题名结合元胞自动机和数据驱动的太湖蓝藻水华模型
作者张晓晴
学位类别博士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师陈求稳
关键词蓝藻水华 预测模型 小波分析 混合进化算法 元胞自动机cyanobacteria blooms predictive models wavelet analysis hybrid evolutionary algorithm cellular automata
其他题名A Cyanobacteria Bloom Model for Lake Taihu Combining Cellular Automata and Data-Mining Methods
学位专业生态学
中文摘要      湖库富营养化及其导致的藻类水华改变了水体理化特性,破坏了生态系统完整性,威胁人类身体健康,对社会经济造成严重的损失。因此,蓝藻水华的防治一直是湖泊研究的热点。本论文旨在揭示水环境因子对浮游植物种群结构及蓝藻水华的影响,建立水华动力学预测模型,模拟藻类时空动态,提升蓝藻水华应急管理能力。
      论文以太湖、洋河水库和密云水库为研究实例,调查分析了三个湖库水质时空动态变化及浮游植物群落组成特征,采用多元统计典范对应分析揭示了多环境变量与藻类种群结构的定性关系;应用小波相干性方法识别了太湖蓝藻与环境因子的相干关系及滞后效应,并在此基础上,建立了基于单点的预测模型和基于站点聚合的通用预测模型;最后,通过结合元胞自动机模式和遗传编程方法,模拟了太湖蓝藻的时空动态变化。取得的主要成果包括:
      1)初步分析了环境因子与浮游植物种群结构的定性相关关系。通过具有温度梯度和营养盐梯度的三个湖库对比分析,揭示了温度和营养盐浓度对藻类种群结构演替的作用。典范对应分析表明,pH、水温和营养盐为影响浮游植物种群分布的重要因子。具有相似营养盐水平的太湖和洋河水库,氮为影响蓝藻生长的限制因子;由于太湖的平均水温比洋河水库高  3~4℃,导致蓝藻数量明显高于洋河水库。对于处于同一气候带的洋河水库和密云水库,由于洋河水库为重度富营养化,而密云水库为中营养化,导致洋河水库的优势种为蓝藻-微囊藻,
密云水库的优势种为硅藻或者绿藻,磷为限制因子。
      2)利用小波相干性方法识别了太湖蓝藻与环境因子之间的相干关系和滞后效应。结果表明,蓝藻与 pH、水温和磷酸盐变化同步,无滞后;蓝藻与透明度、氨氮和硝氮的变化呈反相位,滞后时间分别为 2天、3天和    3天。同时,氮为夏秋季节蓝藻水华的主要驱动因子,尤其在梅梁湾氮为蓝藻生长的限制因子。
      3)采用混合进化算法不仅较好地预测了蓝藻水华的发生,而且可以得到显式的数学表达式。基于单点的混合进化算法预测模型能较好的预测不同湖区蓝藻水华的时间和峰值,r2在   0.62~0.83之间;基于站点聚合的通用混合进化算法预测模型对梅梁湾、竺山湖和西部沿岸区蓝藻数量较高的区域预测结果较好,r2最高为0.77。敏感性分析发现,水温为区分蓝藻生长季节(夏秋)和非生长季节(冬春)的标志;蓝藻生长与硝态氮和氨氮呈负相关关系,与磷酸盐呈正相关关系,氮为蓝藻生长的限制因子。
      4)结合元胞自动机和遗传编程有效地预测蓝藻水华的时空动态。除了蓝藻含量较低的东部湖区以外,模型能较好的预测高含量蓝藻水华的峰值和时间;同时,模型能较好的捕获整个太湖的蓝藻空间动态,从而提升对蓝藻水华空间斑块形成机制的认识以及水华应急管理能力。
英文摘要      The eutrophication and cyanobacteria  blooms produce taste and odor  problems in drinking water supply, damage the ecosystem diversity, threaten the human health,and  cause   serious  economic   losses.  Therefore,   the  prevention   and  control   of cyanobacteria blooms have become the focus of lake studies. This study developed a dynamics  model  to  predict the  cyanobacteria  blooms  based  on  the  responses  of phytoplankton  to  environmental  factors.  Then  an  integrated  model  was  used  to predict  the   spatio-temporal  dynamics  of   cyanobacteria  blooms.  The   developed model can help to improve the capability of cyanobacteria blooms management.
     This  study  selected Lakes  Taihu,  Yanghe  and  Miyun  as case  studies.  Field survey was  conducted to  analyze the  dynamic of  water quality  and phytoplankton composition.  The  method  of  Canonical  correspondence  analysis  was  applied  to determine the  qualitatively relationships between  phytoplankton and environmental factors. Then  the wavelet  coherency analysis  was used  to identify  the correlations and time-lagging responses  of cyanobacteria to environmental factors. Based  on the wavelet  analysis,  site-specific  and  generic  hybrid  evolutionary  algorithm  (HEA)based models  were built to  predict the cyanobacteria  blooms. Finally, this  research developed a spatio-temoral  dynamics model of cyanobacteria blooms  by combining the cellular automata and  genetic programming techniques. The major  contributions of the study are as follows.
      1)The  qualitatively  relationships  between  phytoplankton  and  environmental factors were  obtained. This study  revealed the impacts  of several  key environmental factors  on cyanobacteria  growth in  limnological  data of  three  lakes categorized  by climate  and  trophic  state.  Results clearly  showed  that  pH,  water  temperature  and nutrients  were  the   principle  factors  that   affected  the  phytoplankton  distribution. Nitrogen was the limiting factor  in Lakes Taihu and Yanghe, which locate in  different climate  but  similar  trophic  state.  The  higher  temperature  (3~4℃)  in  Lake  Taihu contributed  to the  higher  abundance of  Microcystis  compared to  Lake  Yanghe. By contrast, Lake  Miyun locates in  different trophic  state but similar  climate with  Lake Yanghe. The Lake Yanghe was in hyper-eutrophication state and  the dominant species was cyanobacteria. The  Lake Miyun was  in mesotrophication state and  the dominant species  was  diatom  or   chlorophyta,  which  was  supported  by   findings  of  PO4-P limitation.
      2)The wavelet analysis was applied to identify the correlations and time-lagging responses  of cyanobacteria  to environmental  factors.  Results revealed  that the  time series between cyanobacteria and pH, water  temperature and phosphate were in phase with no  delay; the time  series between cyanobacteria and  Secchi depth、NH4-N  and NO3-N  were  out  of  phase  with  a  short  lag  times of   2 days,  3  days  and  3  days respectively.  Nitrogen were  also  identified  as key  driving  forces  for cyanobacteria growth in summer and autumn because of seasonal N-limitation in the Meiliang Bay.
      3)The HEA  model could  not only  well predict  the outbreak  of cyanobacteria blooms,  but also  present  an explicit  function  to describe  the  influence of  different
environmental  factors  on  the  growth  of  cyanobacteria.  The  resulting  site-specific models  well   matched  the  timing   and  magnitude   of  the  observed   cyanobacteria dynamics for  all  areas, which  was reflected  by coefficients  of determination  (r2 )  of 0.62~0.83.  The  generic  model  achieved  good  predictive  results  in  Meiliang  Bay,
Zhushan Bay and Western  Lake with high cyanobacteria population,  with the highest
r2 value  of  0.77.  The sensitivity  analyses  revealed  the  water  temperature  was the
threshold to  distinguish between the  slow growing  season (winter to  spring) and the fast  growing season  (summer  to  autumn) of  cyanobacteria.  The  cyanobacteria had inhibitory  relationships  with   nitrate  and  excitatory   relationships  with  phosphate, which suggested N-limitation of the lake existed in summer and autumn.
      4)  The  spatio-temporal   dynamics   model   of   cyanobacteria   blooms   was successfully  developed by  integrating cellular  automata  and genetic  programming techniques.  The model  well predicted  the  magnitude and  timing  of cyanobacteria  blooms for  all  areas except  the eastern  lake  with lower  cyanobacteria population. Simultaneously, the model could well capture the spatial dynamics of cyanobacteria, intitively   enhance  our   cognition   on   space   plaque   formation  mechanism   of cyanobacteria blooms  and help  to improve  the capability  of cyanobacteria  blooms management.
公开日期2015-07-08
内容类型学位论文
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/15701]  
专题生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
张晓晴. 结合元胞自动机和数据驱动的太湖蓝藻水华模型[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.
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