【摘要】：溶解氧是湖泊研究中一個(gè)必不可少的因素,它是維持水體生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡的重要環(huán)境因子,是水體中各種耗氧生物生存所需的必備條件。湖中生物,從魚(yú)類(lèi)到昆蟲(chóng),到微小的浮游動(dòng)物,都需要氧氣來(lái)呼吸。湖泊中的溶解氧濃度水平反映的是大氣富氧與植物光合作用的放氧過(guò)程和生物呼吸作用與生化反應(yīng)的耗氧過(guò)程之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。而溶解氧對(duì)結(jié)冰湖來(lái)說(shuō),顯得更為重要。當(dāng)湖面結(jié)冰后,水體與大氣隔絕,外界的氧氣供應(yīng)受阻,那么冰下水體中就可能會(huì)發(fā)生氧氣耗竭,在缺氧條件下產(chǎn)生負(fù)面的生態(tài)后果,如冬季魚(yú)類(lèi)死亡,底棲生物的損失,并且激活產(chǎn)生危險(xiǎn)化合物的厭氧過(guò)程。冰下生態(tài)環(huán)境的變化將直接影響水體生物生存與繁殖狀況。對(duì)冰下水體生態(tài)環(huán)境的研究,溶解氧無(wú)疑是一個(gè)最為重要,又必不可少的生態(tài)指標(biāo)。本論文以冰封湖泊冰下溶解氧濃度與水溫的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、函數(shù)擬合、小波分析、譜分析等數(shù)學(xué)工具分析了冰下溶解氧濃度的分布變化特征;利用分布參數(shù)系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)與偏微分方程的數(shù)值方法理論,建立了帶初邊值條件的溶解氧微分方程模型,構(gòu)造了帶PDE約束的參數(shù)辨識(shí)模型,結(jié)合半隱差分法構(gòu)造優(yōu)化算法,分別對(duì)冰下溶解氧的垂直交換系數(shù)、溶解氧消耗率的函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)研究,并對(duì)辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行了較為認(rèn)真的分析。本論文的研究?jī)?nèi)容和取得的主要結(jié)果概括如下:1.對(duì)冰下溶解氧的分布變化特征的分析。(1)空間變化特征:分析了冰下溶解氧在空間上的典型變化形態(tài)與垂直方向上出現(xiàn)溶解氧濃度最大值及其形成原因,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和函數(shù)擬合分析了底部無(wú)氧區(qū)的變化規(guī)律。(2)時(shí)間變化特征:用24 h移動(dòng)平均法、Daubechies小波分析法和高斯擬合法三種方法分別分析了冰下溶解氧濃度的趨勢(shì)變化和波動(dòng)變化特征,高斯擬合法得到了溶解氧隨冰封時(shí)間的趨勢(shì)變化函數(shù),有助于預(yù)測(cè)其隨冰封時(shí)間的整體變化規(guī)律;用快速傅里葉變換,由周期圖譜分析方法,分析了冰下不同深度溶解氧的周期變化規(guī)律。這些分析有利于加深對(duì)冰下溶解氧濃度的分布變化特征的理解以及微分方程建模研究。2.對(duì)冰下溶解氧系統(tǒng)的垂直交換系數(shù)的辨識(shí)分析與數(shù)值模擬。針對(duì)冬季冰封湖泊冰下水體中溶解氧變化情況,分層構(gòu)造了描述冰下溶解氧變化的拋物型分布參數(shù)系統(tǒng)。首先,將該系統(tǒng)化為等價(jià)的齊次邊值系統(tǒng),推導(dǎo)出了與之等價(jià)的發(fā)展方程,證明了該系統(tǒng)弱解的存在性與唯一性。其次,以溶解氧垂直交換系數(shù)為辨識(shí)參數(shù),以溶解氧濃度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差平方和為性能指標(biāo),構(gòu)造了 PDE約束的優(yōu)化辨識(shí)模型,證明了辨識(shí)模型最優(yōu)參數(shù)的存在性,并給出了最優(yōu)參數(shù)存在的一階必要條件;最后,針對(duì)該參數(shù)辨識(shí)模型,結(jié)合半隱式差分格式,構(gòu)造了優(yōu)化算法,并依據(jù)冰下溶解氧濃度與水溫的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,辨識(shí)得到了冰下溶解氧的垂直交換系數(shù)的量級(jí)變化范圍以及每層最優(yōu)的垂直交換系數(shù)。研究結(jié)果可與之前一直利用經(jīng)驗(yàn)取值的結(jié)果相互印證,可對(duì)結(jié)冰湖溶解氧垂直交換系數(shù)的取值通過(guò)定量模擬分析提供支持。通過(guò)分析可知,在小型的冰封湖泊中溶解氧垂直交換系數(shù)在其濃度變化過(guò)程中沒(méi)有起到?jīng)Q定性的作用。3.對(duì)冰下溶解氧消耗率表達(dá)式中的函數(shù)參數(shù)的辨識(shí)分析與數(shù)值模擬。分層建立了描述冰下溶解氧變化的非齊次邊值分布參數(shù)系統(tǒng),將其化為等價(jià)的齊次邊值系統(tǒng),證明了該齊次邊值系統(tǒng)弱解的存在唯一性,進(jìn)而得到了非齊次邊值系統(tǒng)弱解的存在唯一性。構(gòu)造了 PDE約束的優(yōu)化辨識(shí)模型,該模型以每層的溶解氧消耗率表達(dá)式中的函數(shù)參數(shù)ai3x3+ai2x2+a1x+ai0為辨識(shí)參數(shù),以溶解氧濃度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差平方和為性能指標(biāo),結(jié)合半隱差分格式構(gòu)造了自適應(yīng)遺傳算法,依據(jù)冰下溶解氧濃度與水溫的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,辨識(shí)得到了每層溶解氧消耗率最優(yōu)的函數(shù)參數(shù),進(jìn)而得到了每層溶解氧消耗率的最優(yōu)函數(shù)表達(dá)式。通過(guò)進(jìn)一步分析辨識(shí)結(jié)果發(fā)現(xiàn),區(qū)間[0,1]上的最優(yōu)函數(shù)參數(shù)基本介于一次函數(shù)x與二次函數(shù)x2之間,因此不需要用高于3次的多項(xiàng)式函數(shù)去辨識(shí)分析。這些結(jié)果對(duì)討論結(jié)冰湖泊冰下溶解氧消耗率的變化起到重要的參考作用。
【圖文】：

逡逑（６）氧躍層（ｏｘｙｃｌｉｎｅ：邋ｄｉｎｏｇｒａｄｅ）逡逑氧躍層，一般是指水體中溶解氧濃度在垂直方向上出現(xiàn)突然變化的水層，從混合層逡逑底部溶解氧濃度開(kāi)始下降的深度一直延伸到溶解氧最小值區(qū)的頂部（溶解氧濃度達(dá)到逡逑最小值是指溶解氧濃度低于０．５邋ｍＬ／Ｌ或最大深度的垂直溶解氧梯度低于－０．９ｎＭｏｌ／（ｋｇ逡逑ｍ），相當(dāng)于－０．０２邋ｍＬ／（Ｌｍ））。其可分為上、下氧躍層：上氧躍層從混合層的底部溶解逡逑氧開(kāi)始下降的深度延伸到溶解氧垂直梯度達(dá)到最小值的深度，下氧躍層從后者水平延伸逡逑到低氧區(qū)的頂部。逡逑（７）湖泊分層現(xiàn)象［１２］逡逑簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，湖泊在出現(xiàn)分層后，水體被分離成上、中、下三個(gè)不同的熱層。湖上層逡逑或湖表層，稱(chēng)為變溫層（ｅｐｉｌｉｍｎｉｏｎ），受到光照升溫以及風(fēng)力混合作用的影響最大。逡逑中間層，稱(chēng)為溫躍層（ｔｈｅｒｍｏｃｌｉｎｅ）或斜溫層（ｍｅｔａｌｉｍｎｉｏｎ），是一個(gè)過(guò)渡區(qū)，不但會(huì)逡逑有溫度梯度，而且在分層作用明顯的湖泊還會(huì)有很大的密度梯度，并由此抵制混合作用逡逑的擾動(dòng)力［１３］。湖下層或深水層，稱(chēng)為均溫層（ｈｙｐｏｌｉｍｎｉｏｎ），收到光照最少，不與湖上逡逑層混合。逡逑

Ｖａｌｋｅａ－Ｋｏｔｉｎｅｎ湖（６１°１４＇Ｎ，２５°０３＇Ｅ）位于芬蘭南部地區(qū)，東西寬度約ｌ00ｍ，南逡逑北長(zhǎng)度約４００邋ｍ，湖泊面積約４２邋０００邋ｍ２，儲(chǔ)水量約１０３邋０００邋ｍ３，平均深度約３．０邋ｍ，最逡逑大深度６．０邋ｍ左右，是一個(gè)季節(jié)性冰封湖［１１３，１１４］（見(jiàn)圖２．１）。該湖的周?chē)辉坚樔~逡逑林環(huán)繞，湖水偏酸性（ＰＨ５－５．５）邋［１１５］，中度渾池，透明度一般為１．４－１．６ｍ，透光層大約逡逑達(dá)到２ｍ深度。由于該湖的受保護(hù)地位以及外來(lái)的腐殖質(zhì)的濃度很高，其溫度和溶解氧逡逑通常有顯著的分層。在夏季和冬季，，該湖會(huì)出現(xiàn)熱分層。在分層結(jié)束時(shí)，整個(gè)均溫層成逡逑為無(wú)氧層。湖水在春季“翻轉(zhuǎn)”（ｔｕｒｎｏｖｅｒ）通常是很短暫的或不完全的，均溫層缺氧通常逡逑是從六月一直持續(xù)至十月湖水再次出現(xiàn)秋季“翻轉(zhuǎn)”［１１６］。盡管湖表變溫層比較淺（小于２逡逑ｍ），但是每年的初級(jí)產(chǎn)量是比較高的。在１９９０－１９９６年期間，年度浮游植物的初級(jí)產(chǎn)逡逑量在每年２．１－３．２ｍｏｌＣ／ｍ２之間變化［１１６，１１７］。該湖的沿岸帶比較窄，達(dá)到１．５－１．６ｍ的深逡逑度，植被主要有稀疏的黃睡蓮和沒(méi)在水中的水蘚［１１６］。在冬季，該湖通常有５．５－６個(gè)月的逡逑冰期。在１９９０－２０１１年期間
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：P343.3;X143

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 付曉薇;王奕;陳黎;田菁;;量子衍生PDE醫(yī)學(xué)超聲圖像去斑[J];中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào);2015年01期

2 孟令國(guó);李超令;胡廣;;基于PDE模型的中國(guó)人口結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)研究[J];中國(guó)人口·資源與環(huán)境;2014年02期

3 俞良莉,王禮琛,黃嘉梓,朱克近,張傳琳;噻吩駢[3,4-d]嘧啶-2,4-二酮類(lèi)化合物對(duì)PDE的抑制作用[J];中國(guó)藥科大學(xué)學(xué)報(bào);1989年06期

4 歐杰泉;官金蘭;;基于PDE的圖像分割算法綜述[J];數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用;2016年11期

5 邱淑芳;劉西林;劉勝蘭;;一種基于PDE與結(jié)構(gòu)-紋理分解的圖像去噪方法[J];東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年01期

6 戴存兵;高永光;劉建平;何鵬程;吳紹民;;基于PDE與小波的圖像放大研究[J];信息工程大學(xué)學(xué)報(bào);2012年01期

7 米偉哲;李萬(wàn)臣;;基于PDE的去塊效應(yīng)算法[J];信息技術(shù);2009年08期

8 徐長(zhǎng)新,朱杰,楊宏宇;PDE研究高血壓病左室肥厚各型對(duì)右心功能的影響[J];中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù);2000年09期

9 林玲;翁春生;;等離子體射流對(duì)PDE快速起爆影響的數(shù)值仿真[J];計(jì)算機(jī)仿真;2013年11期

10 張孟鋒;林勇;張戈;;PDE在圖像分割技術(shù)中的應(yīng)用[J];汽車(chē)實(shí)用技術(shù);2013年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 李貞楊;于波;申s

本文編號(hào)：2627001