（物理化学专业论文）三峡流域富营养化污染分析及其复杂动力学行为的建模研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 三峡工程举世瞩目，是跨世纪的特大型水利枢纽工程，具有航运、防洪和发 电等三大主要功能，对我国经济建设的影响意义重大。同时，三峡大坝的修筑， 也必定会给三峡库区生态环境的结构和功能带来深远影响。因三峡水库调度引起 的库区水位变化而在库周形成消落带，由于水库周期性蓄放水，且淹水时间长， 水位变动幅度大，很难形成稳定的生态群落。更重要的是库区流域水体富营养化 污染及其演化过程都集中和发生在沿江两岸的消落带，这给库区环境和经济发展 带来巨大压力，因此综合治理库区消落带水土流失、水体富营养化污染、综合利 用土地资源、建立复合性和可持续发展的生态系统、发展库区农业经济是目前三 峡库区环境改善与社会发展面l 临的主要任务。本文分析了香根草这种先锋植物应 用于三峡库区消落带生态重建的潜力，提出了消落带生态重建的实施方案，认为 利用香根草生态工程技术治理和重建三峡水库消落带生态子系统具有极大的实用 价值，能够在相当程度上加固库岸地质结构，消减各类水体污染，同时为库区广 大农村提供充足、持续不断和极其廉价的绿色能源。 由于库区消落带潜在富营养化污染，对库区消落带发生富营养化污染进行预 报就显得尤为必要，通常的富营养化动力学模型实用的范围随着不同的水域、不 同的气候环境而不同，而且模型参数过多，尤其是大量的经验参数，会给分析预 测带来很大的不确定性。本文结合三峡水库干、支流水体环境特点，通过对影响 流域水体藻类生长的环境因素进行分析，改进藻类生长营养动力学模型，并利用 胞映射算法对乌江、汉江和库区流域富营养化演化性态进行了计算机数值模拟和 仿真分析，揭示流域水华发生过程的动力学行为、混沌性态和流域水质中主要藻 类生长控制因子与模型振荡函数问的关系。本文认为藻类生长营养动力学模型中 的水华爆发控制函数主要受水温、光照强度、水流速和营养盐浓度的影响，构建 了包含水温、光照强度、水流速和营养盐浓度的水华爆发控制函数，通过对乌江、 汉江的水华爆发进行胞映射分析，得到的计算结果与实际监测非常吻合，并认为 水温升高和水流速下降将有利于藻类生长，营养盐是水华爆发的物质基础，但不 是唯一因素，必须在适宜的水温、光照、缓慢的水流和充足的营养盐条件下，藻 类才可能出现突发式的“疯长”，即水华爆发。最后本文还预测了三峡水库干、支 流水华爆发的情况，并对如何防治水华爆发提出了改善性建议。 关键词：三峡库区，消落带，香根草，水华，胞映射，非线性动力学模型构建 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h e t h r e e - g o r g e sp r o j e c th a db e e nk n o w n t om o s tp e o p l ei nt h ew o r l df o ral o n g t i m e ，w h i c hi sas p e c i a l l yl a r g ea n d m u l t i c e n t u r i e dc r i t i c a lw a t e r h i n g ec o n s e r v a n c ya n d h a sl a r g e s c a l ee c o n o m i c a lb e n e f i tf o rs h i p p i n g ，p r e v e n t i n gf l o o d ，g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y a n ds oo n i t sa l s os i g n i f i c a n tt ot h ee c o n o m yc o n s t r u c t i o no fc h i n a i nt h em e a n w h i l e ， t h et h r e e - g o r g e sr e s e r v o i rw i l li n f l u e n c ed e e p l yt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fi t s z o o l o g ye n v i r o n m e n t b e c a u s e o ft h es e a s o n a lc h a n g eo fi t sw a t e rl e v e l ，as p e c i a lz o n e n a m e dt h ew a t e r - l e v e l - f l u c t u a t i n gz o n ew i l lb eg e n e r a t e da l o n gt h et w os i d e so ft h e r i v e ri nt h et h r e e g o r g e sr e s e r v o i r b u tt h i sz o n ew o n tf o r ms t a b l ez o o l o g yc o m m u n i t y b e c a u s eo ft h es e a s o n a la n dl o n gi n u n d a t i o na n dt h em u c h c h a n g ei nw a t e rl e v e l i t s w o r s et h a tt h ew a t e r e u t r o p h i c a t i o np o l l u t i o na n d i t sc h a n g em i g h th a p p e ni nt h i sz o n e w h i c h b r i n gm u c hp r e s s u r e t ot h ee n v i r o n m e n ta n dt h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n to ft h e t h r e e - g o r g e sz o n e t h e r e f o r e ，i t st h e f i r s tt a s kt oh a r n e s sg e n e r a l l yt h el o s to ft h e w a t e ra n ds o i la n dt h ew a t e r e u t r o p h i c a t i o np o l l u t i o no f t h ew a t e r - l e v e l f l u c t u a t i n g ，t o u t i l i z er e a s o n a b l yt h es o i lr e s o u r e e s ，t ob u i l dc o m p o u n da n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t z o o l o g ys y s t e ma n dt od e v e l o pt h ea g r i c u l t u r ee c o n o m yo f t h i sz o n e i tw a sa n a l y z e d t h a tt h ev e r t i v e ra sae x c e l l e n te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i n gp l a n tw o u l db ea p p l i e dw i d e l y i nt h e z o o l o g yr e b u i l d i n g o ft h ew a t e r - l e v e l - f l u c t u a t i n go ft h et h r e e g o r g e s a n e x e c u t i v ep r o j e c tt or e b u i l dt h i sz o n ew a s p u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i tw a sc o n s i d e r e d t h a ti th a sr e a lp r a c t i c a lv a l u et ou s i n gv e t i v e rz o o l o g ye n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yt of a t h e r a n dr e s t o r et h et h r e e - g o r g e sr e s e r v o i rw a t e r - l e v e r - f l u c t u a t i n gz o n es u b s y s t e ma n dt h i s t e c h n o l o g yc a nr e i n f o r c et h eg e o l o g i cs t r u c t u r eo ft h er i v e r s i d ea n dh a r n e s sv a r i o u s p o l l u t i o na n dp r o v i d ee n o u g h ，c o n t i n u a la n dv e r yl o w - c o s tg r e e ne n e r g ys o u r c e sr a w a n d p r o c e s s e d m a t e r i a l sf o rh u g ec o u n t r yi nt h ea r e ai ns o m e d e g r e e b e c a u s eo ft h e s e v e r i t y o ft h ew a t e r e u t r o p h i c a t i o np o l l u t i o na l o n g t h e w a t e r - l e v e l f l u c t u a t i n go ft h e t h r e eg o r g e s ，i t sv e r yn e c e s s a r yt op r e d i c tt h ew a t e r e u t r o p h i c a t i o np o l l u t i o ni nt h i sz o n e t h ed i f f e r e n te u t r o p h i c a t i o nd y n a m i c sm o d e li s u s e f u li nd i f f e r e n ta r e ab e c a u s eo f t h ed i f f e r e n tw a t e re n v i r o n m e n ta n dd i f f c r e n tc l i m a t e c o n d i t i o n t h e s em o d e l sh a v es o m a n yp a r a m e t e r s a n d m a n yp a r a m e t e r sa d o p t e x p e r i e n t i a lv a l u e sw h i c hb r i n gm u c hu n c e r t a i n t yt ot h ef o r e c a s t b yc o n s i d e r i n gt h e t r a i to ft h e a r t e r ya n da n a b r a n c ho ft h et h r e e g o r g e sr e s e r v o i r a n da n a l y z i n gt h e e n v i r o n m e n t a le l e m e n t s i n f l u e n c i n g t h e g r o w t h o ft h ea l g a e w e i m p r o v e d o nt h e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 n u t r i t i o nd y n a m i cm o d e lo ft h ea l g a e sg r o w t h ，c a r r i e do nc o m p u t e rn u m e r i c a lv a l u e s i m u l a t i n go n t h ee v o l v e m e n tp r o c e s so ft h ee u t r o p h i c a t i o no ft h ew u j i a n gr i v e r , t h e h a n j i a n gr i v e ra n d t h et h r e e g o r g e s r e s e r v o i rb yc e l lm a p p i n g a l g o r i t h ma n d r e v e a l e d t h ed y n a m i c sa c t i o na n dm u t a t i o nf o r m si nt h ep r o c e s so f t h e v a l l e y s a l g a eb l o o m s a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a j o re l e m e n t si n f l u e n c i n gt h ea l g a e s g r o w t ha n dt h e m o d e ls u r g ef u n c t i o n i t sc o n s i d e r e dt h a tt h e a l g a eb l o o m sc o n t r o lf u n c t i o ni nt h e a l g a e sg r o w t hd y n a m i c sm o d e li s i n f l u e n c e dm o s t l yb yt h ew a t e rt e m p e r a t u r e ，s a i l i l l u m i n a t i o n ，w a t e rf l o ws p e e da n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h en u t r i m e n ti nw a t e r a f u n c t i o ni n c l u d i n gt h ef o u re l e m e n t sw a sb u i l t b yu s i n gc e l lm a p p i n ga l g o r i t h ma n d c o n t a c t i n g w i t i lt h e p r a c t i c a lw a t e r c o n d i t i o no f t h ew u j i a n gr i v e ra n dt h eh a n j i a n gr i v e r w e a n a l y z e da n dc o m p u t e dt h ea l g a eb l o o m si nt h et w oa r e a sa n df o u n d t h er e s u l tw a s v e r y n e 8 t rt ot h ep r a c t i c a lr e s u l t a n dw ef o u n dt h a tt h ea s c e n do fw a t e rt e m p e r a t u r ea n d t h ed e s c e n do ft h ew a t e rf l o ws p e e dw i l lc o n t r i b u t et ot h eg r o w t ho fa l g a ea n dt h e n u t r i m e n ti st h es u b s t a n c eb a s i so f t h ea l g a eb l o o m sb u tn o tt h eo n l ye l e m e n t i tm u s tb e u n d e rt h ec o n d i t i o no f c o n d i g n w a t e rt e m p e r a t u r e ，e n o u g hs u ni l l u m i n a t i o n ，s l o ww a t e r f l o wa n da b u n d a n tn u t r i m e n tt h a ta l g a eb l o o m sm a yb r e a ko u tu n e x p e c t e d l y i nt h el a s t ， i tw a sp r e d i c t e dw h e t h e rt h ea r t e r ya n da n a b r a n c ho ft h et h r e e - g o r g e sr e s e r v o i rw i l l c o m ef o r t ha l g a eb l o o m s s o m ec o n s t r u c t i v em e a s u i e sw e r ep u tf o r w a r dt o p r e v e n t a l g a eb l o o m s i nt h et h r e e - g o r g e sr e s e r v o i l k e y w o r d s ：t h et h r e e - g o r g e sr e s e r v o i r ，w a t e r - l e v e l f l u c t u a t i n g ，t h ev e r t i v e r , a l g a l b l o o m s ，c e l lm a p p i n g ，n o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lc o n s t r u c t i n g 1 1 1 重庆人学硕十学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究工作背景 三峡工程在经济、社会和历史进程上对长江流域乃至国家都有着深远影响和 全局战略地位，国际上也产生了极大的关注。三峡水库建成后防洪、发电、航运 等综合效益巨大，但也将极大改变长江流域三峡库区的生态环境，使长江流域生 态与环境系统发生深刻变化，对长江流域的生态与环境产生深远的影响。 长江流域水质状况受自然因素和人为因素的影响，长期接纳各种污水正在导 致流域水质逐年恶化。河流水文、水力学和地理形态变化加剧了水质退化。尤其 是三峡水库建库后，长江水流流态发生巨大变化，将明显影响污染物在水体中的 稀释、扩散、降解和转化等净化过程。同时，由于三峡水库“蓄清排浑”的运行方 式【”，必然造成内潮汐运动，从而在水库两岸形成永久性和季节性的涨落带( 消落 带) 。季节性升降特征是秋冬半年为高水位，春夏半年为低水位。夏季汛期的库区 处于泄洪期，库水位将降至1 4 5 m ，两岸的河床部分将暴露出来，其中的污染物、 固体沉淀物会暴露在空气中，引起大气和岸坡污染。冬季时为蓄水期，水位保持 在1 7 5 m ，水体流速减缓，复氧和稀释能力下降，加重水体污染。在库区沿岸因水 库调度引起的库区水位交化而形成水体污染的聚集带即消落带，三峡库区蓄水后， 将在库区形成面积约4 0 0 k i n 2 的水库消落带r i ，其中耕地占4 1 。由于三峡水库周 期性蓄放水，且淹水时间长，水位变动幅度大( 达3 0 m ) ，在水库消落带难以形成 稳定的生态群落，导致水库消落带成为一种脆弱的水陆交错带，其生态环境极不 稳定，生态多样性指数较低。库区建成后消落带区域的入口密度将比淹没前剧增， 人类活动更加频繁。随库区蓄水后经济活动的到来，对消落带土地资源的盲目开 发利用、消落带潜在的自然灾害、水土流失、水体污染和水环境污染等问题将日 渐突出，对消落带保护研究是三峡水库蓄水后面临的重要生态问题。 另外，随着三峡水库的形成1 3 j ，库区水体的水流速度将减缓到约原先流速的三 分之一，水环境将由现在典型的河流水体转变为类似湖泊缓流水体。水的更新周 期将大大延长，各支流的河水流速也将减慢，进而导致水中物质的扩散作用减弱、 溶解氧减少，形成新的缓流水体水生生态系统，水体的自净能力将大大降低。三 峡水库库容估计4 0 0 亿m 3 ，按现在的年排污水量1 6 亿m 3 ，其中氮、磷可分别估 计为3 0 m g l 和2 0 m g l ，则每年入库的n ，p 达4 8 0 0 0 明铂3 2 0 0 0 ，假定库区水体 为不流动水体，则n ，p 累积浓度可达1 2 0 0 m g l 和8 0 0 m g l 以上，即仅一年的积累。 水库中n ，p 的含量可达富营养化的危险值。此处尚未考虑由于经济发展而导致的 重庆大学硕士学位论文l 绪论 排污量增加( 估计到2 0 1 0 年增加2 0 左右) 以及植被、农灌等面源提供的n ，p 负 荷所造成的积累。很显然，库区水体富营养化是今后库区水环境，尤其是两岸消 落带污染的主要威胁。另外，库区两岸堆放的未经清理的生活垃圾、排放的生活 污水、库区水位调动在支流形成的回流运动、库区支流水流速的降低和大量农村 面源污染的共同作用，加剧了三峡库区流域的水体富营养化污染过程，数据分析 和模型计算可知库区流域水体富营养化污染及其演化过程都将集中发生在沿江两 岸的消落带和支流段，由此可见，三峡库区消落带生态环境治理成为库区生态环 境改善的重点。 为了切实保护水资源的环境安全，同时有效地保持经济的可持续发展，深入 系统研究水体中化学污染物的迁移规律、化学污染物的演化行为、污染过程的内 在机制，荠在此基础上构建定量描述污染场的环境污染预测数学模型，为水域环 境保护和水环境安全工程的实施在理论上提供具有科学依据和指导意见，就成为 当前需要解决的重要问题。由于富营养化污染本身涉及极其复杂的非线性、非平 衡态科学，开展预测模型的研究和构建必须协同应用到化学、生物、数学、计算 机和现场分析技术等，大多数实验室建立的仿真模型无法与现场的富营养化污染 相吻合，存在相当大的研究难度。因此，目前国内外在富营养化污染的预测模型 研究上，绝大多数还处于半定量或者定性的水平，突破性和创新性的研究工作很 少。另方面，有理论意义的研究工作，由于在理论创建、模型构建和算法实现 等诸方面均存在困难，要在富营养化污染预测模型研究领域取得有独创性、实用 性和指导性的成果，还要付出更多努力，尤其需要通过集成研究、学科交叉和现 场验证，才有可能成功。利用富营养化数学模型来描述、分析和预测富营养化污 染的水体，通过对影晌富营养化的主要特征及其变化趋势估计流域水体发生富营 养化污染的可能性、时段和条件，尤其是确定水华爆发的控制因素，为富营养化 污染的综合治理提供科学依据和指导意见。对三峡库区消落带富营养化污染进行 预报和治理还关系到对消落带流域生态重建，关系到库区移民安置和经济可持续 发展，关系到三峡工程的成败。 1 2 三峡库区消落带环境现状【l 卅 1 2 i 三峡库区消落带介绍 三峡库区消落带是指因三峡水库调度引起的库区水位变化而在库区两岸地段 形成的一种特殊区域。广义的水库消落带一般是指死水位至土地征用线之间的区 段，它包括临时淹没回水区的全部土地与经常回水区的上层部分。一般大中型水 库都会在库区形成一定规模的消落带。但是，三峡库区消落带形成的生态系统将 重庆人学硕士学位论文1 绪论 是超大规模和前所未有的。这是一个以湖水水体为主的淡水流域生态系统，及以 水库周围陆地为主的陆生生态系统组成的复杂的地域综合体系。水域将从循环较 快、自净能力较强的天然河流突变为环境容量降低、生态功能相对脆弱的河道式 巨型人工湖泊。在长达6 0 0 o n 的水库边沿，将在从前的陆地生态系统上形成1 0 0 0 k m 的消落带水生生态系统。三峡水库消落的形成是由其调度方式确定的，就坝前而 言，水库消落带的高程范围为1 4 5 1 7 5 m ，水位落差达3 0 m 。为便于研究，用汛 期5 年一遇回水线作为三峡水库消落带土地利用下限高程。显然，水库土地征用 线即为消落带土地上限高程。消落带土地分布的高程范围随着河段与大坝距离沿 上游延伸，高差逐渐减小，直至重庆市的温家沱闭合，全程5 7 0 k i n 长。几乎每个 淹没涉及县市都出现一定范围的消落带土地，其中万县断面以下的县( 市) 消落 带下、上限水位高差都在2 0 m 以上。据1 9 9 1 1 9 9 2 年调查，三峡水库坝前1 7 5 m 水位淹没耕地2 4 5 1 o n z ，其中位于消落带的耕地有1 7 5 1 k m z ，占1 7 5 m 水位淹没耕 地面积的7 1 4 。在消落带1 7 5 1 t 的耕地中，1 5 6 m 水位以下有3 0 5 k m 2 ，只占 消落带耕地总数的1 7 4 ；1 5 6 m 水位以上有1 4 4 5 k m 2 ，占8 2 6 。消落带耕地若 从地域上划分，湖北省库区4 县有2 5 铀铲，重庆市有1 4 9 7 k i n z 。占有1 3 o k r n 2 以 上的有秭归、奉节、云阳、开县、万州、忠县和涪陵等县( 市) ，其中开县淹没的 耕地全部处在消落带，多达3 1 7 k m 2 。 三峡水库属特大型水库，水库正常蓄水位高程1 7 5 m ，坝顶高程1 8 5 m 。水库 运用蓄清排浑的方式进行调度，即在汛期降低运用水位，运用异重流、浑水水库 排沙；在少沙期( 汛后) 水库拦蓄径流、蓄水兴利。对三峡水库而言，在汛期6 9 月按防洪限制水位1 4 5 m 高程运行，1 0 月开始蓄水，一般1 0 月底蓄至正常蓄水 位1 7 5 m 高程，1 1 1 2 月保持在正常蓄水位；供水期为l 4 月，汛前库水位降到 消落水位1 5 6 m 高程，利用蓄水，保证发电、通航；5 月底降至防洪限制水位1 4 5 m 。 这种水库调度方式使得库周形成垂直距离为3 0 m 底水库消落带( 1 4 5 1 7 5 m ) 。该 区段中，有些土地可作季节性利用，有些可作常年利用。如果采取适当的工程防 护措施，利用库水位变动的时间差，对这些土地资源加以利用，可以充分发掘消 落带水土资源的利用潜力，在一定程度上缓解库区的人地矛盾，保护库区生态环 境，改善库区景观。由于受到库水位反复、周期性的淹没浸泡以及水位涨落所产 生的淤积和冲刷作用，水库消落带的地形、土壤和水分状况都会发生一定的变化， 其水土迁移特点、景观以及生态功能也会有所改变。 1 2 2 三峡库区消落带生态环境状况 库区消落带边的人口密度将比淹没前剧增，人类活动更加频繁。随库区蓄水 后的经济活动的到来，对消落带土地资源的盲目开发利用、消落带土地资源的自 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 然灾害、水土流失、水体污染和水环境恶化等问题将同渐突出。对消落带土地资 源的规划、开发利用和保护等研究是三峡水库蓄水后面i 涵的首要严峻生态问题。 ( 1 ) 水土流失严重 三峡水库是年调度水库，水位消落期为一个月，水位从1 7 5 m 降到1 4 5 m ，水 位上升期也是一个月，水位从1 4 5 m 抬高到1 7 5 m ，水位在短时间内的涨落变化使 消落区产生较为强烈的土壤侵蚀。土质坡面和土石坡面当水位降落时会发生溯源 侵蚀，土壤颗粒向下转移，并在一定范围沉积，使局部侵蚀基准升高：当水位上 升时坡面受到水的浸泡，士壤内摩擦角减小，抗蚀性降低，被冲刷剥离。在正常 蓄水位时，由于来水、来沙和边界条件变化不大，泥沙在消落带发生落淤，并且 泥沙颗粒沿坡面出现较明显的分选作用。如果上游的植被好，淤积物中的有机质 含量就高，有利于耕种；如果上游植被盖度较低，则水土流失严重，淤积物多为 沙质，可耕性较差。 ( 2 ) 生态功能脆弱 水库消落带是水陆交替带的种。但由于三峡水库周期性淹水，且淹水时间 长，水位变动幅度大，在水库消落带很难形成稳定的生态群落，只是在正常蓄水 位以上的库周形成一定规模的生态群落，但也会受到水位周期性变动的影响。一 般而言，一个健康的水陆交错带的生态功能主要表现在以下几个方面：保持物种 多样性；拦截和过滤经过它的物质流和能量流，是鱼类繁殖的场所：稳定相邻的 两个生态系统，是陆地生态系统和水体生态系统相互连接的纽带；净化水体，减 少污染，保持水土，涵养水源。水陆交错带中有较充足的水分、营养元素、阳光 和食物，非均一环境为生物提供了更充分的繁殖、生长和隐蔽场所。另外干湿交 替导致土壤中氧化还原电位的交替和不同性质的微生物群落的周期性交替，为有 机质的降解和腐质化提供了条件。对于水库消落带来说，由于其边界条件年际内 发生连续的变化，使得其生态功能不稳定，生物群落的潜入和发育也较为困难， 生物多样性指数降低，是一种脆弱的水陆交错带。所以，在对其进行开发利用时， 一定要因势利导，因地制宜，因时制宜。 ( 3 ) 富营养化污染 水体富营养化通常是指在人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、 水库、缓慢流动的河流及海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖( 水 华爆发) ，水体溶解氧量下降，水质恶化，味觉和嗅觉变坏，鱼类等生物大量死亡， 对人和动物产生毒性的一种水体污染现象【孔。三峡库区水体富营养化是今后库区水 环境污染的主要威胁【4 j ，而库区两岸消落带是发生富营养化污染的主要区域，造成 库区流域富营养化污染的主要原因有：沿三峡库区流域两岸堆放且未清除的2 5 0 万，生活垃圾中的有机繁殖物在水库运行期问通过浸泡、雨水冲刷或渗透方式将对 重庆大学硕士学位论文1 绪论 厍区流域，尤其是消落带区域造成严重、持续甚至不可逆的水体富营养化污染； 库区及长江上游的经济建设和生活水平的提高所增加的生活污水排放加剧了水 体富营养化污染：周期性水位调度将在库区形成内潮汐现象，对库区包括嘉陵 江、乌江和小江在内的主要分支河流造成回流运动，诱发并形成流域水体富营养 化污染；水库建成后平均水流速度从目前的2 1 m s 降低至0 3 m s ，流域自净化 能力大幅下降将促进导致的富营养化：流域两岸农村大量使用的化肥和农药将 随着雨水渗入库区水体，造成典型的农村面源污染，这种面源污染治理难度和成 本高于城镇污染治理，效果却明显低于城市污染治理。上述因素共同作用，加剧 了三峡库区流域的水体富营养化污染过程。 1 3 三峡流域富营养化污染模型研究现状 三峡工程论证报告曾预言库区流域可能出现的富营养化污染已经发生【6 l 。1 9 9 4 年以来库区支流乌江已连续出现有记录的富营养污染和水华爆发1 7 , 8 1 ，季节性的大 范围水华( 黑潮) 开始恶化库区流域的水体质量。因此，针对三峡流域水体富营 养化和水华污染，从理论、实验和计算机仿真上系统研究三峡流域富营养污染与 水华爆发之间复杂的非线性非平衡态内在本质、消涨行为、控制因素、临界状态、 动力学机制和水域环境安全调控模式已经成为水库形成前、形成中和形成后殛待 解决的重大课题。然而，由水体富营养污染诱发水华爆发的系统本身是一个多因 素耦合、多维度消涨和具有内在强非线性耗散结构和混沌性态特征的复杂动力学 体系。水华的形成、爆发、蔓延、持续和消退行为与水体富营养污染物质的迁移、 积累、分布、形态和生物化学活性，以及与流域的水文、气候和地质等因素表现 出复杂的耗散性、非线性、非平衡态和不确定性关系，使得对水体富营养化状态 和水华污染数据场的描述、水华动力学模型的构建和水华演变性态研究遇到诸如 初始条件敏感和无规律表象等问题的困扰1 i 。基于流体动力学理论的偏微分方程 组和基于人工智能的神经网络算法在很大程度上表现出求解发散、局部最优陷井， 且无法描述水华过程的全局演化性态和反映水华爆发的内在本质【1 2 - 1 4 】：基于单纯 生物化学过程的理论和实验则不能合理解释和有效预测实际富营养化水域如何演 化、何时爆发、何时消退、水华程度和分布形态等情况【1 5 - 1 6 1 。事实上，目前需要 的是能够全面、动态和定量描述作为开放系统的库区流域中水华产生的前兆和临 界状态，了解主要富营养化污染物参数( 如氮磷浓度、比例和形态) 与外部条件 ( 如温度、流速、光照和水体透明度) 等与水华消涨性态相关联的动力学机制， 揭示水体富营养化与水华污染之间的临界本质和导致水华爆发的决定因素，并在 此基础上构建实时解析和预报三峡库区富营养化水域演化行为、水华爆发和消涨 重庆大学硕十学1 ： ) = 论文 绪论 过程的全局性态仿真模型和理论框架，为三峡库区水域生态环境的预警预报，更 重要的是为流域的水环境调控提供理论指导。胞映射技术可以作为解决复杂流域 环境体系非线性问题的有效工具。不但可以有效求解和描述复杂流域环境污染系 统的演化性态，表征污染物在流域空间和时间上的转移、扩散、分布方式及体系 相空间特性，如奇异吸引子、周期或准周期解、吸引域、轨迹对称性及自相似性 等，更重要的是能够准确观察系统参数改变时系统的变化趋势，并解释其内在原 因，进一步揭示系统运动随参数变化的规律和过程，判断系统在外部条件变化过 程中如何能够保持系统的稳定性或系统如何发生突变的。 1 4 课题研究的内容、目的和意义 三峡工程方面给库区带来了前所未有的发展机遇，另一方面由于库区经济 以农业为主，而且耕地不足、生产力水平低下、人口密集，水库蓄水后，将使库 区人地矛盾更加突出，环境压力进一步增加，库区的经济发展将面临严峻考验。 如上所述，库区流域生态重建的一个主要领域就是消落带的生态重建。 由于库区消落带富营养化污染情况可能相当严重，对库区消落带富营养化污 染进行研究和预报显得尤为必要，现有的富营养化动力学模型的实用范围随不同 水域、不同气候环境而不同，模型参数也很多( 多达四、五十种) ，结合三峡库区 的地域、水体环境等特点，通过对富营养化动力学模型进行分析、改进，找到适 合本地区富营养化污染预测预报的数学模型，对今后重建消落带生态环境非常重 要。 本文采用描述非线性动力学系统的胞映射算法，结合库区流域现场监测数据 和大规模计算技术等共同构建描述三峡库区流域富营养化污染演化过程、聚集区 和水华消涨行为的数学模型，并通过模型仿真，揭示流域水华发生过程的动力学 行为、突发性态和流域水质中主要藻类生长控制因子与模型振荡函数间的关系。 重庆人学硕士学位论文2 二峡阵区消落带生态重建技术分析 2 三峡库区消落带生态重建技术分析 2 1 生态植物香根草【1 7 堪1 香根草是禾本科香根草属的一种多年生草本植物，其叶层高1 5 m 左右，花茎 高可达2 4 2 5 m 。叶片光洁、挺直，但下部边缘粗糙，叶宽0 6 o 9 c m ，叶长7 0 9 0 c m 。香根草秋季抽穗扬花，但它极少结实，穗状花序长 5 4 0 c m ，带梗小穗长 3 8 c 所，形窄、腹扁、无芒，雌雄同花，三朵雄蕊，两个羽状柱头。越冬时，成 熟的地上部分枯黄，嫩叶部分则基本维持原貌，宿根部分则能处于自然休眠状态 而安全越冬并于立春重新萌发出新的分蘖，继续生长发育，该植物的须根系统纵 深发达，可深达2 3 甚至5 m ，能较牢固的固持土壤，由于香根草极难结实， 且无匍匐茎或报状茎，因此它不会成为农田杂草。香根草原产印度和热带非洲， 是一种较典型的热带植物，但它能适应较广的地理条件，可在温度1 0 4 5 的地 区生长，在我国的热带和亚热带地区上基本上都能正常生长，不过为了保证生长 良好和安全越冬，最好是种在长江以南且在海拔2 0 0 0 m 以下的地区。当日平均温 度稳定超过1 0 时香根草就开始萌发生长，随着气温升高，生长逐渐加快，在6 、 7 月的生长高峰期，最大日生长量可达2 3 c m 。在我国广东地区，香根草都能正 常生长和安全越冬，这一点已被近2 0 年来的弓1 种试验所证明。例如，粤东地区在 1 9 9 1 年和1 9 9 2 年冬天大寒潮的袭击下，多种农作物，果树，牧草( 如柱花草，糖 蜜草) 等都被冻死，但香根草安然无恙，立春后照样勃发生机。香根草属c 4 植物。 光合能力强，生长量大。如果光照不足，则会明显地影响其生长。试验表明，在 7 6 遮光率下，遮光处理地分蘸速度只有不遮光地一半左右，遮光三个半月。遮光 处理地株高生长在一年内比不遮光的少9 1 c m 。因此要使香根草生长迅速，就必须 保证有充足的阳光，尤其是刚移栽的第一年更加如此。当光照、水肥充足时，在 生长旺季，半年的生物产量可高达1 7 7 0 0 0 3 5 3 0 0 0 k g h m 。香根草对土壤的要求很 低，在非常贫瘠、紧实和强碱( p h = 1 1 ) 的土壤上都能生长。引种试验表明，香根 草能适应中国南方几乎所有已引种地区的土壤。然而，该植物虽然耐瘠瘦，但并 不等于不要施肥。实际上在贫瘠的土壤上施肥能显著的促进香根草的株高生长、 分蘖数增加和生物量的累积。在公路护坡试验中，香根草种植5 个月以后，施肥 处理的花茎高达2 4 m ，叶层高1 4 m ，平均每丛分蘖1 8 个，而不施肥的花茎高仅 1 8 m ，叶层高0 9 m ，分蘖4 个。香根草既耐旱又耐涝，在连续干旱几个月的情况 下仍能保持生长，在完全淹水的条件下也不会淹死。它可在年降雨量为3 0 0 6 0 0 0 m m 的地区生长，总的来说，香根草易种植、易成活、易管理、极少传播病虫 重庆大学硕十学位论文2 三峡库区消落带生态重建技术分析 害，种植香根草是一种简单易行，随时随地都能开展的生物工程重建措旌。我国 t 9 5 0 年引种，1 9 8 0 年以后在南方地区( 福建、江西和广东等地) 大面积试种取得 了良好的效果。 2 2 香根草应用于三峡库区消落带的潜力分析 作为种先锋植物，香根草具有保持水土、对水体净化、岸坡固化和耐水淹等 特性，下面主要从防治水土流失、削减富营养化污染、重金属污染和固堤功能等 方面探讨香根草在三峡库区消落带的应用潜力。 ( 1 ) 防治水土流失和固堤作用 香根草成功应用于水土保持工程在国内外已有广泛报道1 1 9 - 2 1 】。由于香根草具 有强大的根系，在陡、缓坡地上可形成土壤根结性植物篱，一方面拦截了降雨冲 刷的泥土：另一方面可形成等高植物篱笆。根系能轻易穿透各种类型的土壤，增 加土壤渗透性，使大部分降雨能更好地渗透到地下，减少土壤径流和土壤养分的 流失，提高了土壤的含水量，有利于农作物的生长和产量的提高。研究表明【2 2 ： 香根草可使地表径流量和土壤侵蚀量分别下降6 0 和9 3 ，土壤含水量上升4 4 2 ，香根草在雨季使o 2 0 c m ，2 0 4 0 c m 土层含水量分别提高2 0 3 和4 1 ， 在旱季增幅更大，分别为4 2 1 和1 3 3 ，较好地起到抗旱保收的作用。在土石坝 内侧栽植香根草可形成紧密的网状保护层，有效防止土层中的水份对坝墙发生的 掏空现象，可以防止暴雨径流多发带人工土石坝崩塌而造成的“多米诺”现象的 发生。香根草在高速公路路基保护水库堤坝和加固工程上的应用已经有效地防止 了滑坡和崩塌的发生【矧。 中国科学院地理科学与资源研究所1 2 4 墚用坡地植物篱农业技术将香根草等多 种植物在三峡库区秭归县内种植7 亩植物篱，以寻求一条有效防治水土流失、提 高土地生产潜力和防止水库泥沙淤积的坡地利用改良途径，结果表明香根草挡土 防蚀效果明显，香根草还对水体中各种营养成分均有不同程度的吸收。米自由等【2 5 1 认为三峡库区生态环境建设面临的突出问题是泥沙淤积严重，而农区陡坡开垦， 顺坡耕种是导致水土流失的重要原因，人工种草是解决库区泥沙淤积，解决库区 移民生计，实现库区长久治安的正确选择。另外，三峡库区地处川鄂交界的山地 峡谷区，由于水土流失严重，加上自然条件恶劣，滑坡、山崩为主的山地灾害严 重，若通过合理的工程方式将香根草种植在库区两岸边坡上，既可大幅度加固河 岸边坡，防止暴雨或洪水对坡角和边坡的破坏，又可美化流域两岸景观。 ( 2 ) 削减水体中的富营养化污染 水体中的营养化污染物可提供香根草生长需要的营养成分，研究表明：香根 草是一种净化富营养化水体的优良植物，具有极大的应用潜力【2 6 l 。马立珊等【27 j 研 8 重庆大学硕士学位论文2 二峡库区消落带生态重建技术分析 究了浮床香根草对富营养化水体氮磷的去除动态及效率，发现香根草在其6 0 天的 生长期内降低了水体中丁4 6 5 3 m g l l ，t p o 2 3 o 3 0 m g l 。对秦淮河、金川河及 玄武湖水体的矾冲的截留率都达到了8 0 以上f 2 引。实测数据表明：三峡库区发 生富营养化潜在影响的最敏感时段是每年的3 、4 月份1 4 】，而香根草在3 、4 月份为 生长初期，此时正需要吸收养分促进生长，对消除消落带水体中的营养物质非常 有利。三峡库区消落带是富营养化污染集中的区域，在此区域以工程方式，例如 浮动式、集成式和固定式等种植香根草绿篱，再加上堤岸防护林，这样的河岸消 落带复合式生态结构是一种比较适应于三峡库区大幅度涨落复杂消落带生态系统 保护与重建的实施方案m 。 ( 3 ) 治理重金属污染 利用植被来净化或恢复受重金属污染的土壤已成为研究热点，这类植物必须 具有超量吸收重金属的能力，而且还不破坏土壤生态环境。香根草已被证明是一 种多用途、抗性强的植物，它对有机污染物和重金属等都表现出了较强的净化能 力，甚至在环境恶劣、寸草不生的尾矿地和垃圾场上都能生存。夏汉平等 2 9 1 研究 了香根草和百喜草对铅锌尾矿重金属的抗性与吸收差异，表明香根草对c u , p b ，z n 三种重金属都有很强的滞留效应，滞留率均在5 0 * 0 以上，而且香根草生物量大， 生长快，再加上香根草作为清洁能源，如沼气原料的利用还为防止重金属二次污 染或生物富集提供了一种解决方案。 ( 4 ) 治理固体废弃物、垃圾渗漏液污染 将香根草种植在库区流域消落带，将对长江两岸大量分布堆放的垃圾场污染产 生解毒和清库作用。它的根深扎于地下