长周期短，有限的营养物质在短期内一再被重复利用，一遇适宜环境 就爆发繁殖，出现所谓的“水华爆发”现象。死亡的水生生物在微生物作用下分解， 消耗氧；或在厌氧条件下分解，产生硫化氢臭气，加剧了水质恶化过程【9 0 0 】。 三峡工程于2 0 0 3 年6 月开始二期蓄水，水位抬升6 0 m 以上水位线达到1 3 5 m 。蓄 水后库区水流显著变缓，坝前深水区断面流速比天然河道断面平均流速减小约1 0 倍【1 。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十分显著。水 库在兴建和形成过程中，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”，并导致水华暴发d2 1 。水华是藻类突发性大量生长的 水体污染现象。水华又称“水花”，是淡水水体中某些藻类的过度生长，此时水面会 形成一层很厚的藻层，藻层释放毒素，对水体中生物有毒杀作用，并且藻层造成 水体缺氧而引起水生动物窒息死亡，使水体产生异味，造成水体质量的严重破坏。 近年来，针对库区消落带特俗的水华污染现象，从理论、实验、现场监测和 数值计算上系统研究这种生态环境子系统在不同外因( 如气候、水文和营养盐归趋 等 1 3 - 1 5 ) 和内因( 如三磷酸腺苷a t p 合酶光催化、藻细胞异常增殖、藻类聚集漂浮形 态和传播行为等 1 6 - 1 9 ) 下引发水华污染的形成机制、消涨性态、控制因素、生化行 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 为、非线性非平衡态动力学过程和水域环境安全调控模式已成为三峡流域生态环 境亟待解决的重大问题。 然而，消落带水域是一个多因素耦合、多维度协同和具有整体性特征的非线 性复杂生态环境动力学开放子系统，采用近代归纳式研究方法和理论已很难描述、 研究并定量揭示其内在演化规律。例如，基于流体动力学的偏微分方程和人工智 能的神经网络算法往往表现出求解发散或陷入最优，无法描述水华暴发全局演化 性态和内在机制【2 0 2 6 】；基于多介质归趋( m u l t i m e d i af a t e ) 的模型无法解释水华暴发 与氮、浓度，甚至与叶绿素a 含量( 营养状态重要指标) 并不一定呈正比关系的事实 2 7 - 2 8 1 ，基于自组织临界性( s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y ，s o c ) 的理论【2 9 训】能描述水华 临界行为和污染程度，却无法解释水华暴发时藻类生长的同步性、传播性、聚集 性和各影响因素，如氮磷浓度、水质性态、水文情势和气候条件之间特有的耦合 性和此消彼长行为。 1 1 2 复杂网络理论引入及其研究意义 复杂网络( c o m p l e xn e t w o r k s ，c n s ) 理论由于1 9 9 8 年w a t t s 揭示了c n s 的小世 界( s m a l lw o r l d ，s w ) 属性1 3 2 j ，19 9 9 年a l b e r t 发现了c n s 的无标度特性( s c a l e f r e e ， s f ) t 3 3 - 3 5 1 等，拓展了c n s 的应用领域，为表征和研究消落带水华污染提供了全新的 视角、思路和手段。c n s 理论从图论( g r a p ht h e o r y ) 和统计规律上描述和求解复杂 系统的整体行为、同步效应、临界范围、度分布、传递性、无标度和小世界特性 等。根据c n s 理论，消落带可以抽象成一种c n s 系统，通过重构消落带c n s 系统 相空间、合理映射并关联数据场、建立真实与抽象空间之间相互映射反演的高维 度模型、通过实验( 如现场监测、实验室分析和大规模数值计算等) ，结合消落带水 环境中氮磷分子性态、蓝绿藻细胞增殖机制和藻类聚集等微观中观性质，以及藻 类漂浮与水华同步形成的宏观表象等，再考虑消落带子系统特有的水文、气候、 地理和地质等外部条件产生的非线性耦合作用，全面揭示、描述和预警消落带系 统中蓝绿藻从生长、传播、聚集、悬浮到水华形成的内在机制和动力学过程。实 际上，就是通过合理抽象，将消落带系统映射到高维度c n s 系统进行运算，再通 过反演来表达系统的水华暴发行为，即构建出全面解析水华暴发形态的c n s 模型 和理论框架，为三峡水系，尤其是消落带环境的富营养污染调控提供理论指导， 为揭示库区消落带水华暴发内在规律开辟新的方向。 1 2 复杂网络理论的研究简史 2 0 世纪6 0 年代以来，随机图理论在将近4 0 年的时间里一直是研究复杂网络结 构的基本理论，但绝大多数实际的复杂网络结构并不是完全随机的。例如，两个 人是否是朋友，i n t e m e t 中两个路由器之间是否有光纤连接、w w w 上两个页面之 重庆火学硕七学位论文l 绪论 间是否有超文本链接等都不会是完全靠抛硬币来决定的。 在2 0 世纪即将结束之际，对复杂网络的科学探索发生了重要的转变，复杂网 络理论研究也不再局限于数学领域。人们丌始考虑节点数量众多、连接结构复杂 的实际网络的整体特性，在从物理学到生物学的众多学科中掀起了研究复杂网络 的热潮，甚至于被称为“网络的新科学”【3 6 。 j 。 有两篇开创性的文章可以看作是复杂网络研究新纪元开始的标志：一篇是美 国康奈尔( c o m e l l ) 大学理论和应用力学系的博士生w a t t s 及其导师、非线性动力学专 家s t r o g a t z 教授于1 9 9 8 年6 月在n a t u r e 杂志上发表的题为“小世界”网络的集体动力 学( c o l l e c t i o nd y n a m i c so f s m a l l w o r l d n e t w o r k s ) 的文章【3 8 】；另一篇是美国n o t r e d a m e 大学物理系的b a r a b a s i 教授及其博士生a l b e r t 于1 9 9 9 年l o 月在s c i e n c e 杂志上 发表的题为随机网络中标度的涌现( e m e r g e n c yo f s c a l i n gi nr a n d o mn e t w o r k s ) 的文章【3 9 1 。这两篇文章分别揭示了复杂网络的小世界特征和无标度性质，并建立 了相应的模型以阐述这些特性的产生机理。 1 2 1 复杂网络取得突破性进展的原因 世纪之交复杂网络研究取得突破性进展的主要原因包括： 越来越强大的计算设备和迅猛发展的i n t e m e t ，使得人们开始能够收集和处 理规模巨大且种类不同的实际网络数据。 学科之间的相互交叉使得研究人员可以广泛比较各种不同类型的网络数 据，从而揭示复杂网络的共性。 以还原论和整体论相结合为重要特色的复杂网络科学的兴起，也促使人们 开始从整体上研究网络的结构与性能之间的关系。 1 2 2 复杂网络理论的研究过程 过去关于实际网络结构的研究常常着眼于包含几十个，至多几百个节点的网 络，而近年关于复杂网络的研究中则常常可以见到包含从几万个到几百万个节点 的网络。网络规模尺度上的变化也促使网络分析方法作出相应的改变，甚至于很 多问题的提法都要有相应的改变。就目前而言，复杂网络理论的研究过程可以归 纳为： 发现：揭示刻画网络系统结构的统计性质，以及度量这些性质的合适方法。 建模：建立合适的网络模型以帮助人们理解这些统计性质的意义与产生机 理。 分析：基于单个节点的特性和整个网络的结果后分析与预测网络的行为。 控制：提出改善已有网络性能和设计新网络的有效方法，特别是稳定性、 同步和数据流通等方面。 4 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 表1 1 复杂网络研究的简史 t a b l e l 1h i s t o r yr e s e a r c ho f c o m p l e xn e t w o r k s 时间( 年) 人物事件 1 2 3 研究领域 近年来在s c i e n c e ，n a t u r e ，p h y s i c sr e v l e t t e r 等杂志发表了大量研究和探讨复 杂网络的文章，人们发现真实世界的复杂网络不同于e r d o s 等数学家研究的经典随 机图，发现相差甚远的领域形成的随机复杂网络具有惊人的相同的统计特征。复 杂网络可以从数学上被描述为有大量节点的动态的发展的随机图。随机复杂网络 是动态的演化的系统，它具有大量的不断增减的节点和边，我们所观察到的网络 是其演化过程中相对稳定的一个状态，它相当于统计物理学家所说的“稳态”。2 0 0 3 年9 月在罗马召开了主题为“g r o w i n gn e t w o r k sa n dg r a p h si ns t a t i s t i c a lp h y s i c s ， f i n o n e t ，b i o l o g ya n ds o c i a ls y s t e m ”的国际会议，与会专家提出了今后网络研究的 十个主要问题：对于不同增长模型的结构是否存在规法的分类方法；是否有更多 的统计分布帮助我们深入理解复杂网络的结构和分类；为什么许多网络是组合式 的；网络动力学是否有普通性质；在网络中发生的动力学过程怎样影响网络的拓 扑结构；影响生物网络的演化机制是什么；如何量化不同性质网络间的相互作用； 有无可能发展出系统的工具来研究大规模技术与基础设施网络的鲁棒性和易毁 性；如何刻画小网络；为什么社会网络都是相称的，而所有的生物和技术网络都 是不相称的。 目前复杂网络理论应用于以下五类网络。信息网络，如万维网、i n t e r a c t 、计 算机共享、e m a i l 网、专利使用技术网络，如电力网、电话线路网；交通运输 网，如航线网、铁路网、公路网、自然河流网；社会网，如演员合作网、友谊 网、论文引用网、姻亲关系网、科研合作网；生物网，如食物链网、神经网、 新陈代谢网、蛋白质网、基因网络。而c n s 主要偏重电网故障、配位化学、疾病 传播、科技协作和交通系统等理论层面的研究m 郴】。 1 3 本文研究的目的和研究内容 1 3 1 本文研究的目的 针对三峡消落带特有的水文、气候、地质、地理、蓝绿藻、营养盐归趋和水 华观测资料，基于c n s 理论、模型构建、实验分析、量子化学计算、藻细胞形态 5 重庆人学硕士学位论文l 绪论 学、大规模数值计算和沿江1 2 个国控点的例行监测数据，建立定量表征河道型三 峡水库消落带水华行为和预警水华暴发的动力学理论架构。因此，研究的主要目 的归结为： 构建抽象的高维度消落带c n s 整体模型，探索水华暴发的主要途径和方式， 关键是建立、求解和反演具有同步性、临界性、聚集性和长程连接性的c n s 系统。 研究消落带水华暴发的内在因素和外部条件，研究各种因素对消落带水华 暴发的影响，包括实测数据参与和修正c n s 的建模，量子化学计算和藻胞形态表 征等。 刻划三峡库区消落带中的水华污染形态，研究从典型流域的小尺度模拟一 直到三峡消落带水域大尺度水华污染动力学模型的扩展性，将目前仍处于低维度 和基础研究的c n s 理论引入到周期涨落、回水流态和易于污染聚集的流域环境科 学研究实践中，并在解决国家重大工程的生态环境问题中体现其科学价值。 1 3 2 本文研究的主要内容 根据定义，表达消落带水华环境的复杂网络必须具有基本小世界属性和无标 度属性m 郴】。小世界属性( s m a l lw b r l d ，s w ) 可简述为：c n s 中从一个点( 状态、位 置或形态) 到达任一看似遥远或难以到达的点( 状态、位置或形态) ，实际可能仅需 经历几步即可。在构成消落带的c n s 系统中表示某些关键途径( 状态、方式或关系) 一旦建立( 模型中抽象为仅引入极少量长程连接) 可能极易导致水华。无标度特性 ( f r e e s c a l e ，f s ) 表示：c n s 中能同时与大量节点连接的关键节点极少，其连接分 布遵循幂率( 任何一个节点拥有k 条连接的概率p ( k ) 与k 值成反比) 。在消落带系统 中反映了水华暴发仅与极个别连接度大( 即与多数因素关联) 的影响参数相关，从 s o c 的角度可理解为引发大规模水华的概率很小而出现零星或小范围藻类异常增 殖的概率很大。导致水华的因素如气候、水文、水质、地质、地理、营养盐、藻 种类、藻形态、藻迁输、藻聚集和传播过程等，均可抽象为由矩阵表示的子图 s u b g r a p h s 或相空间中的节点( 群) ，所有子图或节点群构成消落带的多维c n s 系统。 这样，描述消落带水华污染行为和过程就转换成求解各子系统和大系统c n s 的度 分布( d e g r e ed i s t r i b u t i o n ) 、聚集性( c l u s t e r i n g ) 、平均路径长度( a v e r a g ep a t hl e n g t h ) 、 节点度关联( n o d ed e g r e ec o r r e l a t i o n ) 等，在构造消落带水华暴发c n s 协同数学模 型，求得耦合各子系统之间抽象的关系矩阵，在通过反演揭示真实消落带水域从 富营养状态通向水华暴发的途径和规律。 由此，利用复杂网络理论研究水华暴发的主要内容就是构建消落带水华c n s 协同模型：借助c n s 理论、映射算法、相空间重构和数值计算技术，将消落带中 影响水华的内在因素、外部条件和运动方式等在高维抽象空问转换为若干具有w s 和f s 特性的c n s 子系统，对所有子系统的度分布、聚集性、路径、节点度关联、 6 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 子图演化、临界状态和同步性等实施迭代运算和关联( 实验数据和现场监测等) ，同 时模型函数的内因和外因以交互方式参与模型的校正和重构，并通过对各子系统 的迭代计算得出系统抽象的全局参数如长程连接矩阵等，表达相空间中各子集从 彼此独立的初始态设置、渐近变化进入同步突发的协同方式，以及奇异吸引域和 临界状态。最后，将求解得到的c n s 系统反演到真实三峡消落带水华污染系统， 验证模型的合理性、有效性和定量化程度。 7 重庆人学硕十学位论文2 二峡库区流域水体环境现状 2 三峡库区流域水体环境现状 2 1 引言 研究学者对水体水华暴发的描述是：水体中优势藻类在短时间内的大量生长 ( 疯长) 。水华能够破坏了水域环境的生态平衡，直接危害了人类的生存。主要表现 在藻类大量繁殖、水体透明度降低，水域全面退化、水质严重恶化和供水系统受 损等。水华暴发主要是在特定时期( 例如春、夏季) 出现在水动力交换条件较差的湖 泊、水库、河口和海湾等相对封闭的水域。近年来，随着水污染加剧和水资源短 缺，诸如乌江这类长江流域的主要次级河流也在特定季节出现了水华。不同水域 由于区域地理、自然气候、生态结构和污染特性等不同，富营养化污染的程度和 危害也不同，有可能出现不同优势藻类种群，并连带出现不同水生生物种类的失 衡。但发生水华暴发最基本因素大致可归纳为三方面【5 0 】：( 1 ) 出现优势藻种类并且 藻密度达到一定数量，藻形态呈现聚集态和上浮态；( 2 ) 总磷( 卿、总氮( 踟等营 养盐相对比较充足；( 3 ) 水体为静态或缓流态，有一定透明度，且有适宜的气候 条件( 包括水温、光照等条件) 。在这三个方面条件都较适宜时，才可能出现优势藻 类疯长的水华爆发现象。 2 2 库区流域藻种类 2 2 1 藻类的种群组成 2 0 0 6 年1 1 月- 2 0 0 7 年1 0 月，对重庆主城区长江和嘉陵江的水样进行鉴定和 分析，共检出浮游藻类7 门，5 0 属，1 0 8 种及其变种。具体组成见表2 1 。各门藻 类属种数依次为硅藻f - ( b a c i l l a r i o p h y t a ) 1 7 属5 6 种，绿藻f - j ( c h l o r o p h y t a ) 1 4 属2 9 种，蓝藻f - ( c y a n o p h y t a ) l o 属1 4 种，隐藻f - ( c r y p t o p h y t a ) 3 属3 种，裸藻门 ( e u g l e n o p h y t a ) 2 属3 种，甲藻f - ( p y r r o p h y t a ) 1 属2 种，金藻f ( c h r y s o p h y t a ) l 属1 种。种群构成比例见图2 1 ，显然硅藻( 5 1 8 ) 为两江水体浮游藻类的优势种群，所 占比例最高，其次为绿藻( 2 6 9 ) 和蓝藻( 1 3 0 ) ，其他较少。硅藻不仅种类多且许 多种出现频率很高，在定期采样的水样中短线脆杆藻、肘状针杆藻、尖针杆藻、 普通等片藻、梅尼小环藻、微绿舟形藻、颗粒直链藻等出现频率都在6 0 以上。 重庆人学硕士学位论文 一一 ! 三坚堕匿亟塾坐堡堑堑望鉴 -_-_一一一。 硅藻 5 1 8 图2 i两江浮游藻类种群构成 f i g 2 1p h y t o p l a n k t o nc o m p o s i t i o ni nt h et w o r i v e r s 表2 1 两江藻类种类组成 纂 微囊藻属m i c r o c y s t i s 1 水华微囊藻m f l o s - a q u a e 色球藻属c h r o o c o c c u s 2 ，j 、裂色球藻c h m i n o r 3 微小色球藻c m i n u t u s 兰：塑塑鱼鉴壅堡垒：! ! 婴壁i ! 坚 一一 h ：? 一 席藻属p h o r m i d i u m 5 纤细席藻p t e n u e 颤藻属o s c i l l a t o r i a6 。巨颤藻o 。p r t n c e p s 7 a 、颤藻o 。t e n u i s 螺旋藻属s p i r u l i n a 8 人螺旋藻s m a i o r 蓝纤维藻属d a c t y l o c o c c o p s i s 9 针状蓝纤维藻d a c i c u l a r i s 腔球藻属c o e l o s p h a e r i u m 1 0 不定腔球藻c d u b i u m 鞘丝藻属l y l l 曲y a 1 1 螺旋鞘丝藻l c o n t o r t a 鱼腥藻属a n a b a g r i n 1 2 i 古i 氮鱼腥藻a a z o t i c a1 3 类颤藻鱼腥藻a o s i c e l l a r i o 平裂藻属m 璺! 竺! 里! 堂呈 ! 兰：垡薹兰型壅坚：! ! ! 星竺一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ - _ l _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - l _ - _ i _ - - _ _ _ 一 孳 农藻属c h l a m y d o m o n a s 15 莱哈农藻c r e i n h a r d t i i 16 球衣藻c g l o b o s a 小球藻属c h l o r e u a 空球藻属e u d o r i n a 实球藻属p a n d o r i n a 栅藻属s c e n e d e s m u s 集旱藻属a c t i n a s t r u m 纤维藻属a n k i s t r o d e s m u s 1 7 卵形衣藻c o v a l i s l8 ，j 、球藻c v u l g a r i s 1 9 空球藻e e l e g a n s 2 0 实球藻p m o r g m 21 四尾栅藻s q u a d r i c a n d a 2 2 二形栅藻s d i m o r p h u s 2 3 爪哇栅藻s j a v a e n s i s 2 4 弯曲栅藻s a r c u a t u $ 2 5 集星藻a h a n t z s c h i i 2 6 针形纤维藻a a c i c u l a r i s2 7 狭形纤维藻a t r o d e s m u s 2 8 镰形纤维藻奇异变种a f a l c a t u sv a t m i r a b i l i s 2 9 镰形纤维藻a f a l c a t u s 月牙蒌星璺! ! 望呈兰垫坚 ! 竺：兰鱼星垄壅垒! ! 竺兰坐! 竺! 塑里! ! 翌塑型二一 9 重庆人学硕十学位论文 2 二峡库区流域水体环境现状 l o 重庆大学硕士学位论文 2 三峡库区流域水体环境现状 2 2 2 藻类种群的季节变化 从表2 2 可以看出硅藻、绿藻和蓝藻是构成两江各时期浮游藻类的主要类群。 在同一季节中，硅藻门的种类数最多，绿藻和蓝藻次之。各采样点年内藻类种数 所占比例：硅藻秋季最高( 9 6 7 ) 、春季最低( 5 3 8 ) ，绿藻春季最高( 2 4 1 ) 、秋季 最低( 2 6 ) ，蓝藻夏季最高( 1 2 2 ) 、秋季最低( 近似0 ) 。- - f - j 藻类相加，各个时 期均达8 3 8 以上，可见三者的优势非常明显，硅藻为绝对优势种。藻类种群丰 度春季最高，除秋季相对偏低外，其他时期相差不大。总体来看，长江水体中硅 藻种群优势高于嘉陵江，但绿藻和蓝藻种群优势劣于嘉陵江。 表2 2 不同季节藻类种数及构成比例( ) t a b 2 2p h y t o p l a n k t o ns p e c i e sa m o u n ta n dp r o p o r t i o n ( ) i nd i f f e r e n ts e a s o n s 重庆大学硕十学位论文 2 三峡库区流域水体环境现状 春 季 嘉朝 量 鐾罂 蓁 冬 季 5 83 35 6 91 42 4 146 935 211 723 5l1 7 4 53 l6 8 981 7 836 7 l 2 2 l2 2l 2 2 一一 3 83