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《内蒙古农业大学》 2007年
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乌梁素海营养元素及其存在形态的数值模拟分析

史小红  
【摘要】: 湖泊富营养化是全球普遍关注的环境问题之一,在富营养化湖泊的恢复与治理研究中,氮、磷污染是研究的焦点,因此,关于富营养化研究最多的就是营养元素—氮、磷的内容。对于一般事物进行其特性研究时,都要从“量”与“质”两方面进行,营养元素—氮、磷的研究也不例外。目前国内外关于氮、磷的研究主要集中在数量上,表现在:富营养模型的建立、营养物质的迁移、循环、沉积与释放等,并取得了大量的研究成果。然而这些研究基本是摸清营养元素数量后就是关于营养元素研究的结束,都忽略了营养元素存在形态的研究。有单方面进行营养元素存在形态的研究也都集中在以大量实验分析为基础,进行湖底沉积物中氮、磷形态的分析。本文以乌梁素海为研究对象,在掌握湖泊水质中氮、磷数量信息的基础上,利用地球化学的理论、知识,进一步对水中营养元素—氮、磷的存在形态进行了模拟分析。 首先对乌梁素海的污染机理及污染现状进行了研究分析。将实测的湖泊水质监测数据与空间数据结合,采用基于因子分析的主成分方法将乌梁素海的水质参数概括为7个主成分,进一步分析讨论各主成分的科学内涵以及结合地区特征的湖泊污染机理,得到了在干旱半干旱地区典型的草型浅水湖泊其污染机理不同于湿润半湿润地区湖泊的特殊原因。在进行营养营养元素数量研究而建立湖泊富营养模型时,首先对营养元素在湖泊的空间分布进行定量研究,分别采用反距离加权插值法、克里金插值法和最小曲率法进行湖泊总氮、总磷浓度的空间估值与变异性分析,通过计算结果对比及实测数据的验证,选择克里金方法是最适合乌梁素海水体中营养元素的空间分布的计算方法。并通过2005年对于乌梁素海各项指标实测数据的统计、整理、内插,分析了湖泊的污染现状。 其次,在了解了乌梁素海污染机理及污染现状的基础上,关于营养元素数量研究进行了模型的建立与应用。以湖泊水平二维水动力学模型为基础,考虑干旱区特殊的水文气象因素,将蒸发、风力考虑进模型中,建立适合干旱区湖泊水动力学的模型。在水动力学模型的基础上选择水平二维、动态、确定型模型对干旱区非均匀混合型湖泊水质营养元素总氮、总磷浓度进行模拟。并针对干旱区湖泊所在地域的特点,率定了模型中的参数。利用湖泊水质中总氮、总磷浓度的实测值进行了模型的应用与验证。进行流场模拟时,在数值计算过程中将蒸发强度系数和风速采用逐日数据分别输入模型进行计算,避免了因忽略实际过程中蒸发与风的随机性而引起的误差,提高了模拟结果的精确度,能够更准确地描述该地区中湖泊的水动力过程。结果显示蒸发和风因素对湖泊水深影响可忽略,但对湖泊流场影响较大,强烈的蒸发使水流流速增大,风对流速的影响取决于风速大小和方向两个因素,因此在干旱半干旱地区进行湖泊水环境研究时应考虑蒸发和风因素对湖泊流场的影响,从而影响到不同污染物浓度分布变化。在模拟湖泊水质中总氮、总磷的浓度场时,考虑湖泊水质随季节变化大而进行参数率定以提高其准确度,经过模型的计算得出了总氮、总磷的浓度场,根据总氮、总磷的初始浓度场与模拟浓度场比较与分析,得出引起总氮、总磷浓度变化的主要原因。通过对乌梁素海建模区的应用与检验证明了所建模型的正确合理性与精确度。模型对于定量描述地处干旱半干旱地区的乌梁素海湖泊水动力学及营养元素浓度场的变化是非常适用的,这样对合理制定湖泊富营养化治理措施提供科学依据具有重要意义。最后对富营养元素存在形态进行了进一步的模拟研究。在摸清乌梁素海湖泊中营养元素—氮、磷的数量特征的基础上,研究尝试用地球化学中的理论、观点、知识去研究湖泊水体中富营养元素—氮、磷的存在形态。氮元素中的无机氮和磷元素中的正磷酸磷中不同形态的相互转化实质是电子和氢离子得失的过程,并伴随着热量的转化,研究选择利用地球化学软件—PHREEQC,进行了湖泊水环境在不同pH值、温度、pe值条件下对无机氮中应存在的形态氮和可溶性正磷酸盐中应存在的形态磷进行了模拟,实现了湖泊物理、化学指标在不同状态下与富营养元素的存在数量与形态的耦合模拟,并用大量的实测数据进行分析验证,结果说明PHREEQC可用于湖泊营养元素各种形态的模拟。同时也是PHREEQC在湖泊水环境中对物质存在形态应用研究的初步尝试,笔者认为将地球化学学科知识应用到湖泊水环境的研究是非常必要的,并且具有广阔的研究前景。之后结合湖泊中营养元素的“量”与“质”的特征,给出了乌梁素海富营养化治理的建议。 以乌梁素海水体中营养元素—氮、磷为主要研究指标,摸清其数量及存在形态,不仅对于控制乌梁素海水污染和富营养化有重要作用,也是对干旱半干旱地区湖泊水环境治理的知识和经验的积攒,对于保护干旱半干旱地区水资源与改善水环境都具有重要的作用和意义。
【学位授予单位】:内蒙古农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:X524

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【引证文献】
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7 李畅游;任春涛;武国正;李卫平;甄小丽;孙标;代进锋;;基于MATLAB实现的乌梁素海水质等级的模糊模式识别[A];第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2007年
8 赵胜男;李畅游;史小红;李卫平;孙标;;乌梁素海沉积物有机质特征及其与富营养化的关系[A];第三届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2009年
9 张晓晶;李畅游;李卫平;史小红;;基于BP神经网络的乌梁素海水质模型研究[A];第三届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2009年
10 段晓男;王效科;欧阳志云;;乌梁素海湿地生态系统服务功能及价值评估[A];生态学与全面·协调·可持续发展——中国生态学会第七届全国会员代表大会论文摘要荟萃[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;抢救乌梁素海在行动[N];人民政协报;2011年
2 记者 周文廷 通讯员 闫有让;武银星深入乌梁素海部署分凌工作[N];巴彦淖尔日报(汉);2011年
3 通讯员 韩二牛 常玮;我市实施三大工程综合治理乌梁素海[N];巴彦淖尔日报(汉);2008年
4 记者 汝凤军 通讯员 白杰;乌梁素海生态环境初步改善[N];中国气象报;2009年
5 本报记者 苏冠群 通讯员 何军;让乌梁素海的水更清亮[N];中国水利报;2009年
6 辛平;内蒙古乌梁素海黄藻全部消退[N];中国改革报;2009年
7 辛平;内蒙古乌梁素海黄藻已全部消退[N];西部时报;2009年
8 记者 陈荣;市政府与中咨公司就乌梁素海综合治理规划进行座谈[N];巴彦淖尔日报(汉);2010年
9 白敬 张丽红;乌梁素海,野生候鸟的乐园[N];内蒙古日报(汉);2010年
10 通讯员 王鹏;瑞典挪威专家为乌梁素海治理献策[N];巴彦淖尔日报(汉);2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 姜忠峰;乌梁素海综合需水分析及生态系统健康评价[D];内蒙古农业大学;2011年
2 赵胜男;乌梁素海重金属环境地球化学特征及其存在形态数值模拟分析[D];内蒙古农业大学;2013年
3 赵锁志;内蒙古乌梁素海湖水及底泥营养元素和重金属污染及其环境效应研究[D];中国地质大学(北京);2013年
4 刘旭;乌梁素海底泥农田利用可行性分析及其环境风险评价[D];内蒙古农业大学;2013年
5 曹杨;基于Geo-CA乌梁素海挺水植物时空扩散模拟研究[D];内蒙古农业大学;2010年
6 孙惠民;乌梁素海富营养化及其机制研究[D];内蒙古大学;2006年
7 李卫平;高原典型湖泊营养元素地球化学循环与重金属污染研究[D];内蒙古农业大学;2012年
8 武国正;支持向量机在湖泊富营养化评价及水质预测中的应用研究[D];内蒙古农业大学;2008年
9 史小红;乌梁素海营养元素及其存在形态的数值模拟分析[D];内蒙古农业大学;2007年
10 李兴;内蒙古乌梁素海水质动态数值模拟研究[D];内蒙古农业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵春霞;乌梁素海可培养细菌多样性分析[D];内蒙古农业大学;2010年
2 冯丽红;乌梁素海生态健康评估[D];内蒙古大学;2011年
3 郝林;大型浅水草型湖库—乌梁素海的生态灾变评估[D];内蒙古大学;2011年
4 罗强;基于遥感数据的乌梁素海水质参数及湿地演化反演研究[D];内蒙古农业大学;2011年
5 金一荻;基于结冷胶培养基的乌梁素海富营养化水体中可培养细菌的多样性分析[D];内蒙古农业大学;2011年
6 周瑜;乌梁素海生态研究站指标体系的构建与健康评价[D];内蒙古科技大学;2012年
7 杨琼;乌梁素海夏季和秋季浮游植物群落及其与水质关系研究[D];内蒙古大学;2013年
8 宋君;乌梁素海湿地水质污染特征及水体自净能力探讨[D];内蒙古农业大学;2010年
9 李殿龙;乌梁素海水文—植被特征研究[D];内蒙古大学;2011年
10 崔凤丽;乌梁素海沉积物—水界面间磷的赋存形态分析及释放规律研究[D];内蒙古农业大学;2013年
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