發(fā)布時(shí)間：2020-08-24 11:22

【摘要】：湖泊、水庫是人類社會的供水主體,是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著人類活動的加劇,湖庫水華頻發(fā)成為世界范圍內(nèi)重大水環(huán)境問題。水華發(fā)生機(jī)制及水華防控是當(dāng)前水環(huán)境研究的熱點(diǎn)。藻類垂向分布的水動力機(jī)制主要是藻類自身游動與水動力耦合的力學(xué)機(jī)制,是水華發(fā)生機(jī)制的重要組成部分。異重流普遍存在于湖泊、水庫中,與水華生消密切相關(guān)。本文以典型水華藻種萊茵衣藻為例,深入研究了萊茵衣藻自身游動特性,得到其游動特征參數(shù);通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了異重流環(huán)境中藻類垂向分布特征和規(guī)律,揭示了異重流環(huán)境中藻類游動與水動力的耦合機(jī)制,建立了異重流環(huán)境中藻類垂向分布的數(shù)學(xué)模型;并以三峽支流香溪河為案例,分析了流態(tài)對水華生消的影響及藻類聚集的水動力機(jī)制,提出了水華防控的生態(tài)調(diào)度思路和建議。本文取得的主要成果和結(jié)論如下:(1)深入研究了萊茵衣藻自身游動特性并首次得出了其游動的特征參數(shù)。論文以典型水華藻種萊茵衣藻為研究對象,在排除光照、溫度、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子對藻類游動影響的基礎(chǔ)上,深入研究了靜水中萊茵衣藻自身游動特性及特征參數(shù),結(jié)果表明萊茵衣藻游動能力約為106μm/s;游動方向明顯偏好于向上;重定位時(shí)間B為10.8s,表征藻類游動的定向性;旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)Dr為0.05rad2/s,表征其游動的隨機(jī)性。(2)首次揭示了異重流環(huán)境中藻類垂向分布特征及其水動力機(jī)制。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn),研究了開閘式異重流中萊茵衣藻的垂向分布特征,發(fā)現(xiàn)藻類主要聚集在異重流中淡鹽水交界面附近的強(qiáng)剪切區(qū)域;結(jié)合藻類的重力致旋性揭示了異重流環(huán)境中藻類聚集的水動力機(jī)制,發(fā)現(xiàn)異重流中存在明顯的藻類聚集區(qū)域;并得到萊茵衣藻的水流剪切率閾值為0.13～0.15s-1。(3)建立了異重流環(huán)境中藻類游動與水動力耦合的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)異重流環(huán)境中游動型藻類與水動力耦合機(jī)制研究,考慮藻類自身運(yùn)動及水動力的影響,構(gòu)建了異重流環(huán)境中游動型藻類垂向分布的立面二維數(shù)學(xué)模型,并得到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及香溪河實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律的驗(yàn)證。(4)深入研究了香溪河水華頻發(fā)區(qū)流態(tài)對水華生消的影響及機(jī)制。研究結(jié)果表明不分層流態(tài)中,藻類在垂向上均勻分布,不易暴發(fā)水華;中層倒流中,藻類主要聚集在表、中兩層的交界面下,能在一定程度上抑制水華暴發(fā);表層倒流中,藻類聚集在表層水體,容易暴發(fā)水華,且異重流強(qiáng)度越大,越有利于水華暴發(fā)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析提出香溪河藻類水流剪切率閾值約為0.01～0.03s-1。(5)利用水動力影響藻類游動的力學(xué)機(jī)制更好地解釋了香溪河水華發(fā)生規(guī)律。水華頻發(fā)期異重流對水華生消的影響機(jī)制更主要的是通過水流粘性力矩的作用改變藻類垂向分布特征;而非通過改變光照、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子影響藻類生長。水動力影響藻類游動的力學(xué)機(jī)制更好地解釋了水華頻發(fā)區(qū)位于回水區(qū)末端,以及表層水體中藻細(xì)胞密度的波動幅度遠(yuǎn)大于藻類原位增長速率的現(xiàn)象。(6)提出了三峽庫區(qū)支流水華防控的生態(tài)調(diào)度新思路和建議。三峽水華頻發(fā)區(qū)位于支流回水區(qū)末端,其流態(tài)同時(shí)受三峽庫區(qū)水位和上游來流量的影響。本文發(fā)現(xiàn)上游來流對水華頻發(fā)區(qū)流態(tài)的影響更大,提出結(jié)合三峽庫區(qū)水位變動,調(diào)節(jié)上游來流量改變水華頻發(fā)區(qū)局部流態(tài)的生態(tài)調(diào)度思路,并提出了具體調(diào)度原則和建議。
【學(xué)位授予單位】：中國水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X52
【圖文】：

圖２．１實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D逡逑１９逡逑

被激發(fā)后產(chǎn)生的光稱為焚光，在激發(fā)光相對均勾的條件下，焚光光強(qiáng)與焚光逡逑物質(zhì)的濃度有關(guān)，因此可以通過測量熒光光強(qiáng)反映熒光物質(zhì)的分布［１＠。通常ＰＬＩＦ實(shí)驗(yàn)逡逑在暗室中進(jìn)行，如圖２．２所示，其測量系統(tǒng)包括激發(fā)光光源、截止激光法通過的濾光片、逡逑采集熒光圖像的相機(jī)以及圖像傳輸和存儲系統(tǒng)。其中圖像傳輸采集系統(tǒng)包括１塊圖像采逡逑集卡（ＭａｔｒｏｘＳｏｌｉｏｓＥｖ－ＣＬ），１臺支持高速圖像采集、儲存的工控機(jī)，以及配套的圖像逡逑采集卡驅(qū)動程序以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對相機(jī)的控制。實(shí)驗(yàn)中需要根據(jù)熒光物質(zhì)的不同，選取合逡逑適的激發(fā)光光源和濾光片，盡量排除激發(fā)光的干擾，保證熒光強(qiáng)度，才能得到清晰的熒逡逑光圖像。逡逑暗室逡逑！激光！１邐濾光片邋邐逡逑丨傲傾邐卜截止激發(fā)光丨：魏邐Ｉ邐＾存儲系統(tǒng)逡逑邐！逡逑圖２．２邋ＰＵＦ測量系統(tǒng)示意圖逡逑（２）

逑分光能被轉(zhuǎn)變成熱能消散，約有０．５％？５％的光能以熒光的形式發(fā)射出來。由此可見葉綠逡逑素ａ的熒光效率非常低，因此選擇光強(qiáng)強(qiáng)度相對較高的激光器作為光源。如圖２．３所示，逡逑為葉綠素ａ乙醇溶液的吸收光譜和熒光光譜［１Ｇ２１，這種光譜主要是由葉綠素ａ的熒光特逡逑性決定的。所有浮游植物中均含有葉綠素ａ，因此不同種類的浮游植物具有相似的吸收逡逑光譜和熒光光譜。根據(jù)目前的研宄成果［１（）２］，活體浮游植物的吸收光譜中有兩個(gè)峰值，其逡逑峰值波長分別在４４０ｎｍ邋（藍(lán)紫光）和６７０ｎｍ邋（紅光）附近，而其熒光光譜的峰值波長在逡逑６８５ｎｍ邋（紅光）附近。葉綠素ａ的熒光轉(zhuǎn)化效率非常低，因此需要選取靠近其吸收峰值逡逑波長的光源作為激發(fā)光。但是其吸收光譜的峰值波長６７０邋ｎｍ與熒光光譜的峰值波長６８５逡逑ｎｍ十分接近，難以通過濾光片在截止激發(fā)光的同時(shí)保留熒光。因此應(yīng)選用波長在４４０逡逑ｒｎｎ附近的激光器作激發(fā)光光源，同時(shí)選擇能夠截止短波長激發(fā)光保留長波長熒光的高逡逑通濾光片。逡逑——吸收光譜逡逑－－－熒光光譜邐沖逡逑ｄ逡逑Ｉ邋｜邐Ｉ邋Ｉ邐＇邋Ｉ邐■邋Ｉ邐＇邋Ｉ邐＇邐＼邐＇邋Ｉ逡逑３５０邐４００邐４５０邐５００邐５５０邐６００邐６５０邐７００逡逑波長（ｎｍ）逡逑圖２．３葉綠素ａ乙醇溶液的吸收光譜和熒光光譜圖［１Ｑ２］逡逑測量萊茵衣藻的平面分布

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)會議論文 前1條

1 曾利;吳一紅;趙懿s

本文編號：2802401