城市湖库蓝藻水华形成机理

城市湖库蓝藻水华形成机理

王小艺;唐丽娜;刘载文;崔莉凤;许继平;赵晓平

【摘要】The treatment and prevention of water bloom play a significant role in efficiently controlling water pollution, and the key to solve this problem is to understand formation mechanism of water bloom. Based on a further analysis for the formation process of cyanobacteria bloom in urban lake reservoir, and the whole process is simulated in laboratory, orthogonal experiment and rough set theory are combined to get key factors (DO, TP, TN, temperature and illumination) that can impact formation of cyanobacteria bloom and used as input parameters in establishment of mechanism model for the formation of cyanobacteria bloom in urban lake reservoir. Chlorophyll a is adopted as a characterization index for the formation of cyanobacteria bloom, and based on mechanism of interaction, a model of the process applied to describe cyanobacteria bloom formation in urban lake reservoir is structured. Meanwhile, the parameters involved in this model, such as Gmax, I, () , K, Kab, Dmax, mp, can be estimated and nonlinearly optimized by improved PSO (particle swarm optimization), which can highly enhance the model applicability and validation. The method provides an efficient approach for further study on formation mechanism of cyanobacteria bloom.%水华防治是水环境污染治理的重点,而对水华形成机理的深入把握是解决这一问题的关键.在对城市湖库蓝藻水华形成过程深入分析的基础上,通过实验室模拟城市湖库蓝藻水华形成的整个过程,结合正交试验方法和粗糙集理论获取影响城

市湖库蓝藻水华形成的关键因子——溶解氧、温度、光照、氮、磷,作为蓝藻水华形成机理建模的输人参量,以叶绿素a作为城市湖库蓝藻水华形成的表征指标,根据相互之间的作用机制构建了适合于描述城市湖库蓝藻水华形成过程的机理模型,同时通过改进的粒子群优化算法对机理模型中涉及的参数如蓝藻最大生长率、光半饱和常数、光系数、氨氮半饱和常数、溶解氧半饱和系数、蓝藻最大死亡率以及净损失率等进行非线性优化率定,提高了城市湖库蓝藻水华形成机理模型的适用性及有效性,为深入研究蓝藻水华形成机理提供一条有效途径.

【期刊名称】《化工学报》

【年(卷),期】2012(063)005

【总页数】6页(P1492-1497)

【关键词】城市湖库蓝藻水华;形成机理;正交试验;粗糙集理论;粒子群算法

【作者】王小艺;唐丽娜;刘载文;崔莉凤;许继平;赵晓平

【作者单位】北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048;北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048;北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048;北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048;北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048;北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048【正文语种】中文

【中图分类】TH873.7

随着全球水体富营养化的加剧，城市湖库水华现象越发普遍，所造成的环境和经济问题已引起人们的广泛关注，水体富营养化由于其危害大，处理难，恢复慢，已被列入全球水污染问题［1］。目前，欧洲、非洲、北美洲和南美洲分别有53%、

28%、48%和41%的湖泊存在不同程度的富营养化现象，而亚太地区有54%的湖泊处于富营养化状态［2］。由于湖库是生活饮用水和工业用水的供给水源，而水体富营养化影响了供水水质并且增加了制水成本，给社会环境与经济带来了极大影响［3］。

从20世纪70年代初期开展富营养化机理研究至今，富营养化机理建模研究取得

了飞速发展，从Vollenweider［4］提出的简单总磷模型，发展到现在包含几十

个生态变量的多种生态动力学模型［5－7］。虽然生态机理建模取得了很大进展，但仍存在很多不足。如Vollenweider提出的简单总磷模型只针对总磷的平均浓度分布建立模型，无法反映大型湖库中总磷的时空差异；单一营养盐模型只把一种营养盐（如磷或氮）视为限制性营养元素，不能模拟水体中两种或多种营养盐含量

相当的情况；生态动力学模型等所涉及的参数众多，各参数之间表现出高度的非线性和不确定性，且模型不具备自校正功能，使得建模相当困难、复杂。目前，国内学者大多是针对典型湖库（如太湖、巢湖水域）的藻类水华形成机理进行研究［8－11］，对于城市内陆湖库的研究很少，限制了藻类水华形成机理模型的适用范围。

由于城市湖库蓝藻水华形成过程存在很多不确定因素，机理模型中参数过少则不能反映水体富营养化过程，而参数过多则很难描述各参数之间的非线性作用机制。因此，针对内陆城市湖库水体特点，通过搭建化工实验室阳光房模拟城市湖库蓝藻水华形成过程，采用正交试验结合粗糙集理论获取影响城市湖库蓝藻水华形成的关键因素，进而根据各关键因素对城市湖库蓝藻水华形成的作用机制，建立蓝藻水华形成机理模型；同时运用改进的粒子群进化算法对机理模型的多参数进行非线性优化率定，以解决传统机理模型中各参数间非线性关系难以描述的问题。

影响城市湖库蓝藻水华形成的因素很多，关键影响因素确定对于蓝藻水华形成机理建模至关重要。城市湖库蓝藻水华形成的模拟实验通过搭建阳光房实验室，最大限