[发明专利]一种通过构建生长模拟模型来预测沉水植物的生物量的方法

摘要

一种通过构建生长模拟模型来预测沉水植物的生物量的方法，步骤如下(1)根据湖泊中藻类、有机碳、磷、氮、溶解氧之间的关系，得到相关的动力学质量守恒方程；(2)根据沉水植物的茎、根和生长在茎部的附生植物之间的关系，得到相关的动力学质量守恒方程；(3)将水质模块与沉水植物模块进行耦合，相关的动力学质量守恒方程添加沉水植物的作用；(4)对每一模型时间步微分方程求解，最终得到沉水植物的生物量，完成沉水植物生物量的预测。

主权项

一种通过构建生长模拟模型来预测沉水植物的生物量的方法，其特征在于步骤如下：(1)使用水质分析仪器获取湖泊中藻类、有机碳、磷、氮、溶解氧的数据，根据湖泊中藻类、有机碳、磷、氮、溶解氧之间的关系，得到相关的动力学质量守恒方程，即水质模块；藻类动力学质量守恒方程：∂WQBg∂t=(WQPg-WQBMg-WQPRg-WSgH)·WQBg]]>∂WQBc∂t=(WQPc-WQBMc-WQPRc-WScH)·WQBc]]>有机碳动力学质量守恒方程：∂WQRPOC∂t=Σx=c,gFCRP·WQPRx·WQBx-WQKRPOC·WQRPOC-WSrp·WQRPOCH]]>∂WQLPOC∂t=Σx=c,gFCLP·WQPRx·WQBx-WQKLPOC·WQLPOC-WS1p·WQLPOCH]]>∂WQDOC∂t=Σx=c,g[FCDx+(1-FCDx)·KHRxKHRx+WQDO]WQBMx·WQBx+Σx=c,gFCDP·WQPRx·WQBx+WQKRPOC·WQRPOC+WQKLPOC·WQLPOC-WQKHR·WQDOC-WQDenit·WQDOC]]>磷动力学质量守恒方程：∂WQRPOP∂t=Σx=c,g(FPRx·WQBMx+FPRP·WQPRx)·WQAPC·WQBx-WQKRPOP·WQRPOP+WSrp·WQRPOPH]]>∂WQLPOP∂t=Σx=c,g(FPLx·WQBMx+FPLP·WQPRx)·WQAPC·WQBx-WQKLPOP·WQLPOP+WS1p·WQLPOPH]]>∂WQDOP∂t=Σx=c,g(FPDx·WQBMx+FPDP·WQPRx)·WQAPC·WQBx+WQKRPOP·WQRPOP+WQKLPOP·WQLPOP-WQKDOP·WQDOP]]>氮动力学质量守恒方程：∂WQRPON∂t=Σx=c,g(FNRx·WQBMx+FNRP·WQPRx)·WQANC·WQBx-WQKRPON·WQRPON+WSrp·WQRPONH]]>∂WQDON∂t=Σx=c,g(FNDx·WQBMx+FNDP·WQPRx)·WQANC·WQBx+WQKRPON·WQRPON+WQKLPON·WQLPON-WQKDON·WQDON]]>∂WQNH4∂t=Σx=c,g(FNIx·WQBMx+FNIP·WQPRx-WQPNx·WQPx)·WQANCx·WQBx+WQKDON·WQDON-WQNit·WQNH4+BFNH4H]]>∂WQNO3∂t=-Σx=c,g(1-WQPNx)·WQPx·WQANCx·WQBx+WQNit·WQNH4-ANDC·WQDenit·WQDOC+BFNO3H]]>溶解氧动力学质量守恒方程：∂WQDO∂t=Σx=c,g((1.3-0.3·WQPNx)·WQPx-(1-FCDx)·WQDOKHRx+WQDO·WQBMx)·AOCR·WQBx-AONT·WQNit·WQNH4-AOCR·WQKHR·WQDOC+WQKr·(WQDOsat-WQDO)+SODH]]>t表示时间(d)；H表示水深(m)，输入数据；WQBg为绿藻的生物量(g C/m3)，未知量；WQBc为蓝藻的生物量(g C/m3)，未知量；WQPg/c分别为绿藻和蓝藻的生产速率(d‑1)，1.2；2.0；WQBMg/c分别为绿藻和蓝藻的基础新陈代谢速率(d‑1)，0.12；0.05；WQPRg/c分别为绿藻和蓝藻的捕食速率(d‑1)；WSg/c分别为绿藻和蓝藻的沉降速率(m/d)，0.04；0.04；WQRPOC为难溶性颗粒有机碳浓度(g C/m3)，未知量；WQLPOC为活性颗粒有机碳浓度(g C/m3)，未知量；WQDOC为溶解性有机碳浓度(g C/m3)，未知量；FCRP为被捕食的碳中所生成的难溶性颗粒有机碳部分，0.2；FCLP为被捕食的碳中所生成的活性颗粒有机碳部分，0.0；FCDP为被捕食的碳中所生成的溶解性有机碳部分，0.8；FCD为呼吸产生的溶解性有机碳部分，0.8；WQKRPOC为难溶性颗粒有机碳水解速率(d‑1)，0.005；WQKLPOC为活性颗粒有机碳水解速率(d‑1)，0；WSrp/lp分别为难溶性颗粒和活性颗粒沉降速率(m/d)，0.02；0.02；KHR为藻类溶解性有机碳排泄物的溶解氧半饱和常数(g O2/m3)，0.5；0.5；WQDO为溶解氧浓度(g O2/m3)，未知量；WQKHR为溶解性有机碳的异氧呼吸速率(d‑1)，0.3；WQDenit为反硝化作用速率(d‑1)，0.2；WQRPOP为难溶性颗粒有机磷浓度(g P/m3)，未知量；WQLPOP为活性颗粒有机磷浓度(g P/m3)，未知量；WQDOP为溶解性有机磷浓度(g P/m3)，未知量；WQPO4为溶解态磷酸盐浓度(g P/m3)，未知量；FPR为呼吸产生的难溶性颗粒有机磷部分，0.2；FPL为呼吸产生的活性颗粒有机磷部分，0；FPD为呼吸产生的溶解性有机磷部分，0.6；FPI为呼吸产生的溶解性无机磷部分，0.2；FPRP为被捕食的磷中所生成的难溶性颗粒有机磷部分，0.2；FPLP为被捕食的磷中所生成的活性颗粒有机磷部分，0；FPDP为被捕食的磷中所生成的溶解性有机磷部分，0.6；FPIP为被捕食的磷中所生成的无机磷部分，0.2；WQAPC表示藻类的平均磷对碳的比例(g P/g C)，0.02；WQKRPOP为难溶性颗粒有机磷水解速率(d‑1)，0.005；WQKLPOP为活性颗粒有机磷水解速率(d‑1)，0；WQKDOP为溶解性有机磷的矿化速率(d‑1)，0；BFPO4为底泥‑水柱磷酸盐交换通量(g N/(m2*d))，0.2；WQRPON为难溶性颗粒有机氮浓度(g N/m3)，未知量；WQLPON为活性颗粒有机氮浓度(g N/m3)，未知量；WQDON为溶解性有机氮浓度(g N/m3)，未知量；WQNH4为氨氮浓度(g N/m3)，未知量；WQNO3为硝酸盐氮浓度(g N/m3)，未知量；FNR为呼吸产生的难溶性颗粒有机氮部分，0.1；FNL为呼吸产生的活性颗粒有机氮部分，0.2；FND为呼吸产生的溶解性有机氮部分，0；FNI为呼吸产生的氨组分，0.7；FNRP为被捕食的氮中所生成的难溶性颗粒有机氮部分，0.2；FNLP为被捕食的氮中所生成的活性颗粒有机氮部分，0；FNDP为被捕食的氮中所生成的溶解性有机氮部分，0.7；FNIP为被捕食的氮中所生成的无机氮部分，0.1；WQANC表示藻类的平均氮对碳的比例(g N/g C)，0.08；WQKRPON为难溶性颗粒有机氮水解速率(d‑1)，0.005；WQKLPON为活性颗粒有机氮水解速率(d‑1)，0；WQKDON为溶解性有机氮的矿化速率(d‑1)，0.05；ANDC为每氧化单位质量的溶解性有机碳减少的硝酸盐氮的质量，0.933；WQPN为藻类对氨吸收偏好，0.5；WQNit为硝化速率(d‑1)，0.01；BFNH4为底泥‑水柱氨氮交换通量(g N/(m2*d))，2.0；BFNO3为底泥‑水柱硝酸盐氮交换通量(g N/(m2*d))，2.0；AONT为单位质量的铵离子硝化所需溶解氧，4.33；AOCR为呼吸作用中溶解氧与碳之比，2.67；WQKr为复氧系数(d‑1)，0.2；WQDOsat为溶解氧饱和浓度(g O2/m3)，14；SOD为底泥需氧量(g O2/m3)，‑1.0；(2)根据沉水植物的茎、根和生长在茎部的附生植物之间的关系，得到相关的动力学质量守恒方程，即沉水植物模块：∂(RPS)∂t=[(1-FPRPR)·PRPS-PRPS-LRPS]·RPS+JRPRS]]>∂(RPR)∂t=FPRPR·PRPS·RPS-(RRPR+LRPR)·RPR-JRPRS]]>∂(RPE)∂t=(PRPE-RRPE-LRPE)·RPE]]>∂(RPD)∂t=FRPSD·LRPS·RPS-LRPD·RPD]]>PRPS＝PMRPS·min(f(N)RPS，f(P)RPS)·f(I)RPS·f(T)RPSf(I)RPS=2.718Kess·HRPS(exp(IoIsso·exp(-Kess·H))-exp(-IoIsso·exp(-Kess·(H-HRPS))]]>f(N)RPS=WQNH4+WQNO3+KHNRPSKHNRPR·(NH4B+NO3B)KHNRPS+WQNH4+WQNO3+KHNRPSKHNRPR·(NH4B+NO3B)]]>f(P)RPS=WQPO4+KHPRPSKHPRPR·PO4BKHPRPS+WQPO4+KHPRPSKHPRPE·PO4B]]>f(T)RPS=exp(-KTP1RPS·[T-TP1RPS]2),ifT≤TP1RPS1,ifTP1RPS≤T≤TP2RPSexp(-KTP2RPS·[T-TP2RPS]2),ifT≥TP2RPS]]>t表示时间(d)；WQPO4为溶解态磷酸盐浓度(g P/m3)，未知量；WQNH4为氨氮浓度(g N/m3)，未知量；WQNO3为硝酸盐氮浓度(g N/m3)，未知量；H表示水深(m)，输入数据；Io为光照辐射(umol/m2/s)，输入数据；T为水温(℃)，输入数据；RPS为沉水植物茎生物量(g C/m2)，未知量；PRPS为沉水植物茎的生长率(d‑1)，未知量；PMRPS为沉水植物茎的最大生长率(d‑1)，0.8；f(N)RPS，f(P)RPS，f(I)RPS，f(T)RPS分别为沉水植物茎生长的氮，磷，光照，温度限制函数；Kess为水体消光系数(m‑1)，0.475；Isso为沉水植物生长最优光强(umol/m2/s)，600；HRPS为沉水植物平均茎高(m)，0.8；KHNRPS/RPR分别为沉水植物从水柱/底泥吸收氮的半饱和常数(g N/m3)，0.19/0.95；NH4B/NO3B分别为底泥氨氮和硝酸盐氮的浓度(g N/m3)，2.0/2.0；KHPRPS/RPR分别为沉水植物从水柱/底泥吸收磷的半饱和常数(g P/m3)，0.19/0.95；PO4B为底泥正磷酸盐的浓度(g P/m3)，0.2；KTP1/2RPS分别为低温和高温时对沉水植物茎生长的影响(℃‑2)，0.008/0.008；TP1/2RPS分别为沉水植物茎生最优温度的下限和上限(℃)，22/33；RRPS为沉水植物茎的呼吸率(d‑1)，0.3；LRPS为沉水植物茎的非呼吸损失率(d‑1)，0.2；RPE为沉水植物上的附生植物生物量(g C/m‑2)，未知量；PRPE为附生植物生长率(d‑1)，0.75；RPRE为附生植物呼吸率(d‑1)，0.1；LRPE为附生植物非呼吸损失率(d‑1)，0.1；RPD为沉水植物茎碎屑的生物量(g C/m2)，未知量；FRPSD为茎碎屑的损失分量，0.2；LRPD为碎屑腐解率，0.1；FPRPR为直接转移到沉水植物根部的产物，0.3；JRPRS为沉水植物根向沉水植物茎的正的碳输送(g C/(m2d))，0.1；RPR为沉水植物根的生物量(g C/m2)，未知量；RRPR为沉水植物根的呼吸率(d‑1)，0.1；LRPR为沉水植物根的非呼吸损失率(d‑1)，0.1；(3)将水质模块与沉水植物模块进行耦合，相关的动力学质量守恒方程添加沉水植物的作用；沉水植物模块与水质模块之间有机碳的耦合关系给定为：∂WQRPOC∂t=FCRRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FCRLRPS·LRPSH·RPS+FCRRPE·RRPE+FCRLRPE·LRPEH·RPE+FCRLRPO·LRPDH·RPD]]>∂WQLPOC∂t=FCLRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FCLLRPS·LRPSH·RPS+FCLRPE·RRPE+FCLLRPE·LRPEH·RPE+FCLLRPD·LRPDH·PRD]]>∂WQDOC∂t=FCDRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FCDLRPS·LRPSH·RPS+FCDRPE·RRPE+FCDLRPE·LRPEH·RPE+FCDLRPD·LRPDH·RPD]]>沉水植物模块与水质模块之间溶解氧的耦合关系给定为：∂WQDO∂t=PRPS·RPSOC·RPS+PRPE·RPEOC·RPEH]]>沉水植物模块与水质模块之间磷的耦合关系给定为：∂WQRPOP∂t=FPRRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FPRLRPS·LRPSH·RPSPC·RPS+FPRRPE·RRPE+FPRLRPE·LRPEH·RPEPC·RPE+FPRLRPD·LRPDH·RPSPC·RPD]]>∂WQLPOP∂t=FPLRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FPLLRPS·LRPSH·RPSPC·RPS+FPLRPE·RRPE+FPLLRPE·LRPEH·RPEPC·RPE+FPLLRPD·LRPDH·RPSPC·RPD]]>∂WQDOP∂t=FPDRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FPDLRPS·LRPSH·RPSPC·RPS+FPDRPE·RRPE+FPDLRPE·LRPEH·RPEPC·RPE+FPDLRPD·LRPDH·RPSPC·RPD]]>∂WQPO4∂t=FPIRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FPILRPS·LRPSH·RPSPC·RPS+FPIRPE·RRPE+FPILRPE·LRPEH·RPEPC·RPE+FPILRPD·LRPDH·RPSPC·RPD-FRPSPE·PRPS·RPSPC·RPSH-PRPE·RPEPC·RPEH]]>沉水植物模块与水质模块之间氮的耦合关系给定为：∂WQRPON∂t=FNRRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FNRLRPS·LRPSH·RPSNC·RPS+FNRRPE·RRPE+FNELRPE·LRPEH·RPENC·RPE+FNRLRPD·LRPDH·RPSNC·RPD]]>∂WQLPON∂t=FNLRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FNLLRPS·LRPSH·RPSNC·RPS+FNLRPE·RRPE+FNLLRPE·LRPEH·RPENC·RPE+FNLLRPD·LRPDH·RPSNC·RPD]]>∂WQDON∂t=FNDRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FNDLRPS·LRPSH·RPSNC·RPS+FNDRPE·RRPE+FNDLRPE·LRPEH·RPENC·RPE+FNDLRPD·LRPDH·RPSNC·RPD]]>∂WQNH4∂t=FNIRPS·RRPS+(1-FRPSD)·FNILRPS·LRPSH·RPSNC·RPS+FNIRPE·RRPE+FNILRPE·LRPEH·RPENC·RPE+FNILRPD·LRPDH·RPSNC·RPD-PNRPS·FRPSNW·PRPS·RPSNC·RPSH-PNRPE·PRPE·RPENC·RPEH]]>∂WQNO3∂t=-(1-PNRPS)·FRPSNW·PRPS·RPSNC·RPSH-(1-PNRPE)·PRPE·RPENC·RPEH]]>t表示时间(d)；H表示水深(m)，输入数据；WQRPOC为难溶性颗粒有机碳浓度(g C/m3)，未知量；WQLPOC为活性颗粒有机碳浓度(g C/m3)，未知量；WQDOC为溶解性有机碳浓度(g C/m3)，未知量；RPS为沉水植物茎生物量(g C/m2)，未知量；PRPS为沉水植物茎的生长率(d‑1)，未知量；RRPS为沉水植物茎的呼吸率(d‑1)，0.3；LRPS为沉水植物茎的非呼吸损失率(d‑1)，0.2；RPE为沉水植物上的附生植物生物量(g C/m‑2)，未知量；PRPE为附生植物生长率(d‑1)，0.75；RPRE为附生植物呼吸率(d‑1)，0.1；LRPE为附生植物非呼吸损失率(d‑1)，0.1；RPD为沉水植物茎碎屑的生物量(g C/m2)，未知量；FRPSD为茎碎屑的损失分量，0.2；LRPD为碎屑腐解率，0.1；FCR为呼吸产生的难溶性颗粒有机碳部分，0.2；FCL为呼吸产生的活性颗粒有机碳部分，0；FCD为呼吸产生的溶解性有机碳部分，0.8；FCRL为非呼吸作用引起的难溶性颗粒有机碳损失部分，0.2；FCLL为非呼吸作用引起的活性颗粒有机碳损失部分，0；FCDL为非呼吸作用引起的溶解性有机碳损失部分，0.8；RPSOC为沉水植物茎氧碳比，0.2；RPEOC为附生植物氧碳比，0.2；WQRPOP为难溶性颗粒有机磷浓度(g P/m3)，未知量；WQLPOP为活性颗粒有机磷浓度(g P/m3)，未知量；WQDOP为溶解性有机磷浓度(g P/m3)，未知量；WQPO4为溶解态磷酸盐浓度(g P/m3)，未知量；FPR为呼吸产生的难溶性颗粒有机磷部分，0.2；FPL为呼吸产生的活性颗粒有机磷部分，0；FPD为呼吸产生的溶解性有机磷部分，0.6；FPI为呼吸产生的溶解性无机磷部分，0.2；FPRL为非呼吸作用引起的难溶性颗粒有机磷损失部分，0.2；FPLL为非呼吸作用引起的活性颗粒有机磷损失部分，0；FPDL为非呼吸作用引起的溶解性有机磷损失部分，0.6；FPIL为非呼吸作用引起的溶解性无机磷损失部分，0.2；RPSPC为沉水植物茎磷碳比，0.011；RPEPC为附生植物磷碳比，0.011；FRPSPW为从水柱吸收PO4的组分，0.4；WQRPON为难溶性颗粒有机氮浓度(g N/m3)，未知量；WQLPON为活性颗粒有机氮浓度(g N/m3)，未知量；WQDON为溶解性有机氮浓度(g N/m3)，未知量；WQNH4为氨氮浓度(g N/m3)，未知量；WQNO3为硝酸盐氮浓度(g N/m3)，未知量；FNR为呼吸产生的难溶性颗粒有机氮部分，0.1；FNL为呼吸产生的活性颗粒有机氮部分，0.2；FND为呼吸产生的溶解性有机氮部分，0；FNI为呼吸产生的氨组分，0.7；FNRL为非呼吸作用引起的难溶性颗粒有机氮损失部分，0.1；FNLL为非呼吸作用引起的活性颗粒有机氮损失部分，0.2；FNDL为非呼吸作用引起的溶解性有机氮损失部分，0；FNIL为非呼吸作用引起的氨组分，0.7；RPSNC为沉水植物茎氮碳比，0.18；RPENC为附生植物氮碳比，0.18；FRPSNW为从水柱吸收NH44和NO3的组分，0.4；PNRPS为沉水植物茎对铵离子的偏好性分数，0.2；PNRPE为附生植物对铵离子的偏好性分数，0.2；WQDO为溶解氧浓度(g O2/m3)，未知量；(4)对每一模型时间步长微分方程求解，最终得到沉水植物的生物量，完成沉水植物生物量的预测。