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近年来,我国湖泊—流域生态系统的环境问题突出,导致湖泊蓝藻水华频繁暴发,严重破坏了湖泊的水环境、水生态与水资源。准确地预测蓝藻水华发生的位置与规模可以帮助湖泊管理部门采取应对措施,减轻蓝藻水华对湖泊生态系统的危害。现有建模方法应用于湖泊—流域生态系统模拟时,仍存在模型兼容性与可扩展性差、动态空间数据的可视化能力不足、模型校正与数据同化能力有限等问题,建模效率不高。
本研究提出了适用于湖泊—流域系统动态空间模拟的方法框架,基于这一框架构建了短时间尺度的太湖藻类动态空间模型,开发了太湖蓝藻水华预测预警系统,预报藻类生物量空间分布的动态变化过程,模拟结果是定量评价蓝藻水华暴发程度的重要依据,对蓝藻水华预测预警有重要意义。
本研究包括以下几方面内容:
(1)分析了动态空间环境模拟的基本概念、假设条件、建模要素、数据类型与运算等理论基础,进而提出适用于湖泊—流域动态空间模拟的流程与方法框架,为模型构建提供基础函数与数学方法等方面的支持。
(2)构建了太湖准三维水动力模型、藻类输移模型与藻类生物过程模型一体的太湖藻类动态空间模型;通过敏感性分析确定了模型的敏感参数(藻类生长率参数、温度参数与藻类吸收磷的参数);基于2008年的实测数据校正模型,获取模型的最优参数集;利用2008-2009年的实测数据验证模型拟合度,分析2008年5月26-29日藻类生物量空间分布的动态变化过程,验证结果表明太湖藻类动态空间模型能够有效地预测太湖藻类生物量空间分布的短期动态变化过程。
(3)讨论了模型在结构、输入数据、参数方面的特征与不确定性因素。模型重点关注太湖藻类的水平输移,简化对藻类生物量短时间变化影响较小的过程,忽略模型参数的时空变化过程。模型的合理概化减少了输入数据量,提高了模型的实用性。
(4)构建基于Python编程语言及其函数库的模型集成环境,集成太湖藻类动态空间模型的子模块,开发模型的运行平台——太湖蓝藻水华预测预警系统,解决了子模型时间与空间尺度的耦合、模型集成、模型与数据可视化三个关键问题,实现用户与模型、数据的良好交互,提高了空间动态分析能力。
(5)结合太湖藻类动态空间模拟的应用案例,分析动态空间环境模拟方法在具体应用中有待进一步深入与完善的内容:理论与方法、数据获取与模型改进,促进动态空间环境模拟方法框架在其它领域的应用,完善动态空间环境模拟的理论与方法。