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三峡水库小江回水区水华暴发期浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

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湖泊科学 2024年第4期36卷 1025-1035,I0003-I0005页

作者：胡莲郑志伟杨志杨晴邹曦万成炎张云昌水利部中国科学院水工程生态研究所水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室湖北省水生态保护与修复工程技术研究中心武汉430079 水利部三峡工程管理司北京100000

三峡水库蓄水以来,支流水华频发,尤以小江情况最为严重,给三峡库区的生态安全带来较大隐患。为探究支流水华暴发特征和主控因素,于20142021年小江水华暴发期间在小江高阳江段进行浮游植物及环境因子调查,并使用单因素方差分析、聚类分... 详细信息

三峡水库蓄水以来,支流水华频发,尤以小江情况最为严重,给三峡库区的生态安全带来较大隐患。为探究支流水华暴发特征和主控因素,于20142021年小江水华暴发期间在小江高阳江段进行浮游植物及环境因子调查,并使用单因素方差分析、聚类分析、百分比相似性分析以及基于距离的线性模型等方法,对小江水华暴发期间浮游植物和环境因子在不同年份不同水层间的差异以及二者的关系进行研究。结果表明:小江水华暴发期内,浮游植物的种类数在43~70种之间,其中2015年蓝藻种类数明显减少,2018年以后硅藻种类数明显减少;采样期间浮游植物平均细胞密度在0.66×10^(6)~61.28×10^(6)cells/L之间,同期表层细胞密度明显高于中层和底层;各层水体间水华微囊藻、铜绿微囊藻、不定微囊藻等10种藻的密度存在明显差异,是主要差异种;显著影响表层、中层和底层浮游植物群落结构变动的环境因子是水位的日平均变幅;水位的日平均变幅与藻类优势种拟合关系显示,当日水位下降幅度在0.5 m以上时,浮游植物平均密度会呈指数级减少。研究结果可为三峡库区支流水华的防控提供数据支持。

关键词：三峡水库小江水华暴发浮游植物群落结构水位变动

巢湖水华暴发期水-沉积物界面溶解性氮形态的变化

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中国环境科学 2009年第11期29卷 1158-1163页

作者：姜霞钟立香王书航金相灿中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地北京100012 合肥工业大学资源与环境学院安徽合肥230009

2008年4-10月,连续对巢湖8个样点进行采样,分析了上覆水和表层沉积物间隙水中溶解性氮形态在水华暴发过程中的变化,估算了水-沉积物界面无机氮的扩散通量.结果表明,上覆水中NH4^＋-N含量随水华暴发强度的增加而减小,溶解性总氮（DTN）... 详细信息

2008年4-10月,连续对巢湖8个样点进行采样,分析了上覆水和表层沉积物间隙水中溶解性氮形态在水华暴发过程中的变化,估算了水-沉积物界面无机氮的扩散通量.结果表明,上覆水中NH4^＋-N含量随水华暴发强度的增加而减小,溶解性总氮（DTN）含量在水华暴发后明显升高,而NO3^--N含量只在水华暴发严重时才明显减少.在大规模水华暴发前（4-5月）上覆水中DTN的主要组成部分是NO3^--N和NH4^＋-N,在水华暴发后则是溶解性有机氮（DON）.间隙水中PDTN以NH4^＋-N为主,其浓度随温度的增加而升高;DON在水华暴发过程中呈先下降后上升的趋势.通量计算结果表明,沉积物作为NH4^＋-N的“源”一直由间隙水向上覆水释放,西半湖扩散通量在13.06-32.94mg/（m^2·d）之间,东半湖扩散通量在4.54-17.41mg/（m^2·d）之间.沉积物-水界面交换是湖泊营养盐重要的补充途径,为水华持续暴发提供营养来源.

关键词：水华暴发水-沉积物界面氮形态通量巢湖

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基于复杂网络同步特征的水华暴发数值模型

环境科学学报 2009年第10期29卷 2224-2230页

作者：湛敏吴锐雷惊雷李凌杰刘信安重庆大学化学化工学院重庆400030

基于复杂网络的同步特征和藻类动力学生长特性,以汉江近年来水华污染的现场监测资料为例,并结合氮磷浓度、水温等实测数据构建了水华暴发的数值模型,用以描述藻类生长和水华暴发的动力学机制;同时,利用达到指定藻生物量临界值的网格数... 详细信息

基于复杂网络的同步特征和藻类动力学生长特性,以汉江近年来水华污染的现场监测资料为例,并结合氮磷浓度、水温等实测数据构建了水华暴发的数值模型,用以描述藻类生长和水华暴发的动力学机制;同时,利用达到指定藻生物量临界值的网格数规模作为判定水域是否暴发水华以及规模大小的依据,从复杂网络同步特性的角度验证了水华暴发的临界性和全局突发性,进而揭示了水华暴发现象是水域子区域整体协同作用的结果.计算结果表明,如果达到临界值的网格数超过指定的规模,相应水域将暴发水华,且网格达到峰值状态持续的时间越长,水华污染越严重.

关键词：复杂网络数值模型同步效应水华暴发

水华暴发的SOC实验与藻体叶绿素量子化学计算

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水华暴发的SOC实验与藻体叶绿素量子化学计算

作者：周佩雯重庆大学

学位级别：硕士

表达自组织临界态理论(Self-Organized Criticality,SOC)的典范是沙堆模型(Sandpile Model, M)。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,水华暴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... 详细信息

表达自组织临界态理论(Self-Organized Criticality,SOC)的典范是沙堆模型(Sandpile Model, M)。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,水华暴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、暴发、蔓延、持续与消退行为与营养物的行为、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。本文基于自组织临界性理论,用不同材质的圆柱形颗粒进行了十分繁复的沙堆实验,并对实验数据的进行数据处理和数据重构,得到高相关性的幂率函数K=a(Δw),表明这些沙堆系统都具有自组织临界性。不同水体发生水华时营养盐浓度变化很大。从数学上可映射和抽象为沙堆实验因颗粒及底盘系统的不同而具有不同的临界重量这种对应关系。而对于同一水体,水华前后总的营养物含量变化并不大(只不过从水体中迁输到藻体细胞中),这与本文的SOC的沙堆物理实验在临界高度H附近的涨落过程相符合,从而表明在水华过程中同样具有本文实验中沙堆生长/崩塌的演化过程中的自组织临界性。其次,在此基础上考察沙堆系统行为与不同颗粒及不同底盘的关系,并对幂率函数K=a(Δw)中的拟合系数a和b进行了重构得到本文定义的表达水华暴发趋势的协同参数Y和Y。通过Y和Y描述了水华暴发/消退过程的自组织临界性行为。Y与L/d(表征迁入水域系统的营养盐量)呈较好的线性正相关,Y与D(表征水域环境对营养盐的负荷量)呈较好的线性负相关。结合文献资料对比分析可以证明:L/d值越大(迁输入量越大)水华暴发趋势Y越高;D值越大(系统负荷能力越高)水华暴发趋势(可能性)Y越低。影响水华暴发除了上述外部因素,还包括藻细胞生长的内在因素,及其内在因素与外部环境的相互耦合作用,例如对藻细胞生长过程至关重要的是藻细胞体内叶绿素a的光合作用,这种光合作用将导致复杂的藻细胞增殖,从而可能在水域环境中以极快的速率分裂生成大量新的藻细胞,因此,需要从叶绿素分子结构上进行生物大分子的量子化学计算,试图探讨水体富营养化及水华暴发的非线性动力学体系中,光照参数,即实际生态环境体系中藻细胞可能吸收到的光波长(包括光照强度及其分布等)与藻细胞生长速率之间的相互关系,从而可能从微观层次上揭示水华暴发/消退的生物化学内在机制。通过对光合作用过程中叶绿素a分子结构和能级的量子化学研究,计算了自叶绿素a的一个或多个吡咯环丢失一个双键的结构体、脱镁叶绿素a与叶绿素a的能量,得光合作用需要吸收的光量子波长和范围,初步计算所得的波长都大致

关键词：水华暴发沙堆模型自组织临界性光合作用的量子化学计算

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模拟消落带水华暴发行为的数值沙堆模型

环境科学学报 2006年第7期26卷 1126-1134页

作者：刘信安张毅力 Charles Q.Jia 重庆大学化学化工学院 Chemical Engineering & Applied Chemistry College University of Toronto CanadaM5S3E5

以长江最大支流汉江近年来水华污染的现场资料为例,通过氮磷浓度、水温、流速和光照等实测数据构建了消落带开放水域环境体系的数值沙堆模型,描述了藻类生长及水华暴发的动力学机制;利用数值沙堆系统崩塌行为反映出的频率-尺度幂律关系... 详细信息

以长江最大支流汉江近年来水华污染的现场资料为例,通过氮磷浓度、水温、流速和光照等实测数据构建了消落带开放水域环境体系的数值沙堆模型,描述了藻类生长及水华暴发的动力学机制;利用数值沙堆系统崩塌行为反映出的频率-尺度幂律关系作为判断消落带水域是否暴发水华以及规模大小的依据,采用有限尺度标度分析从不同侧面验证了水华暴发系统的自组织临界性,并揭示出各种拟合参数与水华暴发规模之间的定量关系.研究表明,沙堆模型如果存在良好的幂律关系,相应的消落带水域将暴发水华,且幂律指数越大,水华污染程度越严重.

关键词：数值沙堆模型自组织临界性消落带水域水华暴发

用准真实沙堆模型的自组织临界特性研究流域水华暴发行为

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自然科学进展 2005年第12期15卷 1441-1446页

作者：刘信安马艳娥陈双扣郭圣文 J.Q.Charles 重庆大学化学化工学院重庆400044 Chemical engineering & applied chemistry college University of Toronto Canada

在引入多象限、优先级和表观摩擦系数等概念的基础上,重构了更具物理意义和更能反映自组织临界性的棱锥形准真实沙堆模型．通过大量仿真计算,研究了颗粒投放区域相对大小对沙堆自组织临界特性的影响规律,并借助内能、结构熵和自由能的概... 详细信息

在引入多象限、优先级和表观摩擦系数等概念的基础上,重构了更具物理意义和更能反映自组织临界性的棱锥形准真实沙堆模型．通过大量仿真计算,研究了颗粒投放区域相对大小对沙堆自组织临界特性的影响规律,并借助内能、结构熵和自由能的概念,对沙堆系统进行了热力学分析．数值计算显示,沙堆模型的自组织临界特性与富营养污染流域暴发水华时的某些复杂非线性关系(例如藻类数量与pH值的关系,水库输出的氮磷物质的量之比与光合固碳消耗营养盐的速率系数的关系)和热力学规律(流域系统熵的变化)具有一致性．结果表明:沙堆模型的自组织临界性与实际流域中水华暴发现象之间存在很强的关联,因而自组织临界性理论有可能为研究水华暴发提供一种新方法．

关键词：自组织临界性准真实沙堆模型水华暴发富营养污染

利用复杂网络理论研究三峡库区流域水华暴发行为

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利用复杂网络理论研究三峡库区流域水华暴发行为

作者：卢挺重庆大学

学位级别：硕士

水华是藻类突发性大量生长的水体污染现象。水华暴发会释放藻毒素同时藻层阻隔大气中氧气进入,引起水生生物窒息死亡,使水体产生异味,造成水体质量的严重破坏。水华造成水环境的严重污染引起越来越多的学者的关注和研究,然而消落带水域... 详细信息

水华是藻类突发性大量生长的水体污染现象。水华暴发会释放藻毒素同时藻层阻隔大气中氧气进入,引起水生生物窒息死亡,使水体产生异味,造成水体质量的严重破坏。水华造成水环境的严重污染引起越来越多的学者的关注和研究,然而消落带水域是一个多因素耦合、多维度协同和具有整体性特征的非线性复杂生态环境动力学开放子系统,采用近代归纳式研究方法和理论已很难描述、研究并定量揭示其内在演化规律。本文以复杂网络(Complex Networks,CNs)理论为基础,从图论(Graph Theory)和统计规律上描述和求解复杂系统的整体行为。CNs理论由于1998年Watts揭示了CNs的小世界(Small World)属性,1999年Albert发现了CNs的无标度特性(Scale-Free,SF)等,拓展了CNs的应用领域,为表征和研究消落带水华污染提供了全新的视角、思路和手段。表征复杂网络的参数主要有平均路径长度(Average Path Length,L)和聚类系数(Clustering Coefficient,C)。根据定义,L是任意两个节点之间距离的平均值,C是网络中与节点连接的其它节点也可能彼此连接的特性的数值表示。本文按照CNs理论将具体网络抽象为一个由点集V和边集E组成的图G=(V,E),从而将消落带水华暴发抽象成一个CNs系统,通过合理抽象将消落带系统映射到CNs系统进行运算,再通过反演来表达系统的水华暴发行为。基于CNs理论的思路和统计规律,将引起水华暴发的各种因素抽象为点集V的各个节点,各因素间的相互作用抽象为边集E的各条边。从而将消落带水域多因素耦合、多维度协同作用造成的水华暴发抽象是各节点相互连接而形成的一个复杂网络。在初步建立水体中水华暴发的CNs模型上,根据CNs理论对平均路径长度L和聚类系数C的定义,得出在水华暴发CNs模型中,L与水华暴发的概率成反比,而C反映了水华暴发的各因素之间的相互作用程度。通过代入2007年春季嘉陵江、长江和2002年乌江“黑潮”8月份乌江渡水库监测数据,对表征水华暴发CNs系统参数L和C的计算,得出发生水华水域的L越小水华暴发的概率越大,即通过监测数据验证了CNs理论结果。同时根据CNs理论对参数C定义,由计算值得出在水华暴发前后C是一个先增加后减小在增加的过程,表明在水华暴发周期(暴发前期、暴发时期、消退时期),各因素间的相互作用是先增强后减弱再增强的过程。

关键词：藻类水华暴发复杂网路平均路径长度聚类系数

水域消落带水华暴发自组织临界性数值计算与光合色素能量传递机理

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水域消落带水华暴发自组织临界性数值计算与光合色素能量传递机理

作者：张毅力重庆大学

学位级别：硕士

由于水华暴发的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、暴发、蔓延、持续与消退行为与水华富营养化物质的含量等因素表现出复杂的非线性和自组织临界性关系。自组织临界性(... 详细信息

由于水华暴发的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、暴发、蔓延、持续与消退行为与水华富营养化物质的含量等因素表现出复杂的非线性和自组织临界性关系。自组织临界性(Self-Organization Criticality, SOC)理论具有物理意义的范例是沙堆模型(Sandpile Mode,SM)。SOC理论和SM模型研究具有自组织消涨行为的开放体系,富营养污染的水域环境正好是一个有物质交换(如P、N迁入与输出)和能量交换(如光照和水流)的开放体系。因而可以采用SOC理论、SM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富营养化和水华暴发的内在规律。随着对富营养化机理的深入研究和计算机技术的飞速发展,富营养化的数学模拟已有了长足进步,本文对富营养化模型的研究进展做了综合评述。为了有效研究富营养化污染物在流域环境中的演化过程、迁移模式、结构形态和全局动力学行为,本文利用数学物理手段,结合环境科学理论,将自组织临界性理论和沙堆模型引入到水域富营养化污染领域的研究。在Bak P、Tang C和Wiesenfeld提出的BTW模型基础上,以长江最大支流汉江近年来水华污染的现场资料为例,通过氮磷浓度、水温、流速和光照等实测数据构建了消落带开放水域环境体系的数值沙堆模型,描述了藻类生长及水华暴发的动力学机制,利用数值沙堆系统崩塌行为反映出的频率—尺度幂律关系作为判断消落带水域是否暴发水华以及规模大小的依据,采用有限尺度标度分析从不同侧面验证了水华暴发系统的自组织临界性,并揭示出各种拟合参数与水华暴发规模之间的定量关系。研究表明:沙堆模型如果存在良好的幂律关系,相应的消落带水域将出现暴发水华,且幂律指数越大,水华污染程度越严重。因此,具有自组织临界性的沙堆模型有可能从不同视角和层次上揭示消落带水华暴发的规模、分布及其内在机制。光合作用光能的高效吸能、传递和转换及其控制的微观机理是当前国际光合作用基础研究中的核心问题。现己确定,光合作用光能的吸收、传递和转化过程是在光合膜中一系列有序排列的光合色素蛋白复合体中进行。本文首先介绍光合作用原初过程以及主要的光合色素,然后着重讨论了光合色素对光能的吸收,传递与陷获的机理模型。通过这些机理和模型,试图从理论上阐述光合作用原初过程中一系列涉及光子、激子、电子、离子等传递和转化的复杂的物理和化学过程。借此以构建具有物理化学基础且能解释藻类暴发机制的理论构架。

关键词：水华暴发自组织临界沙堆模型光合作用光合色素激发能

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基于复杂网络理论的水华暴发数值模型研究

基于复杂网络理论的水华暴发数值模型研究

作者：姚建玉重庆大学

学位级别：硕士

我国发生富营养化水体的数量和规模已居世界前列,水体富营养化已经成为严重威胁我国水资源和水安全最重要的社会和环境问题之一。三峡水库的建立在为人类带来巨大经济效益的同时也给库区增加了水体富营养化的压力。从数学的角度,利用其... 详细信息

我国发生富营养化水体的数量和规模已居世界前列,水体富营养化已经成为严重威胁我国水资源和水安全最重要的社会和环境问题之一。三峡水库的建立在为人类带来巨大经济效益的同时也给库区增加了水体富营养化的压力。从数学的角度,利用其方法和理论研究水体富营养化具有重要的生态意义和理论指导意义。复杂网络（Complex Networks,CNs）的统计特性是一种普遍存在于自然界中的非线性现象,具有广泛的普适性。而这种现象与水华暴发过程所表现出来的大量藻类共同聚集的行为是一致的,水华暴发的实质就是大面积局部区域藻类在短时间内共同聚集的统计结果。因此采用复杂网络统计特性构建解析水华暴发的全局性态仿真模型和理论框架是可行的。本文首先在复杂网络同步理论和藻类生长动力学机制的基础上,根据大量的参考文献和实际监测数据,研究影响水华暴发主要因子的相关性。通过描述水华暴发各影响因子之间相互作用的具体路径,并根据复杂网络理论的统计特性（平均路径长度、聚类系数、节点度和节点介数）,构筑了水华暴发的有向复杂网络模型。本文还描述了各影响因子对水华暴发的作用程度,并基于汉江1992年～2000年这9年水华污染实际监测数据,构建出能够反映优势藻聚集的统计特性与水体环境质量之间的关系的水华暴发统计特征函数G。从复杂网络统计特性的角度验证了水华暴发期间藻类的统计特性,并揭示了水华暴发现象是水域子区域整体协同作用的统计结果。验证结果表明,水华暴发的统计特征函数G确实能够有效和半定量的刻划暴发时间、污染程度、持续时间以及规模。论文还利用聚类分析（Clustering Analysis）的方法对汉江水体1992年～2000年2、3月份的连续监测数据进行分类分析,结果表明,此方法可以用于预测同一水体未来发生水华暴发的可能性,但不适用于两种及其以上水体的分类分析。

关键词：水华暴发复杂网路聚类分析相关系数统计特征函数