烏梁素海營養(yǎng)元素及其存在形態(tài)數(shù)值模擬的分析 (1)論文

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1、摘要湖泊富營養(yǎng)化是全球普遍關(guān)注的環(huán)境問題之一，在富營養(yǎng)化湖泊的恢復(fù)與治理研究中，氮、磷污染是研究的焦點，因此，關(guān)于富營養(yǎng)化研究最多的就是營養(yǎng)元素一氮、磷的內(nèi)容。對于一般事物進行其特性研究時，都要從。量”與“質(zhì)”兩方面進行，營養(yǎng)元素一氮、磷的研究也不例外。目前國內(nèi)外關(guān)于氮、磷的研究主要集中在數(shù)量上，表現(xiàn)在：富營養(yǎng)模型的建立、營養(yǎng)物質(zhì)的遷移、循環(huán)、沉積與釋放等，并取得了大量的研究成果。然而這些研究基本是摸清營養(yǎng)元素數(shù)量后就是關(guān)于營養(yǎng)元素研究的結(jié)束，都忽略了營養(yǎng)元素存在形態(tài)的研究。有單方面進行營養(yǎng)元素存在形態(tài)的研究也都集中在以大量實驗分析為基礎(chǔ)，進行湖底沉積物中氮、磷形態(tài)的

2、分析。本文以烏梁素海為研究對象，在掌握湖泊水質(zhì)中氮、磷數(shù)量信息的基礎(chǔ)上，利用地球化學的理論、知識，進一步對水中營養(yǎng)元素—氮、磷的存在形態(tài)進行了模擬分析。首先對烏梁素海的污染機理及污染現(xiàn)狀進行了研究分析。將實測的湖泊水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)結(jié)合，采用基于因子分析的主成分方法將烏梁素海的水質(zhì)參數(shù)概括為7個主成分，進一步分析討論各主成分的科學內(nèi)涵以及結(jié)合地區(qū)特征的湖泊污染機理，得到了在干旱半干旱地區(qū)典型的草型淺水湖泊其污染機理不同于濕潤半濕潤地區(qū)湖泊的特殊原因。在進行營養(yǎng)營養(yǎng)元素數(shù)量研究而建立湖泊富營養(yǎng)模型時，首先對營養(yǎng)元素在湖泊的空間分布進行定量研究，分別采用反距離加權(quán)插值

3、法、克里金插值法和最小曲率法進行湖泊總氮、總磷濃度的空間估值與變異性分析，通過計算結(jié)果對比及實測數(shù)據(jù)的驗證，選擇克里金方法是最適合烏梁素海水體中營養(yǎng)元素的空間分布的計算方法。并通過2005年對于烏梁素海各項指標實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、整理、內(nèi)插，分析了湖泊的污染現(xiàn)狀。其次，在了解了烏梁素海污染機理及污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，關(guān)于營養(yǎng)元素數(shù)量研究進行了模型的建立與應(yīng)用。以湖泊水平二維水動力學模型為基礎(chǔ)，考慮干旱區(qū)特殊的水文氣象因素，將蒸發(fā)、風力考慮進模型中，建立適合干旱區(qū)湖泊水動力學的模型。在水動力學模型的基礎(chǔ)上選擇水平二維、動態(tài)、確定型模型對于旱區(qū)非均勻混合型湖泊水質(zhì)營養(yǎng)元素總氮、總

4、磷濃度進行模擬。并針對干旱區(qū)湖泊所在地域的特點，率定了模型中的參數(shù)。利用湖泊水質(zhì)中總氮、總磷濃度的實測值進行了模型的應(yīng)用與驗證。進行流場模擬時，在數(shù)值計算過程中將蒸發(fā)強度系數(shù)和風速采用逐日數(shù)據(jù)分別輸入模型進行計算，避免了因忽略實際過程中蒸發(fā)與風的隨機性而引起的誤差，提高了模擬結(jié)果的精確度，能夠更準確地描述該地區(qū)中湖泊的水動力過程。結(jié)果顯示蒸發(fā)和風因素對湖泊水深影響可忽略，但對湖泊流場影響較大，強烈的蒸發(fā)使水流流速增大，風對流速的影響取決于風速大小和方向兩個因素，因此在干旱半干旱地區(qū)進行湖泊水環(huán)·國家自然科學摹金項目(50569002)．國家自然科學基金項目(50669

5、004)聯(lián)合資助境研究時應(yīng)考慮蒸發(fā)和風因素對湖泊流場的影響，從而影響到不同污染物濃度分布變化。在模擬湖泊水質(zhì)中總氮、總磷的濃度場時，考慮湖泊水質(zhì)隨季節(jié)變化大而進行參數(shù)率定以提高其準確度，經(jīng)過模型的計算得出了總氮、總磷的濃度場，根據(jù)總氮、總磷的初始濃度場與模擬濃度場比較與分析，得出引起總氮、總磷濃度變化的主要原因。通過對烏梁素海建模區(qū)的應(yīng)用與檢驗證明了所建模型的正確合理性與精確度。模型對于定量描述地處干旱半干旱地區(qū)的烏梁素海湖泊水動力學及營養(yǎng)元素濃度場的變化是非常適用的，這樣對合理制定湖泊富營養(yǎng)化治理措施提供科學依據(jù)具有重要意義。最后對富營養(yǎng)元素存在形態(tài)進行了進一步的模

6、擬研究。在摸清烏梁素海湖泊中營養(yǎng)元素一氮、磷的數(shù)量特征的基礎(chǔ)上，研究嘗試用地球化學中的理論、觀點、知識去研究湖泊水體中富營養(yǎng)元素—氮、磷的存在形態(tài)。氮元素中的無機氮和磷元素中的正磷酸磷中不同形態(tài)的相互轉(zhuǎn)化實質(zhì)是電子和氫離子得失的過程，并伴隨著熱量的轉(zhuǎn)化，研究選擇利用地球化學軟件—PI弧,EEQC，進行了湖泊水環(huán)境在不同pH值、溫度、pe值條件下對無機氮中應(yīng)存在的形態(tài)氮和可溶性正磷酸鹽中應(yīng)存在的形態(tài)磷進行了模擬，實現(xiàn)了湖泊物理、化學指標在不同狀態(tài)下與富營養(yǎng)元素的存在數(shù)量與形態(tài)的耦合模擬，并用大量的實測數(shù)據(jù)進行分析驗證，結(jié)果說明PHREEQC可用于湖泊營養(yǎng)元素各種形態(tài)的模

7、擬。同時也是PHREEQC在湖泊水環(huán)境中對物質(zhì)存在形態(tài)應(yīng)用研究的初步嘗試，筆者認為將地球化學學科知識應(yīng)用到湖泊水環(huán)境的研究是非常必要的，并且具有廣闊的研究前景。之后結(jié)合湖泊中營養(yǎng)元素的“量”與“質(zhì)”的特征，給出了烏梁素海富營養(yǎng)化治理的建議。以烏梁素海水體中營養(yǎng)元素一氦、磷為主要研究指標，摸清其數(shù)量及存在形態(tài)，不僅對于控制烏梁素海水污染和富營養(yǎng)化有重要作用，也是對干旱半干旱地區(qū)湖泊水環(huán)境治理的知識和經(jīng)驗的積攢，對于保護干旱半干旱地區(qū)水資源與改善水環(huán)境都具有重要的作用和意義。關(guān)鍵詞：干旱半干旱地區(qū)；烏梁素海；富營養(yǎng)化；污染機理；營養(yǎng)元素；水質(zhì)模型；存在形