太湖梅梁湾水环境评价预测.doc

.页眉. .页脚. 太湖梅梁湾水环境的评价与预测摘要太湖是我原的核心部位, 是太湖水系中重要的饮用水源地, 兼具有航运、养殖、灌溉、防洪和旅游等多种功能。近年来, 太湖周边地区在其经济快速发展过程的同时向水域环境排放大量的污染物, 致使太湖水系水质的污染、富营养化问题突出。本文对太湖梅梁湾水环境进行评价与预测。问题一中,以曲线拟合法探讨太湖梅梁湾 2008-2010 年叶绿素 a 与温度、 NH4-N 之间的关系,得出的表达式符合实验结果; 问题二中, 基于突变理论, 运用尖点模型对太湖梅梁湾蓝藻爆发进行判别,形成对太湖水环境的评价; 问题三中,构建湖泊水质均匀模型,对总磷( TP ) 、总氮( TN ) 和高锰酸盐指数( COD Mn )进行预测,经过计算, 2008-2010 年三项指标误差相对较小,是较为准确的模型。关键词曲线拟合法;突变理论;尖点模型;水质均匀模型。.页眉. .页脚. 问题重述、分析 1、分析监测指标之间各种可能的潜在关系, 并给出适当的模型。监测指标分为基本理化性质及营养元素、卫生指标、有毒有害物质及重金属。因为叶绿素 a 含量是浮游植物现存量的指标, 而蓝藻又是主要的研究物质,所以针对问题一,本文研究叶绿素 a 与温度、 NH4-N 的关系。 2、基于你的分析, 提出影响太湖环境的主要指标(1 个或多个), 并就此指标集建立太湖环境质量评价指标体系。对于太湖水环境,目前仍然是关于蓝藻爆发的问题尤为突出,那么如何建立蓝藻爆发的判别条件将是亟待解决的问题。 3. 建立一个或数个指标的数学模型,利用实测数据估计参数, 并就此结果对相应的指标进行预测。针对题二提出的主要指标建立数学模型, 进行预测之后再判别是否达到蓝藻爆发的条件,从而形成全面的评价预测体系。模型假设和符号说明对于模型假设和符号说明, 将在每个模型中说明清楚, 避免重复, 这里就不详细说明。.页眉. .页脚. 模型的建立与求解(一) 1 、叶绿素 a 与温度的变化关系分析与假设:( 1 )假设叶绿素 a 含量代表蓝藻现存量的指标,忽略其他浮游植物; ( 2 )由于叶绿素 a 含量的变化是有许多因素造成的,但为了研究叶绿素 a 与温度的关系, 可以将温度作为首要因素, 并且假设其他的因素处于蓝藻不会爆发的安全范围之内, 相比于温度的变化, 其他因素的变化处在较小的范围之内,温度是主要影响因素。 A 温度小于 20 摄氏度图( 1) 模型求解:大致的做出温度小于 20 摄氏度时的散点图,拟合得到一个三次方程, 对其求导, 可以得到两个极点 和 , 见上图( 1) .页眉. .页脚. 结果分析:对方程求导数后,可以得到两个极点,在 x=8 时,取得极大值,叶绿素含量最大,在 x=14 时,取得极小值,叶绿素含量最少。可以看出,当温度的范围在 5到 10 摄氏度时候,叶绿素的含量上升,因为在刚进入春夏时节,蓝藻的孢子得到了适宜的生长条件,开始复苏成蓝藻,在温度为 8 摄氏度时,形成极大值点。由于底泥蓝藻的最佳复苏温度为 18到 20 摄氏度, 高于非蓝藻藻类的复苏温度( 约为 14到 18 摄氏度)(见【1】), 所以当温度升到 15 摄氏度时, 蓝藻不是优势种,底泥蓝藻复苏及其生长受到抑制,导致叶绿素含量会在 14 摄氏度时候略有下降,形成一个极小值点。在水体温度达到 14 摄氏度时, 开始少量进入水体中, 在环境温度升到 18到 20 摄氏度时候, 蓝藻大量进入水体中, 成为蓝藻爆发形成水华的种源。温度越高,对于蓝藻的生长有利。 B 温度大于 20 摄氏度图( 2) .页眉. .页脚. 模型求解: 大致做出温度与叶绿素的散点图, 用一条 6 次得曲线拟合,得到温度大于 20 摄氏度时,温度与叶绿素的变化关系,然后对变量 x 求导,并且求最值,可以得到在 x= 摄氏度时候取得最大值,见图( 2) 结果分析:在温度到达 20 摄氏度时候,底泥蓝藻已经大量进入水体之中, 成为种源, 随着温度的升高, 蓝藻的生长与温度成正相关关系。从曲线可以看出, 当温度在 25到 30 摄氏度之间, 叶绿素的含量远高于正常水平, 形成最大值点, 表明此时蓝藻的含量过高, 可能会引发水华的现象。这是因为温度在 25到 30 之间是蓝藻的最适宜生长温度,蓝藻通过细胞分裂迅速增长,在温度为 28 摄氏度左右时达到顶峰。当温度到达 28 摄氏度时,蓝藻很有可能已经爆发,物种间的竞争压力加剧, 再加上人工的治理, 情况会有所缓和, 叶绿素含量会有所下降。 C 叶绿素 a 与温度的总体关系(散点图) .页眉. .页脚. 图( 3) 结果分析: 从图中可以看出, 当温度大于 5 摄氏度时, 蓝藻开始生长,在温度达到 20到