湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的非線性動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)力學(xué)特性.pdf

1、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題是學(xué)術(shù)界和工程界所面臨的共同難題。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的形成是一個(gè)內(nèi)部充滿復(fù)雜物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的開(kāi)放的、遠(yuǎn)離平衡的非線性的生態(tài)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的、線性的研究方法及模型已經(jīng)不能滿足我們對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化形成的內(nèi)部機(jī)理的認(rèn)識(shí)。本論文使用非線性動(dòng)力學(xué)和非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)的研究方法，采用新的視角從時(shí)間到空間逐步研究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的形成機(jī)理和其結(jié)構(gòu)分布。 在時(shí)間動(dòng)力學(xué)方面，本論文選擇典型的磷循環(huán)動(dòng)力學(xué)，假設(shè)湖泊受單一營(yíng)養(yǎng)鹽磷限制，建立了一個(gè)單

2、層箱體磷循環(huán)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，研究湖泊中顆粒磷、可溶性磷和藻類中的磷這三種磷之間的相互關(guān)系，從理論上分析磷循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，又通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析不同因素的改變對(duì)三種形式磷動(dòng)力學(xué)的影響。此外，又考慮實(shí)際處理系統(tǒng)中湖底沉積物在不同擾動(dòng)條件下(大風(fēng)浪擾動(dòng)和季節(jié)變化)對(duì)系統(tǒng)中磷循環(huán)的影響，并對(duì)一類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本論文不僅在磷循環(huán)動(dòng)力學(xué)機(jī)制上有理論上的意義，而且在富營(yíng)養(yǎng)化防治上也有新的工程應(yīng)用意義。 在空間結(jié)構(gòu)的研究上，本文以非

3、平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用最大流原理，從微觀動(dòng)力學(xué)角度建立了一個(gè)新的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型，結(jié)合SOM(自組織特征映射網(wǎng)絡(luò))的模擬方法對(duì)我國(guó)10個(gè)湖泊進(jìn)行了富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)并和以往的評(píng)價(jià)方法作了詳細(xì)比較，結(jié)果表明該方法具有較好的合理性和可操作性。該模型從一定程度上體現(xiàn)了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化系統(tǒng)的演化動(dòng)力學(xué)機(jī)理和湖泊系統(tǒng)時(shí)空演變特性，因此在評(píng)價(jià)上及水質(zhì)預(yù)測(cè)上有較大的潛力。 隨后，本文又考慮系統(tǒng)的不同尺度，從微觀動(dòng)力學(xué)角度探討了湖泊系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的

4、非線性相互作用及其擴(kuò)散規(guī)律，分析了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)自組織過(guò)程形成的空間分形結(jié)構(gòu)并以此來(lái)度量湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的基本特征，從而系統(tǒng)地構(gòu)建了一個(gè)研究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的新方法。結(jié)合SOM(自組織特征映射網(wǎng)絡(luò))的模擬方法，選取太湖部分流域和滇池作為典型案例，通過(guò)數(shù)值計(jì)算定量揭示了湖泊系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分布的分形特性，并通過(guò)更細(xì)致的模擬結(jié)果表明，該分布具有分形維數(shù)隨著尺度變化而變化的多重分形特征，這暗示了湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)系統(tǒng)在流域變化上具有變化的分布結(jié)構(gòu)也即變化的富營(yíng)養(yǎng)