辽河干流水力-水生态耦合模型构建与应用

针对现阶段常用河流物理栖息地模型在模拟范围中存在的不足,提出一种集成建模方式,以鲤鱼为目标物种,耦合一维水动力模型及一维栖息地模型构建水力-水生态耦合模型,以辽河干流以福德店、铁岭、马虎山、六间房水文站为代表站,对辽河干流栖息地特征进行模拟。结果表明:在低水段,辽河干流鱼类栖息地可利用面积随着流量的增加而增大,达到一定阈值后(50~150m3/s),随着流量的增加而减少。当流量足够大时,水位漫滩,栖息地可利用面积又随着流量的增加而增大。研究成果可为辽河生态治理提供重要依据。

基于活性污泥机制的垂直复合流人工湿地生态耦合模型建立

根据垂直复合流人工湿地水流运动规律和污染物去除反应机制,基于轴向离散模型及活性污泥Ⅱ号模型中污染物反应动力学方程,考虑植物生长过程因素,建立了垂直复合流人工湿地生态耦合模型。应用中试人工湿地长期运行监测数据对模型进行率定与验证。结果表明,该模型模拟CODMn、NH4+-N去除效果的平均相对误差分别为2.7%、3.7%,模拟CODMn、NH4+-N浓度的平均相对误差值均小于20%,说明该模型对CODMn、NH4+-N的模拟是有效的。

海洋初级生产力的一维物理生态耦合模型

为了更有效研究海洋初级生产力量值,构建物理-生态耦合模型,探讨影响海洋初级生产力的动力及生态因素.通过增加对流和扩散模块、分离营养盐循环体系、改变浮游植物生长速率公式及加入叶绿素计算模块,分别优化Gill-Turner(简称GT)混合层模型与Schmittner(简称S)生态系统模型,进而建立新型物理-生态耦合模型.基于Mathematica二次开发平台对模型进行编程实现,用以模拟大西洋百慕大站和太平洋夏威夷站的海洋初级生产力,优化后耦合模型的模拟结果精度明显提高.模拟结果显示,两大海域初级生产力均具有冬季高夏季低的分布特征,混合层深度与浮游植物浓度是影响初级生产力分布的重要因素.

闽江口近海环境耦合模型及其轻量化框架

受制于数值模拟的复杂性,当前对闽江流域的研究大多将流域和海洋视为独立的两个系统各自开展,且缺少能够快速预报河口环境的技术手段。本研究构建了一个模拟闽江流域-河口的生态-动力耦合模型。模型以流域水文模型提供入海径流,利用Regional Ocean Modeling System(ROMS)模型模拟河口水动力,利用Carbon,Silicate,Nitrogen Ecosystem(CoSiNE)生态模块对闽江口海域的低营养级生态系统过程进行模拟,因而模型能够更好地再现闽江河口生态环境的多时空尺度变化。进而基于模型模拟结果作为学习数据,采用自组织神经网络(SOM)方法结合隐马尔科夫链(HMM)方法,建立了能够用于快速预测叶绿素场的轻量化预测框架。

生态与经济互动关系分析对生态经济耦合评价模型的应用

近几年来,随着社会经济的飞速发展,人们对资源的需求量日益加大,却忽视了对生态环境的保护。过度开发及利用地球资源,最终导致自然资源濒临耗竭,严重破坏了地球生态环境,威胁到人类的生存与发展。因此,实现生态与经济的可持续发展具有重要意义。通过阐述生态与经济的辨证关系与理论,在此基础上分析了耦合评价模型,并将该模型应用于生态与经济互动关系的研究上,最后提出生态与经济可持续发展的建议,以期对今后的研究工作提供参考借鉴。

具有时滞的耦合生态模型的周期解

研究了具有时滞的非自治两斑块n个竞争种群扩散耦合生态模型周期解问题.利用迭合度理论,得到了该模型周期解存在的充分条件,并举例说明了定理的可实现性.

“社会—生态”耦合模型作用模式与评价研究

“美丽中国”建设对促进我国经济高质量发展、生态环境保护与资源利用具有重大意义。本文探究了“社会—生态”耦合模型的作用模式,认为“社会—生态”耦合模型具有系统嵌套性、“冲突—适应”的动态调整性和可持续统一性。并以典型的“社会—生态”耦合模型:成都市大地景观再造工程作为案例分析,提出针对“社会—生态”耦合模型的评价与建议。

生态水文耦合研究进展

在明确生态水文学概念及其发展过程的基础上,重点阐述了生态水文耦合的研究进展,探讨了目前生态水文耦合研究存在的关键性问题,即生态水文研究内容和范围纷繁复杂,尚没有一套完整的理论体系。尺度转化是解决生态水文耦合的关键;生态水文学的机理探索是解决紧密耦合的基础;实现生态水文的紧密耦合是生态水文耦合研究的终极目标。文中还探寻并阐述了解决生态水文耦合模型的切入点,即物理参数传递和树木年轮法等。

桑沟湾水动力特征及其对养殖容量影响的研究——观测与模型

主要介绍了从动力学研究桑沟湾养殖容量的主要思路、方法及结果。研究以精细过程观测为基础,以数值模型为手段,从物理海洋学角度考察养殖海区水动力特征,研究水动力对物质循环的影响、对颗粒态/溶解态营养物质的补充和对养殖生物量的影响,探寻不同养殖模式效果的技术路线;介绍了两个航次设计方案与目的。通过观测发现养殖对水动力垂直结构有很大影响,底层流速最大并滞后表层,发现弱动力条件下海底颗粒物和营养盐无法进入水体上层的事实。据此提出双边界层动力模型,建立一维数值模型进行机制探讨,将养殖阻力三维化建立水动力数值模型,定量给出养殖对水动力和水交换的阻碍;以此驱动三维养殖生态模型,充分考虑养殖对水动力的影响、水动力对生源要素的输运。建立了一个真正的物理-生物过程耦合模型。利用该模型进行的数值模拟和实验表明,贝藻兼养多元养殖是健康、高效养殖的有利措施;桑沟湾在现有养殖模式下,目前已基本达到了它的养殖容量,养殖品种分布不变,减少养殖密度至目前的0.9倍会略微提高产量,降低成本;减少湾口海带养殖密度,会大幅度提高贝藻兼养区的营养盐总量和养殖生物产量,从海带与贝类经济价值对比会有更高的效益。人为提高水动力混合或许是解决湾内营养盐缺乏的途径。

柳堰集水库渔光互补工程对水环境影响的数值模拟研究

针对渔光互补工程对水环境的影响缺乏精准量化研究的问题,构建了适用于柳堰集水库的水动力水质水生态工程耦合数值模型,模拟了2020年8月自然现状和渔光互补工程实施后库区水温、化学需氧量、溶解氧、总磷、总氮、叶绿素a的质量浓度时空分布,并计算了水体富营养化指数。结果表明:渔光互补工程实施后,柳堰集水库的水温、溶解氧和叶绿素a质量浓度分别下降了0~6℃、0~0.02 mg/L和0~0.0005 mg/L,化学需氧量质量浓度上升了0~10 mg/L;总磷、总氮质量浓度变化趋势在光伏板下伏水域和未布设光伏板水域呈现较大差异性,光伏板下伏水域总磷质量浓度升高了0~0.814 mg/L,总氮质量浓度降低了0~0.125 mg/L;各水质指标在渔光互补工程实施前后的差异随时间推移逐渐减小,入汇口水体富营养化程度显著下降,中央库区灌溉取水口水体富营养化指数提高了5.61~16.00。

台湾海峡冬、夏季氮通量的数值模拟研究

本文建立了一个气候态驱动的台湾海峡物理-生态耦合模型(ROMS-NPZD)。与遥感观测数据的比较表明,模型能够较好地模拟出冬、夏季台湾海峡主要的温度和叶绿素分布特征。模型揭示了夏季台湾海峡营养盐输运的东、西通道,与南海次表层水的入侵通道一致;冬季,海峡中的营养盐来源于闽浙沿岸水和通过澎湖水道入侵的南海次表层水。模拟结果表明:夏季,通过海峡流入东海的氮主要为有机氮;冬季,闽浙沿岸流为海峡和南海北部陆架提供了丰富的营养盐,不仅如此,南海次表层水进入海峡的营养盐通量与夏季相当。

夏季南海北部浮游植物对上升流与羽状流的响应

文章建立了基于真实场驱动的三维物理—生态耦合模型,利用模型定量分析了夏季南海北部上升流和羽状流过程对浮游植物生物量空间分布的影响程度及作用机制。首先,利用2006—2008年卫星遥感数据及2006与2008年夏季观测数据对模型进行了验证,结果表明,模型能较好地再现夏季南海北部上升流和羽状流过程,较好地反映出浮游植物的空间分布特征。模拟分析结果显示,夏季南海北部浮游植物主要分布在50m等深线以内。琼州海峡东部海域和汕头海域浮游植物垂向分布较为均匀,上升流的贡献均达到90%以上,表层水平平流输送是浮游植物主要的汇,生物过程是浮游植物的源。珠江口和汕尾海域浮游植物存在表层和次表层两个高值区,羽状流贡献35%～40%,主要促进表层浮游植物生长,而上升流贡献60%～65%,主要促进中底层浮游植物的生长。粤西海域上升流对浮游植物的贡献占92%,主要促进中底层浮游植物生长,而表层浮游植物浓度极低。整体上,夏季南海北部上升流和羽状流主要是通过输送营养盐的方式影响浮游植物的生长。上升流对营养盐的输送作用是向岸方向的爬升输送和平行于等深线的沿岸流输送共同作用的结果。跃层的存在改变了营养盐的垂向输送过程,是导致上升流和羽状流过程对不同水层浮游植物贡献差异的关键因素之一。整体而言,夏季南海北部浮游植物空间分布差异是以上升流、羽状流主导,环流—营养盐—生物过程共同作用的结果。

水库甲藻水华与防治效果数值模拟

基于水库甲藻水华的基本特征,选定涡鞭毛藻类的多甲藻为研究对象,建立了一个模拟水库甲藻水华的水流—水质—生态耦合数学模型。采用1996年和1997年两个不同类型的甲藻水华的实测资料对模型进行了验证计算,验证结果表明模型的再现性良好。此外,采用经过验证的模型对水华防治方案(即各种整流膜设置方案)进行了甲藻水华治理效果的模拟预测与评价。

淀山湖总氮和总磷的时空模拟分布

为了解氮磷在淀山湖的时空分布特征及变化规律,运用ELCOM-CAEDYM耦合模块分析了2008年淀山湖总氮和总磷浓度的时空变异。研究表明:模型较好地模拟了淀山湖上覆水中的总氮、总磷的时空分布,总氮、总磷质量浓度总体变化趋势与实测值相一致。淀山湖春冬季总氮的质量浓度要明显高于夏秋季,3月份是淀山湖总氮质量浓度最高的时候,千墩港是淀山湖总氮质量浓度最高的区域。淀山湖总磷的分布并未表现出季节上的规律性,空间分布整体呈现北高南低的趋势。

Coupling of an Individual-Based Model of Anchovy with Lower Trophic Level and Hydrodynamic Models

Anchovy （Engraulis aponicus）, a small pelagic fish and food of other economic fishes, is a key species in the Yellow Sea ecosystem. Understanding the mechanisms of its recruitment and biomass variation is important for the prediction and management of fishery resources. Coupled with a hydrodynamic model （POM） and a lower trophic level ecosystem model （NEMURO）, an individual-based model of anchovy is developed to study the influence of physical environment on anchovy＇s biomass variation, Seasonal variations of circulation, water temperature and mix-layer depth from POM are used as external forcing for NEMURO and the anchovy model. Biomasses of large zooplankton and predatory zooplankton which anchovy feeds on are output from NEMURO and are controlled by the consumption of anchovy on them. Survival fitness theory related to temperature and food is used to determine the swimming action of anchovy in the model. The simulation results agree well with observations and elucidate the influence of temperature in over-wintering migration and food in feeding migration.