异重流环境中游动型藻类与水动力耦合机制研究及数值模拟
发布时间：2020-08-24 11:22
【摘要】：湖泊、水库是人类社会的供水主体,是社会经济可持续发展的重要保障。随着人类活动的加剧,湖库水华频发成为世界范围内重大水环境问题。水华发生机制及水华防控是当前水环境研究的热点。藻类垂向分布的水动力机制主要是藻类自身游动与水动力耦合的力学机制,是水华发生机制的重要组成部分。异重流普遍存在于湖泊、水库中,与水华生消密切相关。本文以典型水华藻种莱茵衣藻为例,深入研究了莱茵衣藻自身游动特性,得到其游动特征参数;通过室内实验研究了异重流环境中藻类垂向分布特征和规律,揭示了异重流环境中藻类游动与水动力的耦合机制,建立了异重流环境中藻类垂向分布的数学模型;并以三峡支流香溪河为案例,分析了流态对水华生消的影响及藻类聚集的水动力机制,提出了水华防控的生态调度思路和建议。本文取得的主要成果和结论如下:(1)深入研究了莱茵衣藻自身游动特性并首次得出了其游动的特征参数。论文以典型水华藻种莱茵衣藻为研究对象,在排除光照、温度、营养盐等环境因子对藻类游动影响的基础上,深入研究了静水中莱茵衣藻自身游动特性及特征参数,结果表明莱茵衣藻游动能力约为106μm/s;游动方向明显偏好于向上;重定位时间B为10.8s,表征藻类游动的定向性;旋转扩散系数Dr为0.05rad2/s,表征其游动的随机性。(2)首次揭示了异重流环境中藻类垂向分布特征及其水动力机制。通过室内实验,研究了开闸式异重流中莱茵衣藻的垂向分布特征,发现藻类主要聚集在异重流中淡盐水交界面附近的强剪切区域;结合藻类的重力致旋性揭示了异重流环境中藻类聚集的水动力机制,发现异重流中存在明显的藻类聚集区域;并得到莱茵衣藻的水流剪切率阈值为0.13～0.15s-1。(3)建立了异重流环境中藻类游动与水动力耦合的数学模型。根据异重流环境中游动型藻类与水动力耦合机制研究,考虑藻类自身运动及水动力的影响,构建了异重流环境中游动型藻类垂向分布的立面二维数学模型,并得到室内实验以及香溪河实测数据规律的验证。(4)深入研究了香溪河水华频发区流态对水华生消的影响及机制。研究结果表明不分层流态中,藻类在垂向上均匀分布,不易暴发水华;中层倒流中,藻类主要聚集在表、中两层的交界面下,能在一定程度上抑制水华暴发;表层倒流中,藻类聚集在表层水体,容易暴发水华,且异重流强度越大,越有利于水华暴发。根据实测数据分析提出香溪河藻类水流剪切率阈值约为0.01～0.03s-1。(5)利用水动力影响藻类游动的力学机制更好地解释了香溪河水华发生规律。水华频发期异重流对水华生消的影响机制更主要的是通过水流粘性力矩的作用改变藻类垂向分布特征;而非通过改变光照、营养盐等环境因子影响藻类生长。水动力影响藻类游动的力学机制更好地解释了水华频发区位于回水区末端,以及表层水体中藻细胞密度的波动幅度远大于藻类原位增长速率的现象。(6)提出了三峡库区支流水华防控的生态调度新思路和建议。三峡水华频发区位于支流回水区末端,其流态同时受三峡库区水位和上游来流量的影响。本文发现上游来流对水华频发区流态的影响更大,提出结合三峡库区水位变动,调节上游来流量改变水华频发区局部流态的生态调度思路,并提出了具体调度原则和建议。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52
【图文】：
图２．１实验模型示意图逡逑１９逡逑
被激发后产生的光称为焚光，在激发光相对均勾的条件下，焚光光强与焚光逡逑物质的浓度有关，因此可以通过测量荧光光强反映荧光物质的分布［１＠。通常ＰＬＩＦ实验逡逑在暗室中进行，如图２．２所示，其测量系统包括激发光光源、截止激光法通过的滤光片、逡逑采集荧光图像的相机以及图像传输和存储系统。其中图像传输采集系统包括１块图像采逡逑集卡（ＭａｔｒｏｘＳｏｌｉｏｓＥｖ－ＣＬ），１台支持高速图像采集、储存的工控机，以及配套的图像逡逑采集卡驱动程序以实现计算机对相机的控制。实验中需要根据荧光物质的不同，选取合逡逑适的激发光光源和滤光片，尽量排除激发光的干扰，保证荧光强度，才能得到清晰的荧逡逑光图像。逡逑暗室逡逑！激光！１逦滤光片邋逦逡逑丨傲倾逦卜截止激发光丨：魏逦Ｉ逦＾存储系统逡逑逦！逡逑图２．２邋ＰＵＦ测量系统示意图逡逑（２）
逑分光能被转变成热能消散，约有０．５％？５％的光能以荧光的形式发射出来。由此可见叶绿逡逑素ａ的荧光效率非常低，因此选择光强强度相对较高的激光器作为光源。如图２．３所示，逡逑为叶绿素ａ乙醇溶液的吸收光谱和荧光光谱［１Ｇ２１，这种光谱主要是由叶绿素ａ的荧光特逡逑性决定的。所有浮游植物中均含有叶绿素ａ，因此不同种类的浮游植物具有相似的吸收逡逑光谱和荧光光谱。根据目前的研宄成果［１（）２］，活体浮游植物的吸收光谱中有两个峰值，其逡逑峰值波长分别在４４０ｎｍ邋（蓝紫光）和６７０ｎｍ邋（红光）附近，而其荧光光谱的峰值波长在逡逑６８５ｎｍ邋（红光）附近。叶绿素ａ的荧光转化效率非常低，因此需要选取靠近其吸收峰值逡逑波长的光源作为激发光。但是其吸收光谱的峰值波长６７０邋ｎｍ与荧光光谱的峰值波长６８５逡逑ｎｍ十分接近，难以通过滤光片在截止激发光的同时保留荧光。因此应选用波长在４４０逡逑ｒｎｎ附近的激光器作激发光光源，同时选择能够截止短波长激发光保留长波长荧光的高逡逑通滤光片。逡逑——吸收光谱逡逑－－－荧光光谱逦冲逡逑ｄ逡逑Ｉ邋｜逦Ｉ邋Ｉ逦＇邋Ｉ逦■邋Ｉ逦＇邋Ｉ逦＇逦＼逦＇邋Ｉ逡逑３５０逦４００逦４５０逦５００逦５５０逦６００逦６５０逦７００逡逑波长（ｎｍ）逡逑图２．３叶绿素ａ乙醇溶液的吸收光谱和荧光光谱图［１Ｑ２］逡逑测量莱茵衣藻的平面分布
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52
【图文】：
图２．１实验模型示意图逡逑１９逡逑
被激发后产生的光称为焚光，在激发光相对均勾的条件下，焚光光强与焚光逡逑物质的浓度有关，因此可以通过测量荧光光强反映荧光物质的分布［１＠。通常ＰＬＩＦ实验逡逑在暗室中进行，如图２．２所示，其测量系统包括激发光光源、截止激光法通过的滤光片、逡逑采集荧光图像的相机以及图像传输和存储系统。其中图像传输采集系统包括１块图像采逡逑集卡（ＭａｔｒｏｘＳｏｌｉｏｓＥｖ－ＣＬ），１台支持高速图像采集、储存的工控机，以及配套的图像逡逑采集卡驱动程序以实现计算机对相机的控制。实验中需要根据荧光物质的不同，选取合逡逑适的激发光光源和滤光片，尽量排除激发光的干扰，保证荧光强度，才能得到清晰的荧逡逑光图像。逡逑暗室逡逑！激光！１逦滤光片邋逦逡逑丨傲倾逦卜截止激发光丨：魏逦Ｉ逦＾存储系统逡逑逦！逡逑图２．２邋ＰＵＦ测量系统示意图逡逑（２）
逑分光能被转变成热能消散，约有０．５％？５％的光能以荧光的形式发射出来。由此可见叶绿逡逑素ａ的荧光效率非常低，因此选择光强强度相对较高的激光器作为光源。如图２．３所示，逡逑为叶绿素ａ乙醇溶液的吸收光谱和荧光光谱［１Ｇ２１，这种光谱主要是由叶绿素ａ的荧光特逡逑性决定的。所有浮游植物中均含有叶绿素ａ，因此不同种类的浮游植物具有相似的吸收逡逑光谱和荧光光谱。根据目前的研宄成果［１（）２］，活体浮游植物的吸收光谱中有两个峰值，其逡逑峰值波长分别在４４０ｎｍ邋（蓝紫光）和６７０ｎｍ邋（红光）附近，而其荧光光谱的峰值波长在逡逑６８５ｎｍ邋（红光）附近。叶绿素ａ的荧光转化效率非常低，因此需要选取靠近其吸收峰值逡逑波长的光源作为激发光。但是其吸收光谱的峰值波长６７０邋ｎｍ与荧光光谱的峰值波长６８５逡逑ｎｍ十分接近，难以通过滤光片在截止激发光的同时保留荧光。因此应选用波长在４４０逡逑ｒｎｎ附近的激光器作激发光光源，同时选择能够截止短波长激发光保留长波长荧光的高逡逑通滤光片。逡逑——吸收光谱逡逑－－－荧光光谱逦冲逡逑ｄ逡逑Ｉ邋｜逦Ｉ邋Ｉ逦＇邋Ｉ逦■邋Ｉ逦＇邋Ｉ逦＇逦＼逦＇邋Ｉ逡逑３５０逦４００逦４５０逦５００逦５５０逦６００逦６５０逦７００逡逑波长（ｎｍ）逡逑图２．３叶绿素ａ乙醇溶液的吸收光谱和荧光光谱图［１Ｑ２］逡逑测量莱茵衣藻的平面分布
【引证文献】
相关会议论文 前1条
1 曾利;吴一红;赵懿s
本文编号：2802401
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