水动力条件下蓝藻垂直迁移过程的实验与模型研究

Cyanobacteria blooms in lakes have become one of the major problems in aquatic environment in China, which are generally due to the process of amount of cyanobacteria colonies scattered in the water body floating and gathering at the water surface in a short time under specific hydro-meteorological conditions. Therefore, studies on the vertical migration of cyanobacteria in the water body have significant meaning to the understanding of algal bloom mechanisms, as well as to cyanobacteria bloom forecasting and disaster mitigation. .In this project, vertical migration characteristics of common dominant species in cyanobacteria blooms (e.g., Microcystis) under hydrodynamic conditions are going to be studied based on theoretical analysis, experimental observation and numerical simulation. Influences of physical characteristics, buoyancy regulation mechanism, light, hydrodynamic disturbances and coagulation process of algal cells on their vertical migration are to be analyzed, and microscopic vertical migration model of algal particles is then to be established. Then hydrodynamic conditions of natural water bodies are considered, and macroscopic vertical migration mode is to be established based on the microscopic migration mechanism of algal particles coupled with a hydrodynamic model, through parameterization and multi-scale research methods. It is aim to explore the dynamics of cyanobacteria blooms from the point of view of hydrodynamics, to provide a scientific basis to reveal the hydrodynamic mechanisms of cyanobacteria blooms.

湖泊蓝藻水华已经成为我国面临的重大水环境问题之一。蓝藻水华的发生过程是由于特定的水文气象条件导致分散在水体内的一定量的蓝藻群体漂浮、聚集到水体表层而形成的，因此研究蓝藻在水体中的垂直迁移过程对于认识水华的发生机理、预测预报、减轻水华灾害具有重要意义。本项目拟以湖泊蓝藻水华中常见的优势种（例如，微囊藻）为例，侧重研究其在水动力条件下的垂直迁移特征，通过理论分析、实验观测和数值模拟相结合的方法，分析藻体物理特征、浮力调节机制、光照、水动力扰动以及藻体积聚等主要因素对藻体垂直迁移过程的影响，建立微观的藻体颗粒垂直迁移模型；并考虑实际情况下的水动力条件，通过参数化和多尺度研究方法，将微观的迁移机理模型与宏观的水动力模型相结合，建立具有实际应用意义的垂直迁移模型，尝试从水动力学角度探讨藻类水华发生的动力学特征，为揭示水华发生的水动力学机制提供科学依据。

湖泊富营养化导致的蓝藻水华已经成为我国面临的重大水环境问题之一。蓝藻水华的发生通常是由于特定的水文气象条件导致分散在水体内的一定量的蓝藻群体漂浮、聚集到水体表层而形成的。因此，研究和探讨蓝藻在水体中的垂直迁移过程及其影响因素对于认识水华的发生机理、预测预报以及防灾减灾等都具有重要意义。本项目以我国湖泊水华灾害为大的研究背景，从“微观”和宏观两个层次开展深入研究。在“微观”层次上，重点针对藻类在水体中的垂直迁移过程，基于藻类的自身特性建立了藻类群体的垂直迁移模型，分析了藻体的物理特征（如群体粒径）、光照、扰动（如风场）等对藻体垂直迁移过程的影响，发现颗粒直径对藻体垂直迁移的影响最大，不仅影响迁移的幅度，而且影响迁移的周期；其次是光照强度，模拟结果表明存在影响表面水华形成的临界光照条件，并以藻体在水面的停留时间为判据将光照强度划分为不发生水华、发生持久性水华和周期性水华三个范围。在宏观尺度上，重点探讨了水文气象和水动力条件对湖泊水华形成的影响，通过适当简化，建立了风驱动下的席状水华漂移理论模型，结果表明片席状水华的移动速度与风速呈二次函数关系，当风速一定时，水华薄层的迁移速度随厚度和空气密度增大而增大、随自身密度及动力粘度的增大而减小；研究提出了以拖曳数En（水流特征速度与藻体特征速度的比值）作为湖泊表面水华形成的临界条件判据，结合实测数据，认为太湖表面水华形成的临界En值约为20；以抚仙湖为例探讨了湖泊尺度的风场不均匀性对流场计算结果的影响，结果发现由于区域地形变化不均匀，湖面上方的水平风场存在一定的空间差异性，这种差异性会进一步影响到风生流场的计算结果（例如主体流向和局部环流结构）；以太湖为例，研究了风生湖流和波浪之间的相互作用，结果表明湖流对波浪的影响比波浪对湖流的影响更为显著，而且这种相互作用对表层水体中悬浮颗粒输运的影响大于其对溶质输运的影响，因此在需要考虑藻类的颗粒性时计算其迁移过程应当适当考虑波流相互作用的影响。本项目的这些研究成果对于更加深入地认识湖泊水华以及水文气象条件对水华发生的影响具有一定的理论和实践意义。