水動力條件下藍藻垂直遷移過程的實驗與模型研究

《水動力條件下藍藻垂直遷移過程的實驗與模型研究》是依託中國科學院力學研究所，由姚波擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水動力條件下藍藻垂直遷移過程的實驗與模型研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：姚波
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

湖泊藍藻水華已經成為我國面臨的重大水環境問題之一。藍藻水華的發生過程是由於特定的水文氣象條件導致分散在水體內的一定量的藍藻群體漂浮、聚集到水體表層而形成的，因此研究藍藻在水體中的垂直遷移過程對於認識水華的發生機理、預測預報、減輕水華災害具有重要意義。本項目擬以湖泊藍藻水華中常見的優勢種（例如，微囊藻）為例，側重研究其在水動力條件下的垂直遷移特徵，通過理論分析、實驗觀測和數值模擬相結合的方法，分析藻體物理特徵、浮力調節機制、光照、水動力擾動以及藻體積聚等主要因素對藻體垂直遷移過程的影響，建立微觀的藻體顆粒垂直遷移模型；並考慮實際情況下的水動力條件，通過參數化和多尺度研究方法，將微觀的遷移機理模型與巨觀的水動力模型相結合，建立具有實際套用意義的垂直遷移模型，嘗試從水動力學角度探討藻類水華發生的動力學特徵，為揭示水華發生的水動力學機制提供科學依據。

結題摘要

湖泊富營養化導致的藍藻水華已經成為我國面臨的重大水環境問題之一。藍藻水華的發生通常是由於特定的水文氣象條件導致分散在水體內的一定量的藍藻群體漂浮、聚集到水體表層而形成的。因此，研究和探討藍藻在水體中的垂直遷移過程及其影響因素對於認識水華的發生機理、預測預報以及防災減災等都具有重要意義。本項目以我國湖泊水華災害為大的研究背景，從“微觀”和巨觀兩個層次開展深入研究。在“微觀”層次上，重點針對藻類在水體中的垂直遷移過程，基於藻類的自身特性建立了藻類群體的垂直遷移模型，分析了藻體的物理特徵（如群體粒徑）、光照、擾動（如風場）等對藻體垂直遷移過程的影響，發現顆粒直徑對藻體垂直遷移的影響最大，不僅影響遷移的幅度，而且影響遷移的周期；其次是光照強度，模擬結果表明存在影響表面水華形成的臨界光照條件，並以藻體在水面的停留時間為判據將光照強度劃分為不發生水華、發生持久性水華和周期性水華三個範圍。在巨觀尺度上，重點探討了水文氣象和水動力條件對湖泊水華形成的影響，通過適當簡化，建立了風驅動下的席狀水華漂移理論模型，結果表明片席狀水華的移動速度與風速呈二次函式關係，當風速一定時，水華薄層的遷移速度隨厚度和空氣密度增大而增大、隨自身密度及動力粘度的增大而減小；研究提出了以拖曳數En（水流特徵速度與藻體特徵速度的比值）作為湖泊表面水華形成的臨界條件判據，結合實測數據，認為太湖表面水華形成的臨界En值約為20；以撫仙湖為例探討了湖泊尺度的風場不均勻性對流場計算結果的影響，結果發現由於區域地形變化不均勻，湖面上方的水平風場存在一定的空間差異性，這種差異性會進一步影響到風生流場的計算結果（例如主體流向和局部環流結構）；以太湖為例，研究了風生湖流和波浪之間的相互作用，結果表明湖流對波浪的影響比波浪對湖流的影響更為顯著，而且這種相互作用對表層水體中懸浮顆粒輸運的影響大於其對溶質輸運的影響，因此在需要考慮藻類的顆粒性時計算其遷移過程應當適當考慮波流相互作用的影響。本項目的這些研究成果對於更加深入地認識湖泊水華以及水文氣象條件對水華發生的影響具有一定的理論和實踐意義。