沙堆实验研究三峡库区典型水域环境的水华污染行为

论文摘要

三峡水库正在形成,由于库区段的长江流速明显减缓,导致水体自净能力大幅度降低。同时水库的蓄水/排水作用将在三峡流域形成周期性的潮汐运动和区域气候,这些都将改变水体中营养物质的迁移、积累、分布和演化方式,使流域两岸的消落带和次级河流逐渐形成适应藻类生长、蔓延、甚至疯长（水华爆发）的水域环境,最后,加上每年接纳大量含有P、N 等的生活与工业污水及其它各种污染,将会加剧水体的富营养程度,从而形成水华爆发的隐患,对整个三峡库区流域甚至整个长江流域的水环境造成严重的威胁。因而水库蓄水以后,在整个库区水域的富营养化污染问题,就成为三峡水库水环境安全保护中亟需开展预测研究的重要课题。由于水华爆发系统本身是一个多因素耦合、多维消涨的和具有自组织临界性特征的流域生物化学动力学体系。水华的形成、爆发、蔓延、持续与消退行为与富营养化物质的行为、性态和浓度等因素表现出复杂的非线性和自组织临界性关系（Self-Organized Criticality,SOC）。自组织临界态理论最具有物理意义的典范就是沙堆模型（Sandpile Mode,SM）。SOC 理论和SM 模型研究的是具有自组织消涨行为的开放体系,三峡库区典型富营养污染水域环境正好是一个有物质交换（如P、N 迁入与移出）和能量交换（光照和水流）的开放体系。因而可以采用SOC 理论、SM 模型（可以是数值仿真模型或者真实沙堆实验模型）、生物化学反应机制和现场监测数据来深入研究和描述三峡流域富营养化和水华爆发的内在规律。通过SM 实验,一粒一粒的投放颗粒到定面积区域而逐渐形成沙堆,当沙堆生长到临界点（高度HC）时,再多加一粒沙子就会导致沙堆崩塌（Avalanche）,随着颗粒不断加入,塌陷的沙堆又将继续生长,此过程周而复始,与水域中周期性水华爆发/消退过程应该能建立起某种对应关系。基于自组织临界性理论,在本实验中设计了具有真实物理意义的沙堆实验装置;同时采用不同的长径比,不同密度的材料颗粒,实施了一系列的沙堆实验。通过对大量的实验数据的筛选、处理和分析,定义了衡量体系崩塌趋势或大小的参数a,此参数反映了不同实验参数设置下的涨落特征,反映了体系在不同的实验条件下的动力学行为。在实验室实验中,将沙堆实验统计数据中符合自组织临界性规律的普适性因子:沙堆底盘直径D、颗粒长度L、颗粒半径r 和颗粒密度ρ等,与富营养污染流

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究工作背景
• 1.2 水华及三峡库区流域富营养化的研究现状
• 1.2.1 水体富营养化的成因
• 1.2.2 水体富营养化的危害
• 1.2.3 水体富营养化的研究现状
• 1.3 自组织临界性及沙堆模型
• 1.3.1 自组织临界性的提出
• 1.3.2 沙堆自组织临界性—沙堆模型
• 1.4 课题研究的内容、目的和意义
• 1.4.1 研究的内容
• 1.4.2 研究的目的
• 1.4.3 研究的意义
• 2 沙堆模型实验装置的设计
• 2.1 主要实验设备
• 2.2 电子天平的设置
• 2.3 计算机的设定
• 2.4 记录数据软件
• 2.5 实验装置图
• 3 沙堆实验材料与沙堆实验
• 3.1 沙堆实验颗粒材料
• 3.2 沙堆实验底盘
• 3.3 沙堆实验系统
• 3.4 沙堆实验步骤
• 4 沙堆实验结果及数据处理
• 4.1 崩塌数据的筛选及算法的实现
• 4.1.1 筛选算法的实现平台
• 4.1.2 筛选算法的开发工具
• 4.1.3 筛选算法及实现过程
• 4.2 实验数据的处理
• 4.2.1 崩塌数据的筛选
• 4.2.2 崩塌数据的分析
• 4.2.2.1 崩塌趋势a 的定义
• 4.2.2.2 沙堆系统的分布规律
• 5 沙堆实验研究三峡库区流域的富营养化污染行为
• 5.1 沙堆实验与水华爆发控制参数β值关系
• 5.1.1 β与ES 的关系
• 5.1.2 β与L/D（或L/r/d）及ES 与崩塌趋势a 的对应关系
• 5.2 典型水域综合富营养指数TLI（Σ）与TP/TN 的关系
• 5.2.1 湖泊（水库）富营养化状况评价方法综合营养状态指数法
• 5.2.2 综合富营养指数TLI（Σ）与TP/TN 的关系分析
• T与水温对水华态势的影响'>5.3 营养值V_T与水温对水华态势的影响
• T对水华态势的影响'>5.3.1 营养值V_T对水华态势的影响
• 5.3.2 水温对水华态势的影响
• 5.4 沙堆实验与实测数据的对照分析
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A:硕士学习期间发表论文情况
• 附录B:筛选程序片段
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书