本發(fā)明涉及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行貝類養(yǎng)殖過程的數(shù)值模擬，尤其涉及一種貝類養(yǎng)殖區(qū)域碳收支模型的構(gòu)建方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：目前為止，對(duì)貝類養(yǎng)殖碳匯通量的評(píng)估主要是通過對(duì)貝類養(yǎng)殖的產(chǎn)量來估算，但貝類移去的碳是海水中的碳，能否轉(zhuǎn)化為大氣碳匯(吸收大氣二氧化碳)是復(fù)雜的物理-生物-化學(xué)的過程，則需要?jiǎng)?chuàng)建貝類養(yǎng)殖碳匯的評(píng)估模型才能完成。貝類養(yǎng)殖碳匯的評(píng)估模型有助于根據(jù)養(yǎng)殖海區(qū)的海況設(shè)計(jì)合理的貝類養(yǎng)殖密度，使貝類養(yǎng)殖在減少水質(zhì)污染的條件下成為大氣的碳匯，貝類養(yǎng)殖碳匯的評(píng)估模型的應(yīng)用對(duì)貝類養(yǎng)殖海區(qū)的碳匯評(píng)估有實(shí)用價(jià)值，對(duì)貝類養(yǎng)殖和藻類養(yǎng)殖混養(yǎng)管理具有廣闊前景。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷(不足)，首先提供一種海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的構(gòu)建方法。該海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型是利用基于貝類養(yǎng)殖碳收支平衡及其物理化學(xué)環(huán)境條件下構(gòu)建的碳匯模型，該模型能夠模擬貝類養(yǎng)殖對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的影響，計(jì)算養(yǎng)殖水體中碳的流通，進(jìn)行碳匯評(píng)估。本發(fā)明還提供一種海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的應(yīng)用。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：S1、根據(jù)貝類養(yǎng)殖生化-物理過程，構(gòu)建初始海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型，該模型包括三個(gè)化學(xué)模塊、物理模塊和生物模塊部分；所述化學(xué)模塊是指海水碳酸鹽體系；所述化學(xué)模塊需要確定的參數(shù)包括k1、k2、pCO2、其中k1、k2分別為碳酸的第一、第二解離常數(shù)；所述生物模塊是指貝類的呼吸過程、貝類的鈣化過程、藻類的光合作用；其中貝類的呼吸、鈣化過程，通過實(shí)驗(yàn)溶解氧和堿度計(jì)算呼吸率和鈣化率；藻類的光合作用通過室外黑白瓶實(shí)驗(yàn)，獲得光合作用速率；即所述生物模塊需要確定的參數(shù)包括呼吸率、鈣化率以及光合作用速率；所述物理模塊是海氣交換作用，海氣交換作用選取CO2的海氣交換通量作為需要確定的參數(shù)；S2、基于貝類的室內(nèi)室外呼吸實(shí)驗(yàn)確定初始或更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的各參數(shù)；S3、基于步驟S2得到的參數(shù)，對(duì)海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型進(jìn)行更新，得到更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型；S4、驗(yàn)證由步驟S3得到的更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型，采用更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算海水中各形態(tài)碳的含量，及其流通量，得到模擬結(jié)果；驗(yàn)證該模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料，判斷誤差是否滿足預(yù)設(shè)要求，當(dāng)滿足，則確定該更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型為最優(yōu)的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型；否則，返回步驟S2。優(yōu)選的，所述貝類養(yǎng)殖生化-物理過程包括：貝類的鈣化作用和呼吸作用；海水碳酸鹽緩沖能力；物理過程的水體交換、垂直混合、風(fēng)速、海氣交換；浮游植物的光合作用。優(yōu)選的，所述步驟S2中，貝類的室內(nèi)呼吸實(shí)驗(yàn)是指在室內(nèi)模擬不同溫度和鹽度條件下貝類的生理過程，其通過測(cè)得實(shí)驗(yàn)室所使用的海水各組分含量的變化計(jì)算出以下參數(shù)：呼吸率、鈣化率，其各組分包括：總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)和溶解氧(DO)；貝類的室外呼吸實(shí)驗(yàn)是指在室外選擇研究區(qū)域進(jìn)行模擬，具體為：根據(jù)養(yǎng)殖區(qū)域與外界交換的程度，分別選取開放和密閉的兩個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行與室內(nèi)一致的實(shí)驗(yàn)，其通過測(cè)得室外實(shí)驗(yàn)所使用的海水各組分含量的變化計(jì)算出以下參數(shù)：呼吸率、鈣化率、光合作用速率，其各組分包括：總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)、溶解氧(DO)；再對(duì)這兩個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)得相關(guān)水文-生化數(shù)據(jù)資料，其數(shù)據(jù)資料包括開放和密閉這兩個(gè)區(qū)域海水各組分含量的變化和水體溫鹽；其中開放和密閉這兩個(gè)區(qū)域水體各組分包括總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)、溶解氧(DO)、pH、顆粒性有機(jī)碳(POC)、營(yíng)養(yǎng)鹽。優(yōu)選的，所述步驟S4中，采用更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，具體是：基于統(tǒng)計(jì)資料找出模型運(yùn)算的初始值，其初始值包括貝類產(chǎn)量、海水條件、貝類生長(zhǎng)速率，將初始值代入更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型，預(yù)估預(yù)設(shè)時(shí)間尺度下海水中各形態(tài)碳的含量，及其流通量。優(yōu)選的，所述化學(xué)模塊需要確定的參數(shù)k1、k2、pCO2、硼酸堿度[B(OH)4-]是通過以下方式確定：實(shí)測(cè)獲得以下組分?jǐn)?shù)據(jù)：總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)、pH、溫度(S)、鹽度(T)；通過以下公式確定k1、k2、pCO2、pH≈-log[H+]其中k1、k2分別為碳酸的第一、第二解離常數(shù)，是通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定，已知經(jīng)驗(yàn)公式是k1、k2關(guān)于溫度、鹽度的函數(shù)表達(dá)式；所述生物模塊中呼吸率和鈣化率、光合作用速率通過以下公式計(jì)算：呼吸率(OR)＝[(DO0-DOt-ΔDO)×V]/t鈣化率(GR)＝[(TA0-TAt-ΔTA)/2×V]/t光合作用速率(PR)＝[(DIC0-DICt-ΔDIC)×V]/t式中：DO0和DOt分別為實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)海水中溶解氧DO含量，單位為mg/L；DIC0和DICt分別為實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)海水中總無機(jī)碳，單位為μmol/L；TA0和TAt分別為實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)海水中總堿度，單位為μmol/L；Δ為空白瓶中DO、DIC及TA的變化值；V為實(shí)驗(yàn)用容器的體積，單位為L(zhǎng)；t為實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，單位為h；所述物理模塊中CO2的海氣交換通量，依據(jù)以下公式：Flux＝-KT(KH(pCO2-pA))其中KT表示海氣交換速率，C表示氣體濃度，KH表示氣體在海水中的溶解度，pA表示氣體分壓，pCO2表示海水CO2分壓；根據(jù)Henry定律，氣體濃度C與分壓P可進(jìn)行轉(zhuǎn)換：C＝KHP已知海氣交換速率KT與風(fēng)速及Schmidt參數(shù)有關(guān)，并有經(jīng)驗(yàn)公式：KT(cm/h)＝0.31(Sc/660)-0.5(U10)2其中Sc表示Schmidt參數(shù)，U10表示距離海洋表面10米高處的風(fēng)速。Schmidt參數(shù)表征的是水的動(dòng)力學(xué)粘度，它影響薄膜層的厚度，進(jìn)而影響海氣交換速率。Schmidt參數(shù)的計(jì)算公式如下：Sc＝A-BT+CT2-DT3。其中T指水溫，A，B，C，D的取值如下表：氣體ABCDO2163881.831.4830.008004CO22073.1125.623.62760.043219一種海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的應(yīng)用，是采用最優(yōu)的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型對(duì)貝類養(yǎng)殖的碳匯進(jìn)行評(píng)估，首先估算出貝類養(yǎng)殖的碳收支平衡，再通過養(yǎng)殖水體二氧化碳分壓(pCO2)與大氣CO2分壓的比較，判斷貝類養(yǎng)殖是否為碳匯，當(dāng)養(yǎng)殖水體pCO2≤大氣CO2分壓，則為碳匯，反之為碳源。優(yōu)選的，其應(yīng)用還包括敏感性分析，即通過對(duì)需要探討的變量進(jìn)行梯度設(shè)定，分析不同梯度下，海水碳酸鹽體系各組分的含量，進(jìn)而評(píng)估在形成碳源\匯過程中，各生化-物理過程所占作用大小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：1)目前貝類碳匯的模型評(píng)估僅僅是考慮碳的收支平衡，按時(shí)間累積計(jì)算碳匯量，未細(xì)化各生理過程的作用。而本發(fā)明則具體分析了貝類養(yǎng)殖過程中的生化-物理過程，以及與水體各組分的關(guān)系，這個(gè)模型能夠更準(zhǔn)確的對(duì)貝類碳匯進(jìn)行評(píng)估。2)采用室內(nèi)室外兩部分實(shí)驗(yàn)來對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行選取，確保所選取的參數(shù)更加可靠。3)由于貝類養(yǎng)殖碳匯的對(duì)象是大氣，只有通過對(duì)比大氣與水體二氧化分壓的比較，先對(duì)碳匯進(jìn)行判斷才能評(píng)估碳匯量，而目前這方面的研究只局限于對(duì)碳匯量的估算，即首先判斷貝類養(yǎng)殖為碳匯。而本發(fā)明提出的模型的應(yīng)用，能夠直接通過養(yǎng)殖水體二氧化碳分壓(pCO2)與大氣CO2分壓的比較，判斷貝類養(yǎng)殖是否為碳匯。4)本發(fā)明還引進(jìn)了碳匯敏感性分析，能夠更加深入的分析各過程在貝類養(yǎng)殖碳/源匯形成過程中的作用占比。附圖說明圖1為本發(fā)明涉及的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型構(gòu)建的總體流程圖。圖2為本發(fā)明涉及的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的主體部分圖。圖3為本發(fā)明涉及的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的部分結(jié)果圖。具體實(shí)施方式附圖僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本專利的限制；為了更好說明本實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。如圖1，一種海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：S1、根據(jù)貝類養(yǎng)殖生化-物理過程(是指貝類的鈣化作用和呼吸作用；海水碳酸鹽緩沖能力；物理過程的水體交換、垂直混合、風(fēng)速、海氣交換；浮游植物的光合作用)，構(gòu)建初始海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型，該模型包括三個(gè)化學(xué)模塊、物理模塊和生物模塊部分；所述化學(xué)模塊是指海水碳酸鹽體系；所述化學(xué)模塊需要確定的參數(shù)包括k1、k2、pCO2、其中k1、k2分別為碳酸的第一、第二解離常數(shù)；所述生物模塊是指貝類的呼吸過程、貝類的鈣化過程、藻類的光合作用；其中貝類的呼吸、鈣化過程，通過實(shí)驗(yàn)溶解氧和堿度計(jì)算呼吸率和鈣化率；藻類的光合作用通過室外黑白瓶實(shí)驗(yàn)，獲得光合作用速率；即所述生物模塊需要確定的參數(shù)包括呼吸率、鈣化率以及光合作用速率；所述物理模塊是海氣交換作用，海氣交換作用選取CO2的海氣交換通量作為需要確定的參數(shù)；所述化學(xué)模塊需要確定的參數(shù)k1、k2、pCO2、硼酸堿度[B(OH)4-]是通過以下方式確定：實(shí)測(cè)獲得以下組分?jǐn)?shù)據(jù)：總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)、pH、溫度(S)、鹽度(T)；通過以下公式確定k1、k2、pCO2、pH≈-log[H+]其中k1、k2分別為碳酸的第一、第二解離常數(shù)，是通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定，已知經(jīng)驗(yàn)公式是k1、k2關(guān)于溫度、鹽度的函數(shù)表達(dá)式；所述生物模塊中呼吸率和鈣化率、光合作用速率通過以下公式計(jì)算：呼吸率(OR)＝[(DO0-DOt-ΔDO)×V]/t鈣化率(GR)＝[(TA0-TAt-ΔTA)/2×V]/t光合作用速率(PR)＝＝[(DIC0-DICt-ΔDIC)×V]/t式中：DO0和DOt分別為實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)海水中溶解氧DO含量，單位為mg/L；DIC0和DICt分別為實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)海水中總無機(jī)碳，單位為μmol/L；TA0和TAt分別為實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)海水中總堿度，單位為μmol/L；Δ為空白瓶中DO、DIC及TA的變化值；V為實(shí)驗(yàn)用容器的體積，單位為L(zhǎng)；t為實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，單位為h；所述物理模塊中CO2的海氣交換通量，依據(jù)以下公式：Flux＝-KT(KH(pCO2-pA))其中KT表示海氣交換速率，C表示氣體濃度，KH表示氣體在海水中的溶解度，pA表示氣體分壓，pCO2表示海水CO2分壓；根據(jù)Henry定律，氣體濃度C與分壓P可進(jìn)行轉(zhuǎn)換：C＝KHP已知海氣交換速率KT與風(fēng)速及Schmidt參數(shù)有關(guān)，并有經(jīng)驗(yàn)公式：KT(cm/h)＝0.31(Sc/660)-0.5(U10)2其中Sc表示Schmidt參數(shù)，U10表示距離海洋表面10米高處的風(fēng)速。Schmidt參數(shù)表征的是水的動(dòng)力學(xué)粘度，它影響薄膜層的厚度，進(jìn)而影響海氣交換速率。Schmidt參數(shù)的計(jì)算公式如下：Sc＝A-BT+CT2-DT3。其中T指水溫，A，B，C，D的取值如下表：氣體ABCDO2163881.831.4830.008004CO22073.1125.623.62760.043219S2、基于貝類的室內(nèi)室外呼吸實(shí)驗(yàn)確定初始或更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的各參數(shù)；其中貝類的室內(nèi)呼吸實(shí)驗(yàn)是指在室內(nèi)模擬不同溫度和鹽度條件下貝類的生理過程，其通過測(cè)得實(shí)驗(yàn)室所使用的海水各組分含量的變化計(jì)算出以下參數(shù)：呼吸率、鈣化率，其各組分包括：總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)和溶解氧(DO)；貝類的室外呼吸實(shí)驗(yàn)是指在室外選擇研究區(qū)域進(jìn)行模擬，具體為：根據(jù)養(yǎng)殖區(qū)域與外界交換的程度，分別選取開放和密閉的兩個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行與室內(nèi)一致的實(shí)驗(yàn)，其通過測(cè)得室外實(shí)驗(yàn)所使用的海水各組分含量的變化計(jì)算出以下參數(shù)：呼吸率、鈣化率、光合作用速率，其各組分包括：總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)、溶解氧(DO)；再對(duì)這兩個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)得相關(guān)水文-生化數(shù)據(jù)資料，其數(shù)據(jù)資料包括開放和密閉這兩個(gè)區(qū)域海水各組分含量的變化和水體溫鹽；其中開放和密閉這兩個(gè)區(qū)域水體各組分包括總無機(jī)碳(DIC)、堿度(TA)、溶解氧(DO)、pH、顆粒性有機(jī)碳(POC)、營(yíng)養(yǎng)鹽；S3、基于步驟S2得到的參數(shù)，對(duì)海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型進(jìn)行更新，得到更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型；S4、驗(yàn)證由步驟S3得到的更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型，采用更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，具體是：基于統(tǒng)計(jì)資料找出模型運(yùn)算的初始值，其初始值包括貝類產(chǎn)量、海水條件、貝類生長(zhǎng)速率，將初始值代入更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型，預(yù)估預(yù)設(shè)時(shí)間尺度下海水中各形態(tài)碳的含量，及其流通量，得到模擬結(jié)果；驗(yàn)證該模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料，判斷誤差是否滿足預(yù)設(shè)要求，當(dāng)滿足，則確定該更新后的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型為最優(yōu)的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型；否則，返回步驟S2。在確定了最優(yōu)的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型后，則可以采用該海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型對(duì)貝類養(yǎng)殖的碳匯進(jìn)行評(píng)估，首先估算出貝類養(yǎng)殖的碳收支平衡，再通過養(yǎng)殖水體二氧化碳分壓(pCO2)與大氣CO2分壓的比較，判斷貝類養(yǎng)殖是否為碳匯，當(dāng)養(yǎng)殖水體pCO2≤大氣CO2分壓，則為碳匯，反之為碳源。其次，還包括敏感性分析，即通過對(duì)需要探討的變量進(jìn)行梯度設(shè)定，分析不同梯度下，海水碳酸鹽體系各組分的含量，進(jìn)而評(píng)估在形成碳源\匯過程中，各生化-物理過程所占作用大小。圖2為本發(fā)明涉及的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的主體部分圖。圖中Airseaexchange代表海氣交換模塊，其運(yùn)算是由海氣交換模塊計(jì)算所得的CO2交換通量；DIC代表海水碳酸鹽體系模塊，其運(yùn)算是由海水碳酸鹽體系模塊運(yùn)算多得的DIC含量；Calcificantion代表貝類的鈣化作用其運(yùn)算是由鈣化速率決定；Respiration代表呼吸作用，其運(yùn)算是由呼吸速率決定；Photosynthesis代表光合作用，其運(yùn)算是由光合作用速率決定；Outwaterexchange代表與外界水體的交換過程，其運(yùn)算是由封閉和開放條件下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果決定。本圖解釋了模型中各子模塊之間的運(yùn)算關(guān)系。圖3本發(fā)明涉及的海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的部分結(jié)果圖。圖中是由海洋貝類養(yǎng)殖碳匯評(píng)估模型的運(yùn)算結(jié)果所得的可視化結(jié)果圖，其中各參數(shù)分別表示總無機(jī)碳(DIC)、碳酸鹽堿度(CALK)、海水二氧化碳分壓(pCO2)。附圖中描述位置關(guān)系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本專利的限制；顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3