蓝藻生长时变系统非线性动力学分析及水华预测方法

第68卷第3期2017年3月化工学报CIESCJournalV_01．68No．3March2017‘0c‘：t￡[：‘￡{‘|^研究论文；}j≥≥：。j：0j：；、DOI：10．11949~．issn．0438-1157．20161622蓝藻生长时变系统非线性动力学分析及水华预测方法王立，高崇，王小艺，刘载文(北京工商大学计算机与信息工程学院，北京100048)摘要：为解决现有蓝藻生长动力学模型难以有效描述实际水体中蓝藻生长时变系统的非线性动力学特性，导致水华预测准确性不高的问题，构建蓝藻摄食和营养盐循环模型，并考虑水温、光照等主要影响因素随时间变化对蓝藻生长的影响，进一步建立蓝藻生长时变系统非线性动力学模型，对其常值参数采用遗传算法与数值算法结合的方法进行优化率定，对其时变参数采用多元时序方法进行建模预测，根据分岔理论及时变系统理论分析水华暴发行为的非线性动力学机理，实现对蓝藻生长时变系统的水华预测。通过太湖流域监测实例表明，与现有研究相比，引入时变参数的蓝藻生长动力学模型更能反映蓝藻生长时变系统下水华暴发行为的非线性动力学特性，其水华预测结果更为准确。关键词：蓝藻；时变系统；水华；非线性动力学；预测；模型中图分类号：TQ019文献标志码：A文章编号：O438一l157(2017)03—1065—08NonlineardynamicsanalysisandwaterbloompredictionofcyanobacteriagrowthtimevariationsystemWANGLi，GAOChong，WANGXiaoyi，LIUZaiwen(iSchoolofComputerandInformationEngineering，BeijingTechnologyandBusinessUniversity，Beo'ing100048，China)Abstract：InordertosolvetheproblemthattheactualdescriptionofthewaterbloombehavioriSnotentirelyconformtorealityandwaterbloompredictionisnotaccurateenoughbyexistingalgaegrowthdynamicsmodelduetotheneglectofmodelparameterschangewithtime，thispaperbuildscyanobacteriafeedingandnutrientcyclingmodel，andproposesalgaegrowthdynamicsmodelwithtime—varyingparametersbasedontimevariationinfluencesofwatertemperatureandilluminationonmodelparameters．Thecalibrationmethodforconstantparametersofthemode1iSoptimizedbasedongeneticandnumericalalgorithm．Andthemodeltime—varyingparametersiSmodeledandpredictedbymultivariatetimeseriesmethod．Nonlineardynamicmechanismofcyanobacteriabloombehaviorisanalyzedbybifurcationtheoryandtimevaryingsystemtheory,andthenanewmethodofcyanobacteriabloompredictioniSputforward．ThemonitoringdataanalysisoftheTaihuRiverBasininJiangsushowsthatcyanobacterialgrowthdynamicsmodelwithtime—varyingparameterscanreflectnonlineardynamiccharacteristicsofcyanobacteriabloombehaviorincyanobacteriagrowthtime．varyingsystem．ThemodeliSmoreconsistentwiththeactualsituation．andcyanobacteriabloom2016．11-16收到初稿，2016．11-17收到修改稿。联系人及第一作者：王立(1983一)，女，博士，副教授。基金项目：国家自然科学基金项目(51179002)~北京市市属高校创新能力提升计划项目(PXM2014014213000033)；北京市教