基于元胞自動機(jī)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(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南昆明 650500；2.云南省大理州洱海流域保護(hù)局，云南大理 671000)

基于元胞自動機(jī)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(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南昆明 650500；2.云南省大理州洱海流域保護(hù)局，云南大理 671000)

摘要[目的]探討基于元胞自動機(jī)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(jù)入湖河流的徑流量和入湖口的地理位置，進(jìn)行聚類分析，構(gòu)建入湖河流模型；基于元胞自動機(jī)模型構(gòu)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(jié)果]春末到秋初，對洱海水體TN、TP的凈化能力較強(qiáng)；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(jié)論]元胞自動機(jī)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(zhì)改善、水資源保護(hù)和利用具有積極作用。

關(guān)鍵詞元胞自動機(jī)；洱海；凈化能力

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)、社會的快速發(fā)展，我國湖泊水資源污染加劇，湖泊水質(zhì)及自凈能力嚴(yán)重下降，呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊數(shù)量及面積呈逐年遞增的趨勢。隨著洱海流域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污染負(fù)荷不斷增加，洱海入湖水質(zhì)及水量有所下降[1]，但由于洱海湖濱工程的不斷建設(shè)和完善，洱海水體凈化能力有所提高，目前，洱海整體水質(zhì)總體處于Ⅱ～Ⅲ類[(GB3838—2002)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》] 水平。水體凈化能力是維護(hù)和管理水質(zhì)狀況的重要依據(jù)，可以及時了解水質(zhì)演變趨勢，從而發(fā)現(xiàn)水質(zhì)惡化原因，并制訂相應(yīng)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(hù)及洱海流域的生物多樣性保護(hù)具有重要意義。目前，國內(nèi)外對水體凈化進(jìn)行了一些研究，主要集中于污染水體的凈化技術(shù)。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(jìn)行了研究；王沛芳等[3]針對湖蕩濕地對水體中總磷、總?cè)芙饬?、顆粒磷以及正磷酸鹽的截留凈化作用和影響因子進(jìn)行了分析；Skinner等[4]、高陽俊等[5]研究了生態(tài)浮床技術(shù)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(shù)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(zhì)、氣候、植被等自然因素及人類生產(chǎn)、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(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。因此，筆者以元胞自動機(jī)模型為框架構(gòu)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(tài)保護(hù)及政治決策提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)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(dá)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(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水的主要水源，同時也是大理“風(fēng)花雪月”四景之一“洱海月”的所在地。洱海是典型的內(nèi)陸斷陷湖泊，屬于瀾滄江水系，且屬于國家重點保護(hù)水域之一。

洱海的水質(zhì)污染物主要來源于城鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水、農(nóng)用化肥農(nóng)藥及水土流失。洱海周邊的污染物主要經(jīng)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(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)來源于2013年3月至2014年2月大理白族自治州環(huán)境監(jiān)測站點的水質(zhì)實測數(shù)據(jù)，所轄范圍內(nèi)的洱海水質(zhì)監(jiān)測站點主要設(shè)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(shù)據(jù)的影響，在引用數(shù)據(jù)之前對數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)上，筆者提出了基于元胞自動機(jī)模型的洱海水體凈化能力研究，步驟見下：①根據(jù)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(jìn)行聚類分析，并將聚類分析結(jié)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(wǎng)格，將每1個網(wǎng)格視為元胞自動機(jī)模型的中元胞；③確定元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)則，即采用三維摩爾型鄰居模型，并考慮風(fēng)速、風(fēng)向因素的影響，確定元胞內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)(TN、TP)下一個狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jī)模型，模擬入湖河流的水體進(jìn)入洱海后，其所攜帶的污染物在洱海水體內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)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(dāng)前實測數(shù)據(jù)中洱海水體水質(zhì)指標(biāo)(TN、TP)含量之間的差值。

1.3.2模型構(gòu)建。①將所構(gòu)建的入湖河流模型視為點污染源；②鑒于洱海是典型的內(nèi)陸斷陷湖泊，不考慮水動力因素對元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)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(gòu)建。洱海的水源補(bǔ)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(jìn)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(jī)的洱海水體演化模型構(gòu)建。元胞自動機(jī)模型(CellularAutomationModel，CA)是一種時間、空間、狀態(tài)離散，空間相互作用和時間因果關(guān)系為局部的網(wǎng)格動力學(xué)模型[11]，具有模擬離散動力系統(tǒng)內(nèi)部單元之間因強(qiáng)烈的非線性作用而導(dǎo)致系統(tǒng)自組織演化過程的能力，其主要特點是時空離散化及規(guī)則的局部性[12]。元胞自動機(jī)模型通過簡單的局部轉(zhuǎn)換規(guī)則模擬出復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。元胞之間相互離散，任一時刻元胞只為一種狀態(tài)，且元胞的狀態(tài)為有限集合；元胞狀態(tài)的改變與元胞的鄰居及規(guī)則有關(guān)。

(1)

式中,M為各項水質(zhì)指標(biāo)含量；q為污染物類別；m為靜態(tài)擴(kuò)散系數(shù)?？紤]到元胞內(nèi)污染物的流出量不能大于元胞內(nèi)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(fēng)漂移因子，其與風(fēng)速、水面寬度成正比，與水深成反比；θ為風(fēng)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(fēng)速；δ=B/h,為寬深比；β=0.03,為經(jīng)驗常數(shù)。

(4)

1.4技術(shù)實現(xiàn)

(1)運(yùn)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(jìn)行聚類分析，并將聚類分析結(jié)果作為入湖河流模型(圖2、3)。

圖3　聚類分析結(jié)果Fig.3　Results of cluster analysis

(2)通過在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上查閱洱海所在區(qū)域上方10m風(fēng)場的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)，并將其作為影響因素納入元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則的計算。

(3)基于Matlab軟件平臺，編程實現(xiàn)元胞自動機(jī)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(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散演化。

2結(jié)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(qiáng)，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(qiáng)，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(dá)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(xiàn)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(wěn)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(guān)。夏、秋季節(jié)，洱海水體TN、TP凈化能力較強(qiáng)，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(jié)，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(jié)，降雨頻繁，在雨水的沖刷下洱海周邊農(nóng)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(qiáng)，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(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為減緩，農(nóng)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(jié)論

該研究基于元胞自動機(jī)模型對洱海水體TN、TP的凈化能力進(jìn)行模擬研究，結(jié)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(zhì)改善、水資源保護(hù)和利用具有積極作用，具體表現(xiàn)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(qiáng)；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(zhì)凈化、控制效果明顯，對洱海水體的外源污染具有屏障作用。

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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(dǎo)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(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)12-071-04