基于元胞自動機模型的洱海水體TN·TP凈化模擬

高 杰， 趙繼東， 杜慶治， 龍 華*

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明 650500；2.云南省大理州洱海流域保護局，云南大理 671000)

基于元胞自動機模型的洱海水體TN·TP凈化模擬

高 杰1， 趙繼東2， 杜慶治1， 龍 華1*

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明 650500；2.云南省大理州洱海流域保護局，云南大理 671000)

摘要[目的]探討基于元胞自動機模型模擬洱海水體演化的可行性。[方法]以洱海水體為例，根據入湖河流的徑流量和入湖口的地理位置，進行聚類分析，構建入湖河流模型；基于元胞自動機模型構建洱海水體的演化模型，模擬對洱海水體TN、TP的凈化能力。[結果]春末到秋初，對洱海水體TN、TP的凈化能力較強；秋末到春初，對洱海水體TN、TP的凈化能力較弱；對洱海水體TN、TP的全年凈化總量分別為1 158.76、287.73 t，凈化效率分別為79.94%和93.63%。[結論]元胞自動機模型對洱海水體TN、TP的凈化效果良好，且對洱海自身的水質改善、水資源保護和利用具有積極作用。

關鍵詞元胞自動機；洱海；凈化能力

近年來，隨著經濟、社會的快速發展，我國湖泊水資源污染加劇，湖泊水質及自凈能力嚴重下降，呈現富營養化狀態的湖泊數量及面積呈逐年遞增的趨勢。隨著洱海流域社會經濟的發展，污染負荷不斷增加，洱海入湖水質及水量有所下降[1]，但由于洱海湖濱工程的不斷建設和完善，洱海水體凈化能力有所提高，目前，洱海整體水質總體處于Ⅱ～Ⅲ類[(GB3838—2002)《地表水環境質量標準》] 水平。水體凈化能力是維護和管理水質狀況的重要依據，可以及時了解水質演變趨勢，從而發現水質惡化原因，并制訂相應的治理措施。因此，研究洱海的水體凈化能力，對洱海水資源保護及洱海流域的生物多樣性保護具有重要意義。目前，國內外對水體凈化進行了一些研究，主要集中于污染水體的凈化技術。潘繼征等[2]采用人工增氧的方式對人工濕地的污染凈化效果進行了研究；王沛芳等[3]針對湖蕩濕地對水體中總磷、總溶解磷、顆粒磷以及正磷酸鹽的截留凈化作用和影響因子進行了分析；Skinner等[4]、高陽俊等[5]研究了生態浮床技術的凈化效果；郭蕭等[6]以梯級河灘濕地對賈魯河水的凈化效果為例，研究了緩沖帶技術的凈化效果。在污染水體的凈化過程中，水體的凈化效果受地形、地質、氣候、植被等自然因素及人類生產、生活等人為因素多層次和多尺度的綜合影響[7]，涉及時間、空間及相關狀態的轉變。因此，筆者以元胞自動機模型為框架構建了洱海水體演化模型，綜合考慮物理沉降、生物降解吸收等水體凈化影響因子，模擬了該模型對洱海水體TN、TP的凈化能力，旨在為洱海的生態保護及政治決策提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況洱海，位于云南省大理白族自治州，是云南省第二大高原淡水湖泊，地處100°05′～ 100°17′E，25°35′～25°58′N。洱海形似耳狀，略呈狹長形，其北起洱源縣，南北長42.58km，東西最寬9.0km，湖面面積256.5km2，流域面積2 565.0km2，平均湖深約10m，最大湖深達20m，蓄水量為28億m3。洱海地跨大理市和洱源縣，是沿湖居民生活、農業灌溉、工業用水的主要水源，同時也是大理“風花雪月”四景之一“洱海月”的所在地。洱海是典型的內陸斷陷湖泊，屬于瀾滄江水系，且屬于國家重點保護水域之一。

洱海的水質污染物主要來源于城鎮農村生活污水、農用化肥農藥及水土流失。洱海周邊的污染物主要經由排污口及降水形成的地表徑流匯入入湖河流，并通過入湖河流將污染物注入洱海[8]。洱海的入湖河流主要包括洱海北部的彌苴河、羅時江、永安江，洱海西部的蒼山十八溪，洱海南部的波羅江及洱海東部的鳳尾河。洱海的出湖河流為洱海西南部的西洱河和洱海南部的引洱入賓隧洞[9]。

1.2數據來源數據來源于2013年3月至2014年2月大理白族自治州環境監測站點的水質實測數據，所轄范圍內的洱海水質監測站點主要設置在洱海各入湖河流的入湖口、洱海南部、中部及北部。為了有效消除異常數據的影響，在引用數據之前對數據進行了中值濾波處理。

1.3研究方法

1.3.1研究思路。在前人的研究基礎上，筆者提出了基于元胞自動機模型的洱海水體凈化能力研究，步驟見下：①根據入湖河流的年徑流量及入湖河流入湖口的位置，對洱海的入湖河流進行聚類分析，并將聚類分析結果作為該研究的入湖河流模型；②針對洱海水體，將洱海抽象成1個40km×7km×4km的長方體；并將該長方體劃分成1 120個1km×1km×1km的三維網格，將每1個網格視為元胞自動機模型的中元胞；③確定元胞狀態的轉化規則，即采用三維摩爾型鄰居模型，并考慮風速、風向因素的影響，確定元胞內水質指標(TN、TP)下一個狀態轉化的計算公式；④模擬洱海水體演化過程，即基于元胞自動機模型，模擬入湖河流的水體進入洱海后，其所攜帶的污染物在洱海水體內部進行擴散演化的過程；⑤計算洱海水體的凈化能力，即計算模擬仿真與當前實測數據中洱海水體水質指標(TN、TP)含量之間的差值。

1.3.2模型構建。①將所構建的入湖河流模型視為點污染源；②鑒于洱海是典型的內陸斷陷湖泊，不考慮水動力因素對元胞狀態轉化的影響；③鑒于洱海深層次的水體之間交互比較慢，只考慮距離水面4m以下的水體。

1.3.2.1基于聚類分析的入湖河流模型構建。洱海的水源補給主要依賴于入湖河流，目前洱海的入湖河流為117條。在這諸多河流中，洱海北部為洱海提供主要來水的河流是彌苴河、羅時江、永安江，分別占入湖總量的48.50%、8.00%、7.60%；洱海西部為洱海提供主要來水量的河流是蒼山十八溪，占入湖總量的27.20%；洱海南部為洱海提供主要來水量的河流是波羅江，占入湖總量的7.00%；洱海東部為洱海提供主要來水量的河流是鳳尾河，占入湖總量的0.74%[10](圖1)。筆者通過對以上23條河流的徑流量及入湖口的地理位置進行聚類分析，建立入湖河流模型。

圖1　洱海23個入湖河流入湖口位置示意Fig.1　Lake inlet position of 23 inflowing rivers

1.3.2.2基于元胞自動機的洱海水體演化模型構建。元胞自動機模型(CellularAutomationModel，CA)是一種時間、空間、狀態離散，空間相互作用和時間因果關系為局部的網格動力學模型[11]，具有模擬離散動力系統內部單元之間因強烈的非線性作用而導致系統自組織演化過程的能力，其主要特點是時空離散化及規則的局部性[12]。元胞自動機模型通過簡單的局部轉換規則模擬出復雜的空間結構。元胞之間相互離散，任一時刻元胞只為一種狀態，且元胞的狀態為有限集合；元胞狀態的改變與元胞的鄰居及規則有關。

(1)

式中,M為各項水質指標含量；q為污染物類別；m為靜態擴散系數。考慮到元胞內污染物的流出量不能大于元胞內污染物總量，因此由式(1)可得，m需滿足m≤0.038 5；通過試驗得出m=0.036 0，可得最佳模擬效果。

圖2　入湖河流模型Fig.2　Model of 23 inflowing rivers

WI,J,K=αI,J,Kcosθ

(2)

式中,αI,J,K為風漂移因子，其與風速、水面寬度成正比，與水深成反比；θ為風向與遷移方向之間的夾角。β取值常采用式(3)、(4)[14]：

αI,J,K=β2v2δ

(3)

式中,v為距離水面上方10m的風速；δ=B/h,為寬深比；β=0.03,為經驗常數。

(4)

1.4技術實現

(1)運用SPSS20軟件，對洱海23條主要入湖河流的徑流量及入湖河流入湖口的地理位置進行聚類分析，并將聚類分析結果作為入湖河流模型(圖2、3)。

圖3　聚類分析結果Fig.3　Results of cluster analysis

(2)通過在中國氣象數據網上查閱洱海所在區域上方10m風場的風向、風速數據，并將其作為影響因素納入元胞轉化規則的計算。

(3)基于Matlab軟件平臺，編程實現元胞自動機模型，并將入湖河流作為點污染源，模擬入湖河流所攜帶的污染物在注入洱海水體后，在洱海水體內部進行擴散演化。

2結果與分析

從圖4可以看出，夏季洱海水體TN、TP凈化能力較強，平均分別為0.185、0.049mg/L，這是由于夏季至秋初，氣溫偏高，洱海湖濱濕地的植物生長旺盛，自身吸收及向水中輸氧能力都較強，且洱海水體中的動物、微生物活性較高；秋季洱海水體對TN、TP凈化能力減弱，平均分別為0.089、0.041mg/L，這是由于秋末以后，氣溫降低，植物生長停滯，且動物、微生物活性降低；冬季洱海水體對TN、TP凈化能力降至最低，平均分別為0.026、0.005mg/L，這是由于入冬以后，氣溫降至最低，植物開始衰敗，且微生物活性降至最低；春季對洱海水體TN、TP凈化能力較冬季有所提高，平均分別為0.050、0.010mg/L，這是由于春季氣溫升高，植物開始生長。

春末夏初，隨著雨季來臨，入湖TN、TP總量逐漸增加，洱海水體的TN、TP含量逐漸升高，8月份達到最大值，分別為0.534、0.033mg/L；入秋以后，降雨量減少，入湖TN、TP總量呈現遞減趨勢，洱海水體的凈化效率有所提升，因此，洱海水體的TN、TP含量開始降低；入冬到春初，洱海水體的TN、TP含量相對比較穩定，平均分別為0.477、0.018mg/L。

由表1可知，洱海水體TN、TP的凈化總量與洱海水體TN、TP的凈化能力呈正相關。夏、秋季節，洱海水體TN、TP凈化能力較強，因此，洱海水體TN、TP的凈化總量較多，分別為621.94、165.09t和300.05和72.24t；冬、春季節，洱海水體TN、TP凈化能力減弱，因此，洱海水體TN、TP的凈化總量偏少，分別為70.34、17.36t和166.43、33.04t。

圖4　洱海水體TN、TP的凈化效果Fig.4　Purifying effects of TP and TN in Erhai water body

春末至秋初季節，降雨頻繁，在雨水的沖刷下洱海周邊農田中的TN、TP等污染物很容易通過地表徑流注入到入湖河流并匯入洱海，又由于此時正是大理的旅游旺季，生活污水排出增多，因此，入湖TN、TP總量占全年入湖總量的80.90%、82.90%；該階段，洱海水體的凈化能力較強，凈化總量占全年凈化總量的76.50%、81.70%。秋末到春初屬于大理的旱季，降雨量明顯減小，入湖河流流量減少且農業生產行為減緩，農田污染物流失量減少，因此，入湖的TN、TP總量占全年入湖總量的19.10%、17.10%；該階段，洱海水體的凈化能力較弱，凈化的總量占全年凈化總量的23.50%、18.30%。

表1　洱海水體入湖總量和凈化總量

3結論

該研究基于元胞自動機模型對洱海水體TN、TP的凈化能力進行模擬研究，結果表明：洱海水體TN、TP的凈化效果良好，且對洱海自身的水質改善、水資源保護和利用具有積極作用，具體表現為：①對洱海水體入湖河流所攜帶的TN、TP具有良好的凈化能力。春末到秋初，對洱海水體TN、TP的凈化能力較強；秋末到春初，對洱海水體TN、TP的凈化能力較弱。②對洱海水體入湖河流所攜帶的TN、TP具有良好的凈化效果。對TN、TP的全年凈化總量分別為1 158.76、287.73t，凈化效率分別為79.94%和93.63%；③洱海水質凈化、控制效果明顯，對洱海水體的外源污染具有屏障作用。

參考文獻

[1] 衛志宏，楊振祥，呂興菊，等.洱海動態水環境容量模擬研究[J].生態科學，2013,32(3)：282-289.

[2] 潘繼征，李文朝，李海英，等.人工增氧型復合濕地污染物凈化效果[J].生態與農村環境學報，2010，26(5)：482-486.

[3] 王沛芳，胡斌，王超，等.湖蕩濕地對輸水河道磷的截留凈化作用[J].水資源保護，2013，29(1)：665-673．

[4]SKINNERK,WRIGHTN,PORTER-GOFFE.Mercuryuptakeandaccumulationbyfourspeciesofaquaticplants[J].Environmentalpollution，2007，145(1)：234-237.

[5] 高陽俊，阮仁良，孫從軍，等.淀山湖千墩浦河口生態浮床試驗工程凈化效果[J].水資源保護，2011，27(6)：28-31.

[6] 郭蕭，柯凡，趙安娜，等.梯級河灘濕地對賈魯河水的凈化效果研究[J].中國給水排水，2010，26(9)：41-45.

[7] 任澤，楊順益，汪興中，等.洱海流域水質時空變化特征[J].生態與農村環境學報，2011，27(4)：14-20.

[8] 孫偉華，徐長城，嚴谷芬，等.洱海總磷、總氮時空變化規律分析[J].環境科學導刊，2013，32(S1)：46-48.

[9] 衛志宏，唐雄飛，楊振祥，等.洱海主要污染物允許排放總量的控制分配[J].湖泊科學，2013，25(5)：665-673.

[10] 李維斗，鐘益民，徐力進，等.洱海北部“兩江一河”水污染治理調研報告[J].大理學院學報，2014，13(11)：22-27.

[11] 周成虎，孫戰利，謝一春.地理元胞自動機研究[M].北京：科學出版社， 2001.

[12] 馬志濤，譚云亮.巖石破壞演化細觀非均質物理元胞自動機模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(15)：2704-2708.

[13] 王璐，謝能剛，李銳，等.基于元胞自動機的水體污染帶擴散漂移仿真[J].水利學報，2009，40(4)：481-485.

[14] 韓龍喜，周毅，朱黨生.小浪底水庫水環境質量預測模擬研究[J].水資源保護，2002(1)：23-25.

PurifyingCapacityofErhaiWaterBodytoTNandTPBasedonCellularAutomaton

GAOJie1,ZHAOJi-dong2,DUQing-zhi1,LONGHua1*(1.SchoolofAutomationandInformationEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500; 2.DaliErhaiDrainageBasinProtectionBureau,Dali,Yunnan671000)

Abstract[Objective] To research the purifying capacity of Erhai water body to TN and TP, and to discuss the feasibility of simulating Erhai water body evolution based on cellular automata model.[Method] Erhai water body was used as the research material.According to the runoff volume of inflowing rivers and the geographical position of lake inlet, cluster analysis was carried out, so as to establish the model of inflowing rivers.Evolution model of Erhai water body was established based on cellular automata model.Purifying capacity of Erhai water body to TN and TP was researched.[Result] From late spring to early autumn, Erhai water body had relatively strong purifying capacity to TN and TP.From late autumn and early spring, Erhai water body had relatively weak purifying capacity to TN and TP.The total purifying quantities of Erhai water body to TN and TP were 1 158.76 and 287.73 t, respectively.Their purification efficiencies were 79.94% and 93.63%, respectively.[Conclusion] The model has relatively good overall purifying capacity of Erhai water body to TN and TP, and has positive action to the water quality improvement and water resource protection of Erhai.

Key wordsCellular automaton; Erhai; Purification ability

基金項目2014云南省科技廳基金項目(2014RA051)；2013云南省科技廳基金項目(2013FZ010)。

作者簡介高杰(1991- )，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：信息處理。*通訊作者，教授，博士，碩士生導師，從事信息處理研究。

收稿日期2016-03-21

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)12-071-04