复杂流动中典型赤潮藻聚集的水动力机制研究
发布时间：2021-10-31 23:38
赤潮引发的水环境污染和水生态损害问题日益突出。水动力在藻类的迁移、分布和聚集过程中起到重要作用,明确复杂流动中典型赤潮藻迁移、聚集的水动力影响机制对认识和预测赤潮的发生发展过程具有重要意义。本文研究了静水及三维涡量场中典型赤潮藻的自主游动特性;构建了定量描述典型赤潮藻迁移、聚集的数学模型,模拟了典型赤潮藻在复杂流动中的运动轨迹及空间分布;揭示了复杂流动中典型赤潮藻聚集的水动力机制,从水动力学角度解释了大亚湾不同区域、不同风向、不同风速下赤潮暴发现象,可为赤潮等生态灾害的预测和防控提供重要科学依据与技术支撑。论文取得的主要成果如下:（1）系统研究了典型赤潮藻的自主游动特性。采用激光诱导荧光技术测量了静水环境中赤潮异弯藻的游动轨迹,获取了藻细胞的游动速率及游动方向的概率分布,给出了藻细胞的重定位时间B和旋转扩散系数Dr。结果表明赤潮异弯藻在水平方向上的游动为各向同性,水平游动速度呈高斯分布;在竖直方向偏好向上,平均垂向游动速度约为105 μm/s;赤潮异弯藻总平均游动速度约为144 μm/s,重定位时间B为5.6 s,旋转扩散系数Dr.为0.046 rad2/s。（2）研究了三维祸量场中典...
【文章来源】：中国水利水电科学研究院北京市
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１实验装置图??（１）水槽系统??水槽系统包括测试槽和保温盒
光能量的激光波段及藻细胞发出的荧光光谱。实验利用荧光分光光度计（ＨＩＴＡＣＨＩ，??Ｆ－７０００ＦＬ）测量了同一浓度的赤潮异弯藻细胞悬浮液在不同波长的激光激发下的荧光特??性，激发光光谱及藻细胞的荧光光谱如图２．２所示。在４２０－４８０?ｎｍ波段激发光照射下赤??潮异弯藻荧光峰值位于６８５?ｎｍ左右，由图中不同激发光下的荧光峰值能量可知４５０?ｒｎｎ??的激光激发赤潮异弯藻产生的荧光能量最强。??因此，在后续实验中将采用波长为４４７?ｎｍ的激光器（ＭＤＬ－Ｆ－４４７ｎｍ－３．５Ｗ－１６０１）作??为照明光源。为了滤掉激光的影响，实验在拍摄藻细胞图片时在相机镜头前加装５５０?ｎｍ??高通滤光片，滤光片的截止率９９．５％以上，透过率９０％，保证暗室条件下图像采集到的??光信号为藻细胞的荧光。??１．０?????４３０?ｎｍ??４４０?ｎｍ??４５０?ｎｍ??４６０?ｎｍ??４７０?ｎｍ??０．０?－??■ｒ?■?：：Ｌ＾??３５０?４００?４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００?７５０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图２．２?４２０－４８０?ｎｍ激发光下赤潮异弯藻的荧光光谱??（２）赤潮异弯藻游动轨迹测量??实验基于赤潮异弯藻的荧光频谱特性采集荧光信号，获取藻细胞的空间位置，通过??多个时间序列的叠加得到细胞的轨迹。??实验均在室温２５?°Ｃ环境中进行
图２．３赤潮异弯藻图片：（ａ）游动的藻细胞，（ｂ）群体藻细胞运动轨迹，（ｃ）单个藻细胞轨迹??（２）定义游动速度及方向??为了方便数据的统计分析，引入如图２．４所示的笛卡尔坐标系。；ｃ轴与激光片光面??重合，ｙ轴垂直于相机拍摄面，Ｚ轴垂直向上。细胞在Ｘ和Ｚ方向上的游动速度由公式??２．１－２．２计算得出，??Ｘｋ?—??ＶＸ?＝?Ｋ－－－?－－?（２．１）??Ａｔ?、?Ｊ??Ｚｌ－?＿?Ｚｋ—飞??Ｖｚ?＝?Ｋ－ｋ?－?（２．２）??其中（ｘ＾ｚ＊）和为藻细胞在第Ａ：桢和／ｒ－ｌ桢中的像素位置，尺（６．９５?（ｉｍ／ｐｉｘｅｌ）为转换??系数，Ａｆ?（０．５?ｓ）为两帧图像的时间间隔。假设藻细胞在ｘ－＿ｙ平面游动方向各向同性，贝ＩＪ??Ｋｖ＝＾，因此藻细胞游动的总速度可定义为??ｖ?＝?Ｊｖｘ２?＋?Ｋｙ２?＋?ｌ／ｚ２?＝?ｙｆＷ＋Ｗ?＝?Ｗ＋ｖＩ?（２．３）??其中Ｒ是细胞在ｘ－ｙ平面中运动的总速度。将细胞在ｒ－ｚ平面和ｘ－ｚ平面游动的角度分别??定义为０和《，如图２．４（ａ）－（ｂ）所示。??１７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度、盐度和硅酸钠浓度对中肋骨条藻生长的影响[J]. 王志宝,赵奎峰,梁黎明,杜荣斌,王仁龙,刘立明. 烟台大学学报(自然科学与工程版). 2018(03)
[2]秋季太湖梅梁湾蓝藻的原位增殖与垂直分布[J]. 周起超,赵爽,彭成荣,沈伟,宋立荣. 生态科学. 2016(05)
[3]基于FBM法追踪秦皇岛海域赤潮迁移扩散[J]. 匡翠萍,谢华浪,苏平,顾杰,冒小丹. 中国环境科学. 2016(08)
[4]流速对水库水华优势种铜绿微囊藻生长的影响研究[J]. 宋洋,张陵蕾,陈旻,蔡俊驰,李嘉. 四川大学学报(工程科学版). 2016(S1)
[5]三峡水库支流水华机理及其调控技术研究进展[J]. 刘德富,杨正健,纪道斌,马骏,崔玉洁,宋林旭. 水利学报. 2016(03)
[6]微囊藻属一日内垂向分布的数值模拟[J]. 俞茜,刘昭伟,陈永灿,朱德军. 中国环境科学. 2015(06)
[7]基于CE-QUAL-W2模型的龙川江支库富营养化预测[J]. 梁俐,邓云,郑美芳,魏希. 长江流域资源与环境. 2014(S1)
[8]主要环境因子对一株红色赤潮藻（Akashiwo sanguinea）生长的影响[J]. 陈田田,白洁,李才文,宋书群,刘云. 海洋环境科学. 2014(05)
[9]紊流脉动强度对藻类生长及水环境的影响研究[J]. 雷雨,龙天渝,伞磊,安强,黄宁秋. 环境科学. 2013(05)
[10]一次陆源降雨污水引起血红哈卡藻赤潮的成因[J]. 刘义豪,宋秀凯,靳洋,高继庆,秦华伟,白艳艳,李斌,张利民. 生态学报. 2012(15)
博士论文
[1]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[D]. 刘丰.中国水利水电科学研究院 2018
[2]分层异重流背景下三峡水库典型支流水华生消机理及其调控[D]. 杨正健.武汉大学 2014
[3]三峡水库香溪河库湾水华生消机理研究[D]. 黄钰铃.西北农林科技大学 2007
硕士论文
[1]不同氮源对典型赤潮藻类生长的影响[D]. 乔倩.暨南大学 2016
[2]流速对藻类生长影响试验及应用研究[D]. 王建慧.清华大学 2012
[3]基于藻类垂直迁移的香溪河水华暴发模型及三峡水库调控方案研究[D]. 杨正健.三峡大学 2010
[4]大亚湾海域海洋卡盾藻生长特征及地理来源研究[D]. 袁美玲.暨南大学 2007
本文编号：3469087
【文章来源】：中国水利水电科学研究院北京市
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１实验装置图??（１）水槽系统??水槽系统包括测试槽和保温盒
光能量的激光波段及藻细胞发出的荧光光谱。实验利用荧光分光光度计（ＨＩＴＡＣＨＩ，??Ｆ－７０００ＦＬ）测量了同一浓度的赤潮异弯藻细胞悬浮液在不同波长的激光激发下的荧光特??性，激发光光谱及藻细胞的荧光光谱如图２．２所示。在４２０－４８０?ｎｍ波段激发光照射下赤??潮异弯藻荧光峰值位于６８５?ｎｍ左右，由图中不同激发光下的荧光峰值能量可知４５０?ｒｎｎ??的激光激发赤潮异弯藻产生的荧光能量最强。??因此，在后续实验中将采用波长为４４７?ｎｍ的激光器（ＭＤＬ－Ｆ－４４７ｎｍ－３．５Ｗ－１６０１）作??为照明光源。为了滤掉激光的影响，实验在拍摄藻细胞图片时在相机镜头前加装５５０?ｎｍ??高通滤光片，滤光片的截止率９９．５％以上，透过率９０％，保证暗室条件下图像采集到的??光信号为藻细胞的荧光。??１．０?????４３０?ｎｍ??４４０?ｎｍ??４５０?ｎｍ??４６０?ｎｍ??４７０?ｎｍ??０．０?－??■ｒ?■?：：Ｌ＾??３５０?４００?４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００?７５０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图２．２?４２０－４８０?ｎｍ激发光下赤潮异弯藻的荧光光谱??（２）赤潮异弯藻游动轨迹测量??实验基于赤潮异弯藻的荧光频谱特性采集荧光信号，获取藻细胞的空间位置，通过??多个时间序列的叠加得到细胞的轨迹。??实验均在室温２５?°Ｃ环境中进行
图２．３赤潮异弯藻图片：（ａ）游动的藻细胞，（ｂ）群体藻细胞运动轨迹，（ｃ）单个藻细胞轨迹??（２）定义游动速度及方向??为了方便数据的统计分析，引入如图２．４所示的笛卡尔坐标系。；ｃ轴与激光片光面??重合，ｙ轴垂直于相机拍摄面，Ｚ轴垂直向上。细胞在Ｘ和Ｚ方向上的游动速度由公式??２．１－２．２计算得出，??Ｘｋ?—??ＶＸ?＝?Ｋ－－－?－－?（２．１）??Ａｔ?、?Ｊ??Ｚｌ－?＿?Ｚｋ—飞??Ｖｚ?＝?Ｋ－ｋ?－?（２．２）??其中（ｘ＾ｚ＊）和为藻细胞在第Ａ：桢和／ｒ－ｌ桢中的像素位置，尺（６．９５?（ｉｍ／ｐｉｘｅｌ）为转换??系数，Ａｆ?（０．５?ｓ）为两帧图像的时间间隔。假设藻细胞在ｘ－＿ｙ平面游动方向各向同性，贝ＩＪ??Ｋｖ＝＾，因此藻细胞游动的总速度可定义为??ｖ?＝?Ｊｖｘ２?＋?Ｋｙ２?＋?ｌ／ｚ２?＝?ｙｆＷ＋Ｗ?＝?Ｗ＋ｖＩ?（２．３）??其中Ｒ是细胞在ｘ－ｙ平面中运动的总速度。将细胞在ｒ－ｚ平面和ｘ－ｚ平面游动的角度分别??定义为０和《，如图２．４（ａ）－（ｂ）所示。??１７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度、盐度和硅酸钠浓度对中肋骨条藻生长的影响[J]. 王志宝,赵奎峰,梁黎明,杜荣斌,王仁龙,刘立明. 烟台大学学报(自然科学与工程版). 2018(03)
[2]秋季太湖梅梁湾蓝藻的原位增殖与垂直分布[J]. 周起超,赵爽,彭成荣,沈伟,宋立荣. 生态科学. 2016(05)
[3]基于FBM法追踪秦皇岛海域赤潮迁移扩散[J]. 匡翠萍,谢华浪,苏平,顾杰,冒小丹. 中国环境科学. 2016(08)
[4]流速对水库水华优势种铜绿微囊藻生长的影响研究[J]. 宋洋,张陵蕾,陈旻,蔡俊驰,李嘉. 四川大学学报(工程科学版). 2016(S1)
[5]三峡水库支流水华机理及其调控技术研究进展[J]. 刘德富,杨正健,纪道斌,马骏,崔玉洁,宋林旭. 水利学报. 2016(03)
[6]微囊藻属一日内垂向分布的数值模拟[J]. 俞茜,刘昭伟,陈永灿,朱德军. 中国环境科学. 2015(06)
[7]基于CE-QUAL-W2模型的龙川江支库富营养化预测[J]. 梁俐,邓云,郑美芳,魏希. 长江流域资源与环境. 2014(S1)
[8]主要环境因子对一株红色赤潮藻（Akashiwo sanguinea）生长的影响[J]. 陈田田,白洁,李才文,宋书群,刘云. 海洋环境科学. 2014(05)
[9]紊流脉动强度对藻类生长及水环境的影响研究[J]. 雷雨,龙天渝,伞磊,安强,黄宁秋. 环境科学. 2013(05)
[10]一次陆源降雨污水引起血红哈卡藻赤潮的成因[J]. 刘义豪,宋秀凯,靳洋,高继庆,秦华伟,白艳艳,李斌,张利民. 生态学报. 2012(15)
博士论文
[1]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[D]. 刘丰.中国水利水电科学研究院 2018
[2]分层异重流背景下三峡水库典型支流水华生消机理及其调控[D]. 杨正健.武汉大学 2014
[3]三峡水库香溪河库湾水华生消机理研究[D]. 黄钰铃.西北农林科技大学 2007
硕士论文
[1]不同氮源对典型赤潮藻类生长的影响[D]. 乔倩.暨南大学 2016
[2]流速对藻类生长影响试验及应用研究[D]. 王建慧.清华大学 2012
[3]基于藻类垂直迁移的香溪河水华暴发模型及三峡水库调控方案研究[D]. 杨正健.三峡大学 2010
[4]大亚湾海域海洋卡盾藻生长特征及地理来源研究[D]. 袁美玲.暨南大学 2007
本文编号：3469087
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