基于临界层理论的水华生消机理实验研究

三峡水库蓄水后,支流库湾水华频发,为研究淡水湖库中混合层深度与水华的关系,结合临界层理论,在三峡水库支流神农溪库湾建立水上围隔,开展不同混合层深度即不同层化结构对藻类水华生消过程的影响实验。结果表明,Z_(eu)/Z_(mix)(真光层深度与混合层深度之比)1的围隔暴发水华,且其比值越大,叶绿素a浓度越高;反之Z_(eu)/Z_(mix)1的围隔藻类生长缓慢,没有暴发水华。实验结果证明临界层理论能很好地解释淡水湖库中水华的生消机理。     

三峡水库香溪河库湾冬季甲藻水华生消机理初探

2010年1—2月在香溪河库湾上、中、下游各选取1个监测点对水体环境因子及藻类进行监测,对水温、营养盐含量等进行分析,探讨香溪河库湾冬季甲藻水华的生消机理.结果表明:2010年冬季,香溪河库湾末端暴发了甲藻水华,持续44 d,优势藻种为拟多甲藻(Peridiniopsis sp.),最高细胞密度达到11.8×106L-1;适宜的水温、充足的营养盐以及良好的光照、弱分层水体是香溪河库湾冬季甲藻水华暴发的主要原因;ZmixZeu〔Zmix(混合层深度)与Zeu(真光层深度)之比〕在2～3之间时有利于甲藻生长;库湾中下游因水体掺混强烈而在冬季未暴发水华;后期水体分层状态的加强及ZmixZeu的减小是甲藻水华消失的主要原因.     

不同扰动强度对浮游藻类群落结构演替的影响

三峡水库蓄水后,库区支流水华频发。为研究水华生消机理,以中度扰动理论为指导,在神农溪支流水库敏感区域设立围隔实验系统,研究不同扰动强度对浮游藻类群落结构演替的影响。设置不同扰动强度,对围隔水体叶绿素a浓度(ρ(Chl-a))、浮游藻类细胞密度进行跟踪监测。结果表明,无扰动的围隔浮游藻类生长最迅速,并暴发水华,ρ(Chl-a)最高值达到53.725 mg/m3,浮游藻类细胞密度最高值达到111.42×106cells/L,而有扰动的围隔浮游藻类则生长缓慢,扰动越强ρ(Chl-a)及藻细胞密度越低,它们与扰动强度呈显著负相关(r1=-0.918,r2=-0.845)。中度扰动理论适合本实验,存在一个临界扰动强度,浮游藻类多样性水平最高,多样性指数最高值为3.329;低于临界值时优势藻种生长较快抑制其他藻种的生长,高于临界值时不利浮游藻类生长,藻类生物量及生物多样性水平降低。     

水温分层对三峡水库香溪河库湾春季水华的影响

三峡水库蓄水以来,其支流库湾年复一年暴发严重的春季水华.为找出支流库湾春季水华的关键影响因子,2010年春季对三峡水库库首最大的支流香溪河库湾进行了原位定点连续监测,主要监测指标包括水温、水体透明度、水下光照及营养盐浓度等环境因子.结果表明,春季水温分层发育导致水体混合层深度突然减小是春季水华暴发的直接诱因,真光层与水体混合层之比(Zeu/Zmix)与叶绿素a(Chl-a)的皮尔逊相关系数达0.934(P<0.01).表明Critical Depth模型可用于解释三峡水库典型支流库湾水华生消机制.本研究将为三峡水库支流库湾水华预报及防治提供重要参考.     

香溪河库湾水质特征与非回水区水华响应关系

为探究香溪河在受倒灌影响较弱的河段水华暴发征兆及机理,于水华高发期5~8月对香溪河进行监测,分析电导率、水温、叶绿素a（Chl-a）以及流速.结果表明,在6~8月,香溪河倒灌现象于XX05点（峡口镇）处基本结束,XX06~XX09受倒灌来水影响较弱;香溪河于7月暴发水华,各个监测点位上Chl-a含量均值达到100μg/L以上,XX05~XX06与XX07-XX09点位上暴发不同种水华;在水华暴发前后,水体温度无显著变化,且并无明显分层现象,说明水温分层是水华暴发的主要原因这一理论并不能很好的适用于非回水区;通过对电导率数值的研究发现,数值在垂向上出现显著拐点,而拐点出现在临界层与光补偿层之间,同时与叶绿素a含量分布呈现显著负相关性.香溪河总氮（TN）、总磷（TP）平均值为1.849mg/L和0.157mg/L,均超过富营养化的阈值,水体氮磷含量与Chl-a浓度无显著相关性,水体中除N、P营养盐外的其它离子对香溪河水华的暴发起着重要作用.在水华消退后,电导率数值又逐渐恢复表层高底层低的垂向线性分布特性,与水华的暴发、消退有着明显的响应.     

三峡库区澎溪河与磨刀溪电导率等水质特征与水华的关系比较

三峡库区北岸最大一级支流自三峡大坝2003年蓄水以来,频繁暴发水华,而毗邻的一级支流磨刀溪却少有水华暴发.本文以澎溪河和磨刀溪作为研究对象,于2014年春季和夏季三峡库区水华高发期对两条河流同时采样,对比分析两条河流水体水质以及叶绿素a(Chl-a)含量的时空变化,探索澎溪河水华暴发机理.结果表明:澎溪河Chl-a含量较磨刀溪高,澎溪河春季Chl-a最大值为60.5μg·L~(-1),夏季Chl-a最大值仅7.8μg·L~(-1);磨刀溪Chl-a变化趋势与澎溪河相反,磨刀溪春季Chl-a含量为2.92μg·L~(-1),夏季Chl-a达到7.48μg·L~(-1).澎溪河与磨刀溪春季和夏季节水体温度分层,为温跃层+滞温层模式,而没有混合层;两条河流Chl-a含量均位于水深10 m温跃层.澎溪河春季总氮(TN)、总磷(TP)平均值为2.305 mg·L~(-1)和0.053 mg·L~(-1),夏季为1.673 mg·L~(-1)和0.097 mg·L~(-1);磨刀溪春季为1.875 mg·L~(-1)和0.075 mg·L~(-1),夏季为1.79 mg·L~(-1)和0.054 mg·L~(-1).TN、TP水平均超过了国际公认发生富营养化的阈值;水体氮磷含量与Chl-a浓度并无显著相关性,营养盐并不是藻类生物量的限制性因素.然而在水体电导率的规律方面,两条河却存在很大的差异;春季,磨刀溪上游上层水体(0~10 m)电导率只有下游和长江干流的75%,来自长江干流的回水可覆盖至磨刀溪中游(断面MD03),与Chl-a在此处密集保持一致;夏季电导率和回水区分布与春季相似.与磨刀溪不同,澎溪河春季上游电导率为下游和干流的150%,长江干流回水可到PX04与PX05之间,上游高电导率对应着高Chl-a含量;澎溪河电导率与藻类生长分布表现出显著正相关关系,水体中除N、P营养盐外的其它离子对澎溪河水华暴发起重要作用.     

基于复杂网络同步特征的水华暴发数值模型

基于复杂网络的同步特征和藻类动力学生长特性, 以汉江近年来水华污染的现场监测资料为例, 并结合氮磷浓度、水温等实测数据构建了水华暴发的数值模型, 用以描述藻类生长和水华暴发的动力学机制; 同时, 利用达到指定藻生物量临界值的网格数规模作为判定水域是否暴发水华以及规模大小的依据, 从复杂网络同步特性的角度验证了水华暴发的临界性和全局突发性, 进而揭示了水华暴发现象是水域子区域整体协同作用的结果. 计算结果表明, 如果达到临界值的网格数超过指定的规模, 相应水域将暴发水华, 且网格达到峰值状态持续的时间越长, 水华污染越严重.     

三峡水库香溪河库湾夏季蓝藻水华成因研究

为探讨香溪河夏季蓝藻水华发生过程及主要影响因素,于2010年7月19日~8月30日在蓝藻水华暴发区域开展持续监测,并对水华过程进行分析.结果表明,水华持续25d,自7月23日暴发,8月16日逐渐消退,藻密度最高达到108.03′106cells/L,优势藻种为鱼腥藻(Anabaena);自身悬浮机制、固氮机制、能够产生藻毒素抑制其他藻类生长,是鱼腥藻成为优势藻种的主要原因;充足的营养物质、显著的水体分层是水华暴发的必要条件,水华期间蓝藻对硝氮利用显著;在具备充足的营养盐的稳定水体中,水温持续升高、混合层与真光层比值的降低是诱发蓝藻水华的关键因子,并且在混合层与真光层比值为0.5时对蓝藻增殖影响最大.     

三峡水库支流大宁河冬、春季水华调查研究

以三峡水库主要支流--大宁河冬、春季2次不同类型水华的调查数据为依据,分析并比较了不同水华期间水质的变化、营养盐的构成及水华的特征.结果表明,大宁河冬季水华以唐家湾为中心,叶绿素a(Chl-a)含量较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=260];随着藻类的生长总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数出现富集而含量升高,溶解氧(DO)和pH却出现低值;水华高峰期水体藻类较少,共发现2门4种,水华优势种为铜绿微囊藻和水华微囊藻,藻密度高达3.15×10~7个/L,相关加权综合营养状态指数为80,属于重度富营养化水体.而春季水华属于自回水段以下整体性暴发,Chl-a含量也较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=140];TN、TP和高锰酸盐指数均是随着水华的发生逐渐升高;水华高峰期藻类种群丰富,共发现5门44种,各断面水华优势种和藻密度均不同,相关加权综合营养状态指数显示东坪坝和白水河为轻度富营养化水体.相关性分析表明,冬季水华期间Chl-a与TN、TP、高锰酸盐指数、水温呈显著正相关,与DO、透明度(SD)呈显著负相关;春季水华Chl-a与TP、高锰酸盐指数、DO、pH呈显著正相关,与SD呈显著负相关.冬季水华pH与SD呈显著正相关,与TN、TP、高锰酸盐指数呈显著负相关;而春季水华pH与Chl-a、TP、高锰酸盐指数、DO、气温呈显著正相关,与SD呈显著负相关.     

水库大型围隔放养鲢鱼、鳙鱼控藻的研究

为减轻水源地水华的发生,在天津于桥水库建立了10个300m2大型围隔,分别放养密度为0,10,30,60g/m3的鲢鱼、鳙鱼进行控藻试验.结果表明,无鱼围隔内的蓝藻比例上升并形成微囊藻水华,各有鱼围隔内蓝藻比例始终保持在低位水平.与此同时,鲢鱼、鳙鱼的滤食导致小型藻类的大量增长进而造成藻类总生物量及叶绿素a不同程度地升高.由此可知,鲢鱼、鳙鱼适用于控制蓝藻水华而非藻类总量.     

边界层方案与垂直混合对京津冀地区O3模拟的影响研究

采用WRF-Chem模式中的3种边界层方案YSU、MYJ和ACM2对2019年6月京津冀及周边地区典型O₃污染月份开展模拟研究.详细对比了各方案对地面气象要素、NO₂和O₃浓度时空分布,以及温湿风要素和O₃浓度垂直分布的模拟效果.结果表明：3种方案对地面气象要素的时空分布和温湿风要素的垂直变化模拟较为合理.MYJ方案模拟地面气象要素整体效果最佳.各方案对边界层高度的日变化特征模拟较好,相关系数为0.58~0.69,但存在白天偏高、夜间偏低的现象,YSU方案相比效果最佳.3种边界层方案对NO₂浓度模拟普遍高估,而O₃模拟结果则出现低估.白天模拟偏差较小而夜间偏差较显著.模拟最佳的是ACM2,其次为YSU和MYJ.3种方案均较好地模拟出了O₃的垂直分布特征,但整体低估了O₃浓度.对上午O₃垂直分布的模拟差异较下午更为明显.此外,基于YSU方案设置了3个敏感实验,通过调整化学模块所用的湍流扩散系数阈值,对比分析了垂直混合过程改变对O₃浓度模拟的影响,模拟的变化只反映由于边界层的垂直混合过程改变造成的污染差异,而不是由于热动力场的调整造成的变化.模拟结果表明3个方案均可改善区域上地面NO₂和O₃的模拟性能,尤其是对原3种边界层方案模拟O₃均明显低估的华北平原地区提升效果最显著,平均偏差降低了23.7%.在垂直方向上,湍流扩散系数阈值的调整增加了早间近地面模拟的O₃浓度,改善了模拟偏低的现象,但同时增大了高层O₃浓度的负偏差.敏感性方案显著改善了夜间的模拟,白天则并不明显.这些结果显示出湍流扩散系数对O₃垂直混合的重要影响.因此,改进湍流扩散系数的参数化对O₃模拟是必要的.     

南京地区一次灰霾天气的微脉冲激光雷达观测分析

利用微脉冲激光雷达(MPL)对2012年10月南京地区的一次灰霾天气进行了不间断观测,结合地面气象要素和PM10、PM2.5质量浓度资料分析了此次污染过程颗粒物质量浓度、气象要素、气溶胶垂直方向光学特性和混合层高度(MLH)日变化趋势以及相关性并与11月11~12日非灰霾天气做了消光系数和MLH的比较.结果表明,本次灰霾天气颗粒物浓度与近地面消光系数日变化较相似,基本上呈现夜间高午后低的趋势;灰霾期间MLH峰值滞后于地面温度峰值2h,MLH与PM2.5呈现负相关关系,两者相关系数为-0.57;霾天MLH远低于非灰霾天;霾期间近地面消光系数大部分时刻大于1.0km-1,远大于非霾日0.1~0.25km-1范围的消光系数.     

基于标量场协同的柴油机油气混合特性研究

目的研究过量空气系数对柴油机缸内油气混合特性的影响情况。方法基于柴油机缸内燃油混合气浓度和湍流混合速率两个微观物理场的耦合作用,定义混合协同效率和混合协同度对缸内混合特性进行定量描述。结果随着过量空气系数的升高,燃油混合气浓度场和湍流混合场相互作用的持续时间增长。在过量空气系数1.3~1.6范围内,随着过量空气系数的增加,混合协同效率的峰值逐渐降低。在过量空气系数1.6~2.2范围内,随着过量空气系数的增加,混合协同效率的峰值整体呈上升趋势。结论过量空气系数1.7前后混合协同度的变化规律不同。过量空气系数达到1.7后,随着进气量的增加油气混合质量改善的空间减小。     

人工强制混合充氧及诱导自然混合对水源水库水质改善效果分析

为探究人工强制混合充氧与诱导持续混合对水质改善的影响及人工强制混合与自然混合的衔接条件,以李家河水库为例,于2017年6月至2019年4月开展水质及水文气象指标监测,分析自然过程及人工诱导混合过程各时期水温、溶解氧及水质变化特征.结果表明:①自然过程分层期持续时间长,混合期仅为2.5个月,人工诱导混合过程通过扬水曝气系统的运行, 9月底水体达到完全混合且进入降温期,诱导自然混合条件具备,表层水温、平均气温分别为20.17℃和16.5℃,此时系统关闭后水体持续自然混合,混合周期延长至5.5个月;②自然过程污染物浓度较高,混合期表层污染物浓度呈现先增加后降低的趋势,氧跃层伴随热分层出现,底部厌氧周期达6个月;③相较于自然过程,人工诱导混合过程水体等温层厌氧消除且污染物控制效果良好, 10月至翌年3月同期底层NH~+_4-N、 TP、 Fe和Mn浓度的削减率为76.2%、 75.5%、 82.2%和82.1%,均达到地表水环境质量标准,人工诱导混合过程有利于水质改善及混合作用时效的延长.     

搅拌条件对强化混凝去除给水微细颗粒的影响研究

对珠江水系原水进行了强化混凝处理实验,利用颗粒计数器测定混凝前后水中1～40μm微细颗粒的数目与分布,研究了搅拌条件对微细颗粒的去除影响。     

不同混合方案对气溶胶辐射特性的影响

利用体积权重平均,Maxwell-Garnett和Bruggeman理论,分别处理半径为0.5μm 75%H2SO4气溶胶和黑碳气溶胶(BC),以及硫酸盐气溶胶与黑碳气溶胶内混合的情况,求出其复折射指数.利用Mie理论计算内混合单个气溶胶粒子在0.55μm波长处的辐射特性参量,其目的在于比较分析3种不同混合方案处理的同一混合情况下内混合单个气溶胶粒子辐射特性的差别.结果表明:辐射特性的总体变化趋势大致相同,但采用不同的混合方案处理相同的内混合情况时,其结果在黑碳混合比为10%～30%时差异较大.     

街道峡谷对近地层风场影响的观测和模拟分析

城市街道峡谷结构对近地面边界层的风场环流等气象要素具有重要影响,可导致城市局地空气污染分布发生变化.随着城市化发展及城市空气质量变化,街道峡谷的城市空气污染影响日益突出,分析街道峡谷内部风场成为认识和治理我国城市空气污染的一条重要途径.鉴于目前我国鲜有城市街道尺度大气边界层精细气象观测研究,本文分析了美国俄克拉荷马大学的街道峡谷精细气象观测数据及其FLUENT模拟.结果表明:街道峡谷内风场结构变化依赖大气背景风向,当背景风向平行于街道峡谷走向时,街谷两岸风速几乎没有差异,而在背景风向垂直于街道峡谷走向时,由于高空风进入街谷形成的涡旋气流对街道峡谷风场有补充作用,峡谷两侧中层高度风场差异变大,风速差值大约为0.5 m·s~(-1),且街道峡谷两岸风速差异得到了FLUENT模式的验证,但模式对迎风岸的风速模拟存在高估,模拟的中层高度处两岸风速差值为1.6 m·s~(-1).观测资料分析揭示大气边界层稳定度条件对街道峡谷内风场分布也有很大影响,中性稳定条件下街道峡谷两岸近地层风速差异最大,输送进入峡谷空间的风速增量比原峡谷内风速大约高1倍,其它稳定度条件下街谷两岸风速差异被削弱.     

混合条件对氢氧化镁混凝性能及絮体特性影响

以氢氧化镁作为混凝剂,不同浊度高岭土水样为研究对象,运用iPDA在线监测技术,探求了混合条件对絮体特性和混凝过程的影响;结果表明:快速搅拌转速增大到250 r/min,絮凝效果最好,继续增大,效果变差;随着快速搅拌时间延长到60 s时,絮凝效果逐渐变好,继续延长时间,R值变小絮体细碎;加入超声时,产生的超声振动和冲击力使得絮体被冲击碎,絮凝效果变差;慢速搅拌转速增大至60 r/min时,絮凝效果逐渐变好,再继续延长R值变小。     

Evolution of boundary layer ozone in Shijiazhuang, a suburban site on the North China Plain

The structure of the boundary layer affects the evolution of ozone(O_3), and research into this structure will provide important insights for understanding photochemical pollution.In this study, we conducted a one-month observation(from June 15 to July 14, 2016) of the boundary layer meteorological factors as well as O_3 and its precursors in Luancheng County,Shijiazhuang(37°53′N, 114°38′E). Our research showed that photochemical pollution in Shijiazhuang is serious, and the mean hourly maximum and mean 8-hr maximum O_3 concentrations are 97.9 ± 26.1 and 84.4 ± 22.4 ppbV, respectively. Meteorological factors play a significant role in the formation of O_3. High temperatures and southeasterly winds lead to elevated O_3 values, and at moderate relative humidity(40%–50%) and medium boundary layer heights(1200–1500 m), O_3 production sensitivity occurred in the transitional region between volatile organic compounds(VOC) and nitrogen oxides(NO_x) limitations,and the O_3 concentration was the highest. The vertical profiles of O_3 were also measured by a tethered balloon. The results showed that a large amount of O_3 was stored in the residual layer, and the concentration was positively correlated with the O_3 concentration measured the previous day. During the daytime of the following day, the contribution of O_3 stored in the residual layer to the boundary layer reached 27% ± 7% on average.     

扬水造流技术控藻机制研究

围绕扬水造流技术的两个关键控藻参数Vmix(水体垂直混合速率)和Emix:Eu(混合深度与真光层深度之比),分别在实验室和现场围隔中开展模拟实验探讨藻类的时空分布.结果表明,实验开始20h后藻类垂直分布趋向动态平衡,Vmix31.08cm/min时2h内藻类未出现浮聚现象,Vmix31.35cm/min则能够长期(320h)遏制表面水华;根据20h平衡分布变异系数对光照和混合组合条件下的控藻效果进行了分类.藻类生消实验显示衰亡速率常数K与Emix:Eu呈正相关(R2=0.85,P<0.05,n=5),表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于促进藻类衰亡.现场围隔实验结果表明,Emix:Eu对藻类生长消亡的显著影响,并认为在自然条件下,扬水造流技术要发挥控藻效用,Emix:Eu必须33:1.