CN103039349B

CN103039349B - 一种研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法

Info

Publication number: CN103039349B
Application number: CN2013100018566A
Authority: CN
Inventors: 龙天渝; 伞磊; 赵广; 肖星; 刘佳; 安强; 雷雨
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103039349A

Abstract

本发明公开了一种研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，1）先在水箱内放置振动格栅，并在水箱中加入实验水体使振动格栅淹没于水体中；2）在电机的驱动下使振动格栅在上下方向来回振动，在振动时，通过日光灯冷光源模拟光照环境，水箱中设置可调式绝缘电热棒以调节水温；3）在实验期间，每天观察并记录实验水体的变化，测量水质指标，实验周期不少于15天。本方法可以消除紊流平均速度和剪切力这两个因素对研究的影响，解决了水体表层紊流脉动强度的模拟问题，并结合底泥氮磷营养盐的析出与吸附、pH、溶解氧等因素，研究了自然水体紊流脉动强度中藻类的生长规律及优势藻类演替的变化。

Description

一种研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法

技术领域

本发明涉及对水体中藻类生长研究方法的改进，具体指一种研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，属于藻类生长规律研究和水体富营养化预防和治理领域。

背景技术

水体富营养化是全球性的水环境问题，它导致藻类异常增殖形成水华，水体腥臭难闻，鱼类大量死亡，水质急剧下降并失去其使用价值。藻类水华爆发涉及营养盐、水动力、环境等多方面因素。以往研究多集中在营养盐方面，即考虑如何通过减少水体中氮磷等营养盐浓度控制藻类生长繁殖，而对于影响藻类生长规律的水动力因素研究较少。仅有的研究也只是对流速或流态进行分析，且尚未形成统一结论。这主要是由于水动力因素复杂多变，其涉及次级河流回水、风力以及降雨等因子，物理化学过程难以分析，相关物理量难于测量。目前的水动力因素研究方法笼统，单一，不够深入和具体，影响了对水体藻类生长及优势藻类演替机理等的深入研究。自然水体中，紊流脉动对于藻类生长影响较为突出。例如，三峡库区蓄水后的次级河流回水段，尽管水库蓄水区的流速极低，但水力半径较大，流动仍然处于紊流状态，水华频繁爆发；在浅水湖泊类水体藻华发生事件中，风引起水体表层持续频繁扰动，形成紊流脉动，也成为明显的诱因。

目前，由于直接紊流脉动的测量非常困难，国内外学者对紊流脉动对藻类生长及优势藻类演替的研究较少。另外，由于紊流涉及三个关键因素--紊流平均速度、剪切力和紊流脉动强度，即使有研究紊流脉动对藻类生长及优势藻类演替的影响，也只是笼统的研究，即紊流所有因素的共同作用下的影响，而不能将紊流三个关键因素各自对藻类生长的影响分别表述，因为在目前的研究水平下，当研究其中一个因素对藻类生长的影响时，还难以将其余两个因素剔除。比如要研究紊流脉动强度对藻类生长的影响时，就难以剔除紊流平均速度和剪切力这两个因素的影响。因此，这三个因素各自对藻类生长的影响如何，目前掌握得非常少，也难以有效利用这些因素的影响来针对性地进行水体富营养化的预防和治理。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，本方法可以消除紊流平均速度和剪切力这两个因素对研究的影响，解决了水体表层紊流脉动强度的模拟问题，并结合底泥氮磷营养盐的析出与吸附、pH、溶解氧等因素，研究了自然水体紊流脉动强度中藻类的生长规律及优势藻类演替的变化。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

一种研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，按如下步骤进行：

1）先在一个透光水箱内放置水平的振动格栅，振动格栅孔隙率大于60%，并在水箱中加入实验水体使振动格栅淹没于水体中，实验水体取至自带藻类的自然水体；

2）在电机的驱动下，使振动格栅在上下方向来回振动，振动频率0.5～2.0Hz，由格栅振动频率表征紊流脉动强度；振动格栅振动的最高位低于水面8～10cm以模拟水体表层的紊流脉动强度；

在振动格栅按上述频率振动时，通过水箱外上方设置的日光灯冷光源以模拟光照环境，且日光灯冷光源的光照强度可调节；水箱中设置可调式绝缘电热棒以调节水温；

3）在实验期间，每天观察并记录实验水体的变化至少一次，实验测量水质指标包括Chl-a浓度、总氮量、总磷量、pH值和溶解氧浓度，实验周期不少于15天。

在水箱底部铺设5.0-6.0cm厚的海绵层，以对格栅振动产生的水波在水箱底部反射后带来的叠加现象进行消波处理；或者在水箱底部铺设5.0-6.0cm厚的富含氮磷营养盐的河流底泥。水箱底部铺设海绵层可以用于研究紊流脉动强度对自然水体混合藻生长规律及对水环境的影响，铺设河流底泥可以用于研究浅层水体不同紊流脉动强度下对底泥氮磷营养盐的析出以及藻类生长的影响。

本发明实现格栅振动的具体方案为：所述水箱位于钢结构支架内，电机固定在钢结构支架上方，在电机的输出轴上安装有传动圆盘；在传动圆盘上通过销轴安装有可绕销轴转动的偏心传动杆，偏心传动杆通过销轴与竖直的格栅传动杆活动连接，振动格栅固定在格栅传动杆上；在水箱底部设有竖向的导向套筒，格栅传动杆下端位于导向套筒中并在电机带动格栅传动杆上下移动时不脱离导向套筒。上述实现格栅振动的结构即构成本方法使用的垂直振动格栅紊流装置。

本发明在水华预防与治理方面提供了新的研究突破方向，提供了一种剔除紊流其它影响因素、仅研究紊流脉动这一水动力因子对藻类生长规律以及优势藻类演替影响的模拟研究方法。在研究的同时，结合水箱底部填充富含氮磷等营养盐的河流底泥，改变光照、水温以及pH等条件，就形成了水动力因素、营养盐因素以及环境因素对藻类生长影响综合影响体系。本发明将格栅垂直振动应用于环境水力学和微生物相结合的领域，改变了研究水华的传统思路，实现紊流脉动强度这一单一因素对藻类生长及优势藻类演替影响的研究，所得研究结果对于水华预防治理具有理论指导意义。

本发明使用的垂直振动格栅紊流装置结构简单、制作方便且便于管理和使用。

附图说明

图1-本发明垂直振动格栅紊流装置立体结构图。

图2-本发明垂直振动格栅紊流装置正面结构图。

图3-本发明振动格栅结构图。

具体实施方式

格栅紊流是一种研究紊流水体的有效手段，较多的应用于水体分层研究、泥沙运动规律研究以及污染物吸附与析出等其他领域。1939年Rouse首次使用振动格栅紊流研究泥沙悬浮，随后Hopfinger和Toly使用热膜探头测量紊流脉动均方根速度，提出了均方根速度表达式：

由振动式格栅生成的紊流可简称为振动格栅紊流（Vibrating Grid Turbulence），格栅条正交组成的方形格栅由电机驱动，在水箱中做垂直运动。随着格栅往复运动，在格栅开口处形成射流，格栅条上下方形成尾流，射流与尾流相互作用，在距格栅一定范围内生成近似各向同性的紊流。研究表明，格栅孔隙率（定义为格栅开口面积与格栅总面积之比）大于60%，尾流和射流结构稳定，能够形成稳定的紊流脉动场。固定格栅紊流不同的只是在于水体是流动的，格栅固定在水箱中，其机理与前者相似。振动格栅紊流（VGT）不存在平均流动，没有平均剪切力，在一定流动区域内具有水平向均匀，近似各向同性的特点。它能够剔除通常紊流中三个关键因素中的紊流平均速度和剪切力，将紊流脉动强度成为实验模拟流场中唯一存在的水动力因子，为研究紊流脉动强度对藻类生长的作用提供了条件。

本发明具体实现方案如下：

1）先在一个水箱内放置水平的振动格栅，振动格栅孔隙率大于60%，并在水箱中加入实验水体使振动格栅淹没于水体中，实验水体取至自带藻类的自然水体；水箱用透光性好、坚固耐用材料（如有机玻璃等）制得；

2）在电机的驱动下，使振动格栅在上下方向来回振动，振动频率0.5～2.0Hz，由格栅振动频率表征紊流脉动强度；振动格栅振动的最高位低于水面8～10cm以模拟水体表层（如三峡库区蓄水后的次级河流回水段）的紊流脉动强度；

在水箱底部铺设5.0-6.0cm厚的海绵层，以对格栅振动产生的水波在水箱底部反射后带来的叠加现象进行消波处理；或者在水箱底部铺设5.0-6.0cm厚的富含氮磷营养盐的河流底泥。水箱底部铺设海绵层可以用于研究紊流脉动强度对自然水体混合藻生长规律及对水环境的影响，铺设河流底泥可以用于研究浅层水体不同紊流脉动强度下对底泥氮磷营养盐的析出以及藻类生长的影响。为模拟实际湖库水体底部的状况，振动格栅最低位距水箱底部海绵层或河流底泥不低于15cm，以避免破坏底部的层流底层。

本发明实现格栅振动的具体方案为：所述水箱2位于钢结构支架1内，电机3固定在钢结构支架1上方，在电机3的输出轴上安装有传动圆盘4；在传动圆盘4上通过销轴安装有可绕销轴转动的偏心传动杆5，偏心传动杆5通过销轴与竖直的格栅传动杆6活动连接，振动格栅7固定在格栅传动杆6上；在水箱2底部设有竖向的导向套筒8，格栅传动杆6下端位于导向套筒8中并在电机带动格栅传动杆上下移动时不脱离导向套筒。电机的转速由电机调速器控制，即控制格栅振动频率。上述实现格栅振动的结构即构成本方法使用的垂直振动格栅紊流装置，见图1和图2。

图3为本发明振动格栅结构图。作为一个优选实施例，本振动格栅横竖均由5条格栅条构成，格栅条的长宽为30×1cm，横竖格栅条形成的方形孔边长为5cm（即同方向格栅条平行间距），格栅条两端的外露长度均为2.5cm，这样的格栅孔隙率为0.69，很好地满足了本发明研究的需要。在振动格栅中心部位的格栅条上设有小孔，格栅传动杆6穿过该小孔将振动格栅7固定。

本发明利用垂直振动格栅在水体表层一定范围内生成近似各向同性的紊流，研究自然水体中藻类在单一水动力因子-紊流脉动强度下的生长规律及其水环境。同时，结合水箱底部填充富含氮磷营养盐的河流底泥，控制外界环境因素，能综合模拟水动力因素、营养盐因素以及环境因素下藻类生长特性的变化，所得研究结构更具有针对性。本方法所用装置结构简单，实用，便于安装和使用。

以下给出两个实施例以帮助对本发明的进一步理解。

实施例1、研究紊流脉动强度对自然水体混合藻生长规律的及水环境的影响。

在水华高爆发时期，取磁器口段上下游无污染物排放的嘉陵江水作为实验水体（通过文献及实验得知，实验水体混合藻类中优势藻为硅藻，约占47.32%），于室内静置一天后，分别移入5个垂直振动格栅紊流装置，使振动格栅垂直最高距离低于水面8～10cm。设置上述装置的振动频率分别为0 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、1.5 Hz、2.0 Hz。由可调式绝缘电热棒控制水体水温在20℃左右；用日光灯冷光源控制水体光照强度为5000lx，光暗时间比为10h:14h。每天观察并记录实验水体的变化，实验测量水质指标包括Chl-a浓度、总氮（TN）、总磷（TP）、pH值和溶解氧（DO）等,实验周期为20天。

实施例2、研究浅层水体不同紊流脉动强度下对底泥氮磷营养盐的析出以及藻类生长的影响。

在嘉陵江河流枯水期，取河岸浅水处泥沙，均匀填入垂直振动格栅紊流装置水箱底部约5cm厚。实验水体获取如实施例1，待水箱底部泥沙压实后，将实验水体缓慢加入水箱，使振动格栅垂直最高距离低于水面8～10cm，实验光照和水温条件和实施例1一致。每天观察并记录实验水体的变化，实验测量水质指标包括Chl-a浓度、总氮（TN）、总磷（TP）、pH值和溶解氧（DO）等,实验周期为20天。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，其特征在于，按如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，其特征在于，在水箱底部铺设5.0-6.0cm厚的海绵层，以对格栅振动产生的水波在水箱底部反射后带来的叠加现象进行消波处理。

3.根据权利要求1所述的研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，其特征在于，在水箱底部铺设5.0-6.0cm厚的富含氮磷营养盐的河流底泥。

4.根据权利要求1或2或3所述的研究紊流脉动强度对藻类生长及优势藻类演替影响的方法，其特征在于：所述水箱（2）位于钢结构支架（1）内，电机（3）固定在钢结构支架（1）上方，在电机（3）的输出轴上安装有传动圆盘（4）；在传动圆盘（4）上通过销轴安装有可绕销轴转动的偏心传动杆（5），偏心传动杆（5）通过销轴与竖直的格栅传动杆（6）活动连接，振动格栅（7）固定在格栅传动杆（6）上；在水箱（2）底部设有竖向的导向套筒（8），格栅传动杆（6）下端位于导向套筒（8）中并在电机带动格栅传动杆上下移动时不脱离导向套筒。