沙堆實(shí)驗(yàn)研究三峽庫(kù)區(qū)典型水域環(huán)境的水華污染行為.pdf

1、三峽水庫(kù)正在形成，由于庫(kù)區(qū)段的長(zhǎng)江流速明顯減緩，導(dǎo)致水體自凈能力大幅度降低。同時(shí)水庫(kù)的蓄水/排水作用將在三峽流域形成周期性的潮汐運(yùn)動(dòng)和區(qū)域氣候，這些都將改變水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移、積累、分布和演化方式，使流域兩岸的消落帶和次級(jí)河流逐漸形成適應(yīng)藻類生長(zhǎng)、蔓延、甚至瘋長(zhǎng)(水華爆發(fā))的水域環(huán)境，最后，加上每年接納大量含有P、N等的生活與工業(yè)污水及其它各種污染，將會(huì)加劇水體的富營(yíng)養(yǎng)程度，從而形成水華爆發(fā)的隱患，對(duì)整個(gè)三峽庫(kù)區(qū)流域甚至整個(gè)長(zhǎng)江流域的

2、水環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。因而水庫(kù)蓄水以后，在整個(gè)庫(kù)區(qū)水域的富營(yíng)養(yǎng)化污染問(wèn)題，就成為三峽水庫(kù)水環(huán)境安全保護(hù)中亟需開(kāi)展預(yù)測(cè)研究的重要課題。 由于水華爆發(fā)系統(tǒng)本身是一個(gè)多因素耦合、多維消漲的和具有自組織臨界性特征的流域生物化學(xué)動(dòng)力學(xué)體系。水華的形成、爆發(fā)、蔓延、持續(xù)與消退行為與富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的行為、性態(tài)和濃度等因素表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性和自組織臨界性關(guān)系(Self-Organized Criticality,SOC)。 自組織臨界態(tài)

3、理論最具有物理意義的典范就是沙堆模型(Sandpile Mode，SM)。SOC理論和SM模型研究的是具有自組織消漲行為的開(kāi)放體系，三峽庫(kù)區(qū)典型富營(yíng)養(yǎng)污染水域環(huán)境正好是一個(gè)有物質(zhì)交換(如P、N遷入與移出)和能量交換(光照和水流)的開(kāi)放體系。因而可以采用SOC理論、SM模型(可以是數(shù)值仿真模型或者真實(shí)沙堆實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、生物化學(xué)反應(yīng)機(jī)制和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)深入研究和描述三峽流域富營(yíng)養(yǎng)化和水華爆發(fā)的內(nèi)在規(guī)律。通過(guò)SM實(shí)驗(yàn)，一粒一粒的投放顆粒到定面積

4、區(qū)域而逐漸形成沙堆，當(dāng)沙堆生長(zhǎng)到臨界點(diǎn)(高度HC)時(shí)，再多加一粒沙子就會(huì)導(dǎo)致沙堆崩塌(Avalanche)，隨著顆粒不斷加入，塌陷的沙堆又將繼續(xù)生長(zhǎng)，此過(guò)程周而復(fù)始，與水域中周期性水華爆發(fā)/消退過(guò)程應(yīng)該能建立起某種對(duì)應(yīng)關(guān)系。 基于自組織臨界性理論，在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了具有真實(shí)物理意義的沙堆實(shí)驗(yàn)裝置；同時(shí)采用不同的長(zhǎng)徑比，不同密度的材料顆粒，實(shí)施了一系列的沙堆實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的篩選、處理和分析，定義了衡量體系崩塌趨勢(shì)或大小

5、的參數(shù)a，此參數(shù)反映了不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的漲落特征，反映了體系在不同的實(shí)驗(yàn)條件下的動(dòng)力學(xué)行為。 在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，將沙堆實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中符合自組織臨界性規(guī)律的普適性因子：沙堆底盤直徑D、顆粒長(zhǎng)度L、顆粒半徑r和顆粒密度ρ等，與富營(yíng)養(yǎng)污染流域中導(dǎo)致水華爆發(fā)的控制因子相關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)不同情況下沙堆崩塌的難易程度、頻度和規(guī)模來(lái)發(fā)現(xiàn)、描述和確定水華爆發(fā)的內(nèi)在機(jī)制和演化過(guò)程。本文進(jìn)行的沙堆實(shí)驗(yàn)數(shù)值分析結(jié)果與這些典型流域水華發(fā)生過(guò)程以及富營(yíng)