复杂流动中典型赤潮藻聚集的水动力机制研究

论文摘要

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型赤潮藻的游动方向与扩散特性。利用Fokker-Planck模型建立赤潮异弯藻游动速度及平移扩散张量与水流涡量之间的对应关系,揭示了三维涡量场中典型赤潮藻的游动特性。结果表明水平涡量较小时,藻细胞具有显著的定向游动能力,藻细胞平移扩散展现出明显的各向异性。随着涡量值的增大,藻细胞定向游动能力减弱,平移扩散趋于各向同性。垂向涡量可减缓藻细胞垂向速度趋近于零的过程,使得藻细胞在较大水平涡量作用下也能保持一定的游动速度,不易被致旋捕获。（3）研究了复杂流动中典型赤潮藻浓度分布的特征与规律。采用PIV和PLIF方法研究了射流流场和赤潮异弯藻浓度分布,首次在实验中发现复杂流动中典型赤潮藻的团状聚集现象,与二维流动中浮游植物薄层的现象有明显区别。通过活藻细胞和死藻细胞的对比实验发现两种藻细胞在实验中分布存在明显差异:失去活性的藻细胞在整个流动中无聚集现象;活藻细胞受到“涡量捕获”的作用,在射流喷口两侧呈对称团状聚集,表明藻细胞自身游动对其聚集分布具有重要作用。（4）建立了复杂流动中典型赤潮藻迁移的活性粒子模型。研发了可考虑藻细胞游动随机性与定向性的活性粒子模型,模拟了赤潮异弯藻在射流中的运动轨迹及浓度分布。数值模拟结果与实验符合较好,数学模型可以较好地模拟涡流区藻类的团状聚集现象。（5）深入研究了大亚湾赤潮暴发的水动力机制。通过实测资料和有关文献分析,明确了风向和风速是引发大亚湾赤潮暴发的关键因素。研究了风对大亚湾海域流态特征及其对赤潮藻垂向分布的影响,较好地解释了不同区域、不同风向和不同风速下赤潮暴发现象。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 藻类自身游动特性研究

1.2.2 藻类聚集的水动力机制

1.2.3 藻类迁移分布的数值模拟研究

1.2.4 相关研究的不足

1.3 研究内容与主要创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 主要创新点

第二章赤潮异弯藻自身游动特性的实验研究

2.1 实验装置及方法

2.1.1 藻种选取

2.1.2 实验设计

2.1.3 实验方法

2.1.4 实验图像处理与数据统计

2.2 赤潮异弯藻游动特征

2.2.1 藻细胞运动轨迹

2.2.2 藻细胞运动速度分布

2.2.3 藻细胞运动方向分布

2.3 藻细胞的重力致旋参数与旋转扩散系数

2.3.1 偏向性参数λ

2.3.2 重定位时间B

r'> 2.3.3 旋转扩散系数D_r

2.4 小结

第三章三维涡量场中典型赤潮藻游动特性研究

3.1 Fokker-Planck方程

3.2 水平涡量场中藻细胞游动特性

3.2.1 藻细胞的游动方向

3.2.2 藻细胞的扩散特性

3.3 三维涡量场中藻细胞的游动特性

3.3.1 藻细胞的游动方向

3.3.2 藻细胞的扩散特性

3.4 小结

第四章复杂流动中典型赤潮藻分布的实验研究

4.1 实验装置及方法

4.1.1 实验设计

4.1.2 实验方法

4.1.3 图像处理与数据统计

4.2 流场和涡量分布

4.2.1 流速场分布

4.2.2 涡量场分布

4.3 藻细胞浓度分布

4.3.1 活藻细胞浓度分布

4.3.2 死藻细胞浓度分布

4.4 小结

第五章复杂流动中赤潮异弯藻分布的数值模拟研究

5.1 数值模拟方法

5.2 活性粒子模型

5.3 藻细胞运动轨迹及空间分布

5.3.1 单个藻细胞运动轨迹分析

5.3.2 藻细胞浓度场分布

5.4 小结

第六章大亚湾赤潮暴发的水动力机制研究

6.1 大亚湾海域赤潮暴发概况

6.2 大亚湾赤潮影响因素分析

6.2.1 电站排水温升对藻类的影响

6.2.2 藻类生长对赤潮暴发的影响

6.2.3 水动力影响

6.3 大亚湾海域风生流数值模拟计算

6.3.1 计算区域、网格及边界条件

6.3.2 工况设置

6.4 计算结果分析

6.4.1 流场分布

6.4.2 涡量分布

6.4.3 水动力对藻细胞垂向分布的影响

6.5 小结

第七章结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

附录

英文缩写

主要符号

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及取得的的研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈晓

导师: 吴一红,曾利

关键词: 赤潮藻,复杂流动,风生流,聚集,涡量,重力致旋性

来源: 中国水利水电科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 中国水利水电科学研究院

基金: 中国水科院研究生院

分类号: X55;X143

总页数: 136

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