三峡库区水华暴发演变的非线性行为效应研究，本文主要内容关键词为：库区论文,效应论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 概述
水体富营养污染诱发水华暴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的复杂动力学体系[1]。水华产生的临界状态、富营养化参数（氮磷浓度和比例等）和外部条件（温度、流速、光照和水体透明度）等与水华消涨行为相关联的动力学机制处于一种无序的、非稳定的、非平衡的和随机的状态之中，存在着各种各样的非线性作用，使得水华暴发和消涨过程的全局性态处在水环境污染场的非线性世界里。非线性科学的理论方法能使我们以新的观念来研究水华污染问题，揭示隐藏在水环境污染复杂现象背后的规律性及局部和整体之间的内在本质联系[2]。
虽然混沌非线性理论在水环境污染研究领域的应用已开始，但要拓展到水华研究实践中去，须对基本问题作深入系统的研究，尽可能完善非线性理论对具体水体富营养污染诱发水华暴发的计算方法。本文采用非线性动力学方法，改进表述藻类生长的非线性模型[3]，并以三峡库区河流水华现场实测数据为基础，探讨预测的可行性，揭示三峡库区水华暴发的非线性效应行为及其定量关系。
2 暴发区基本简况
三峡库区水华暴发区主要在长江一级支流。库区一级支流共31条，其中流域面积大于1 000 km[2]的有13条，不同支流的河口流量、气候条件、河道地理地质条件等差异极大。
由于受三峡水库蓄水的直接影响，按照调度方案，支流在正常蓄水175 m水位下，水流速度减小，如香溪河峡口至江口段、小江开县段，枯水期平均流速分别由建库前的0.73，0.65 m／s，降到0.009，0.006 m／s，而且岸边流速更小，基本不流动，其流速均接近湖泊型水库的流速。横向扩散系数由0.112 1 
／s降至0.104 46 ／s。当水库水位从155 m降至145 m，香溪河、小江、磨刀溪、汤溪河、梅溪河、大宁河的出口段还在回水区范围内，加之区内营养源含量较丰富，农业面源氮、磷排放量大，丰富的营养物大部分滞留在支流回水区内。
小江（彭溪河）、汤溪河、花溪河、龙河平均坡降为10‰，水资源、自然资源、土地资源和生物资源都比较丰富，水能资源理论可开发潜力大，沿河人口分布相对密集，城市化水平较高，经济发展较快，工矿企业较多，农副产品种类齐全。大宁河、汝溪河等河流沿岸人口依据地形的成层特征而分布，城市化水平不高，经济发展落后，工业化程度低，水资源、自然资源、森林资源丰富。
三峡库区气候温暖湿润，四季分明，降水充沛，光照充足，夏热冬暖。3～6，9～11月，气温为6～25℃，水温为10～24℃，年平均日照为1 330～1 550 h，日照百分率为30％～35％。春、夏光照强度为21 000～50000 lux的天数平均为67 d。
3 水华发生的非线性效应
3.1 水域上的不确定性
自2003年6月蓄水至2008年10月以来，三峡库区已发生了数次水华，发生的水域触及面广，分布零散，三峡库区8条长江一级支流（汝溪河、黄金河、澎溪河、磨刀溪、梅溪河、大宁河、香溪河、神农溪）出现水华，多条二级支流（抱龙河、小江、龙河）发生水华，库首及库湾（凤凰山库湾、香溪库湾、平邑口库湾）发生水华。
3.2 发生时间上的不确定性
水华发生的时间无规律性，2004年集中在2～6月，2005年集中在3，5，6月，2006年集中在2～4月，2007年集中在3～4月和9～10月，2008年集中在6～7月。
3.3 藻类组成特征差异
藻类优势种主要为硅藻门小环藻、甲藻门多甲藻、绿藻门空球藻、隐藻门隐藻以及蓝藻门水华微囊藻等。其中大坝干流江段为多甲藻主种群小环藻，坝区凤凰山库湾的多星杆藻和多甲藻为优势藻，肉眼可见藻团颗粒，库区部分支流水华藻类优势种总体上呈现出由河流型（硅藻、甲藻等）向湖泊型（绿藻、隐藻、蓝藻等）演变的趋势。
3.4 浮游生物指标变化显著
浮游植物在蓄水准备期为7.53万个／L，蓄水期为13.5万个／L，运行期为19.5万个／L，数量呈逐渐上升趋势。
浮游动物的丰度蓄水准备期为695个／L，蓄水期为1 957.5个／L，运行期为769.5个／L，数量在蓄水期显著上升，是蓄水准备期的30倍，运行期又大幅下降。
浮游植物种类蓄水准备期为最高，达47种，运行期减少到40种。浮游动物种类运行期为最高，而蓄水准备期为最低[1]。
3.5 相关性特征
经对库区长江干流沿程30个样本浮游植物数量、生物量、营养盐（TN，TP）的测定，经相关性分析，浮游植物数量和生物量与营养盐没有显著的相关性（Spearman，r分别为－0.153，0.162，0.143），与于流 的水流量有着显著的负相关（Spearman，r＝－0.900，p＜0.01；r＝－1.000，p＜0.05）。
3.6 流态特征
各支流发生水华的流速分别为：香溪河0.03～0.01 m／s，大宁河0.05～0.02 m／s，梅溪河0.06～0.02 m／s，神女溪0.08～0.01 m／s，小江0.05～0.02m／s，龙河0.10～0.03 m／s，汝溪河0.08～0.02 m／s，抱龙河0.04～0.02 m／s。
综上，可以看出水华暴发“行为效应”的基本特征是一个多因素耦合、多维度消涨和具有内在强非线性耗散结构的复杂的物理、化学过程的结果。
4 水华非线性动力学模型
水华暴发是一个复杂的生物化学动力学过程，当营养物在水域中聚集到一定程度就形成藻类，当水文、光照和温度等条件适宜时，藻类将疯长，水华暴发[4]。这是一个系统运动发展过程，存在着很多不确定的非线性因素，藻类数量变化及环境影响因子随时间进程而突变[5]。因此，水华暴发是一种典型的非线性营养动力学过程。可用下列模型描述水华暴发非线性动力学模型：
（1）
由公式（1）可以得出，在河流水质严重富营养化的条件下，促进水华暴发的各种不确定性因素作用充分，养分供应充足，藻类的生长服从推广的Logistic－Exponential方程：
上述模型表述了水华在暴发之前的营养物质半饱和参数特征，同时更重要的是，考虑了水华暴发过程的非线性、耗散性和振荡性[6－7]。在模型应用过程中，由于藻类的环境限制元素中，最重要的是氮和磷外源与内源的供给量，所以当
很小、很大或取中间值时，要做出相应的步长序列调整。
5 水华暴发计算与验证
将上述方程进行数值积分，经量纲还原后得出香溪河2005、2008年两次水华暴发时溶解性总氮、溶解性总磷、化学需氧量浓度值结果。并分别用这两次水华暴发时实测数据进行验证，3个污染指标计算值和实测值对比结果见表1。表1中计算值和实测值的相对误差为3.4％～7.1％，说明所建立的非线性动力学方程计算精度是令人满意的。
6 结论
（1）三峡水华演变暴发的非线性“行为效应”的基本特征是：空间、水域、发生时间的不确定性；藻类优势种由河流型向湖泊型演变；浮游生物指标变化显著；浮游植物数量和生物量与营养盐没有显著的相关性；水文参数差异。
（2）三峡水库支流的富营养污染演变诱发水华暴发行为，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的复杂非线性动力学体系，存在着大量的混沌非线性行为。
（3）本文建立的水华非线性动力学模型，较符合三峡库区香溪河富营养化污染水体水华暴发复杂非线性动力学行为，反映了水华发生过程与营养物质之间的强耦合作用，揭示出水华突发过程存在的自组织临界性、耗散性和振荡性，体现了典型的非线性。这对模拟和研究缓流水域水华暴发的非线性全过程具有较好的普适性。
（4）研究表明，对于复杂的水华暴发现象采用非线性动力学微分方程模型尤其有效，模型的计算值与两次水华暴发的实测值误差为3.4％～7.1％，此精度可以反映水域营养物质与藻类疯长的关系，以及水华形成时的耗散和振荡行为，同时为揭示河流水华暴发的临界行为、发展、振荡、维持和消退规律提供定量化信息。
（5）现代非线性科学的理论和方法为研究三峡库区水华暴发环境污染复杂现象带来了全新的希望。虽然表1的对比仅限在3个富营养污染指标上，不能全面反映水华非线性行为效应特征，但为认识水华的暴发提供了新的思路和计算途径。非线性理论方法应用于水华预测仍处于初级阶段，有待于进一步完善。