郭西亞,張 杰,羅 婧,張海濤,鄧建才

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水華藻斑漂移速度時變特征研究

郭西亞1,2,張 杰1,2,羅 婧1,張海濤1,2,鄧建才1*

(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008；2.中國科學院大學,北京 100049)

以太湖水華藻斑為研究對象,采用自主研發(fā)的藻斑漂移原位觀測技術,研究分析了不同時間尺度下太湖藍藻水華易發(fā)區(qū)藻斑漂移速度的變化特征.結(jié)果表明:日內(nèi)藻斑漂移速率在(0.0793±0.0135)~(0.146±0.0318)m/s范圍內(nèi)變化,藻斑漂移速度的北向分量在-0.0896~0.0247m/s之間,東向分量在-0.0157~0.0029m/s之間.漂移速率日均值變化呈現(xiàn)出鋸齒式交替特征即增加-減少-再增加的往復循環(huán),變化范圍為(0.0499±0.0141)~(0.1580±0.0120)m/s,漂移方向以北向為主.藻斑漂移速度的月際變化明顯,6月~8月,向東漂移的占比逐漸降低,而向西漂移的占比逐漸增加,此期間漂移方向均以北向為主.漂移速率6月上旬最小,均值為0.0680m/s,7月上旬達到最大,均值為0.1350m/s,7月中旬~8月下旬水華藻斑漂移速率在0.0800m/s附近波動.

水華藻斑；太湖；原位觀測；漂移速度；時變特征

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域選址與原位觀測平臺搭建

根據(jù)太湖藻類水華空間分布的遙感影像資料,選取藻類水華易發(fā)區(qū)竺山灣為太湖水華藻斑漂移速度的觀測區(qū)域.竺山灣位于太湖西北部,是一個半封閉的湖灣,灣內(nèi)水流方向以逆時針環(huán)流為主,灣外水流流向復雜多變[8].竺山灣水質(zhì)常年處于劣Ⅴ類[9].藍藻水華暴發(fā)呈現(xiàn)常態(tài)化,暴發(fā)頻率高于太湖其它區(qū)域,暴發(fā)強度大、覆蓋面積廣,持續(xù)時間長.每年的夏季和秋季水體表面有大量的水華藻斑覆蓋,不考慮藻類自身的生長和擴散運動,在適當?shù)娘L速條件下,藻類運動以水平運移為主,并向下風向區(qū)漂移堆積,因此,竺山灣是開展藻斑水平漂移速度研究的理想?yún)^(qū)域.藻斑漂移原位觀測平臺(31°24′N, 120°3′E)位于竺山灣灣口(圖1),其形狀為邊長16m,寬12m的長方形棧道,橋面寬度為0.8m,距離水面1m.并在原位觀測平臺上安裝vantage Pro2便攜式自動氣象站(美國DAVIS公司),用來記錄觀測期間湖面風場的相關參數(shù),觀測區(qū)水下放置MIDAS DWR壓力式方向波浪儀(英國valeport公司)來獲取同步配套波浪數(shù)據(jù).

圖1 原位觀測平臺地理位置

1.2 水華藻斑水平漂移觀測技術及漂移速度計算原理

基于水華藻斑漂移觀測平臺,采用自主研發(fā)的藻斑漂移觀測技術[10],于2014年6月上旬至2014年8月下旬,以表層水體積聚形態(tài)的藻斑為觀測對象,開展水體表面藻斑水平漂移的原位觀測試驗.

1.2.1 觀測器材 羅盤儀(以度表示)、皮尺(量程為25m)以及秒表等.

1.2.2 藻斑水平漂移觀測技術 首先選定水體表面目標水平漂移藻斑,標記水平漂移藻斑進入觀測平臺的起始位置,用秒表記錄初始時刻T(s);然后緊盯目標藻斑,直至目標藻斑到達環(huán)形棧道的另一側(cè),并把它作為藻斑漂移的結(jié)束位置;用秒表記錄藻斑達到結(jié)束位置的時刻T(s);然后用皮尺確定藻斑漂移的距離(m)(皮尺平行水面,便于確定藻斑漂移方向),用羅盤儀確定藻斑水平漂移的方向α,記錄相關數(shù)據(jù).

1.2.3 藻斑水平漂移速度計算原理 藻斑漂移速度/(T-T).以藻斑漂移速度向北、向東為正方向,則藻斑漂移速度分量公式如下:(為藻斑漂移速度的正東分量,為漂移速度的正北分量)

當0°<<90°時,sin,cos;(如圖2中實線所示)

當90°<<180時,=sin(180°-),=-cos (180°-);(如圖2中虛線所示)

當180°<<270°時,=-sin(-180°),=-cos (-180°)

與我國經(jīng)濟社會發(fā)展相適應，當今社會所需要的不僅僅是服務于生產(chǎn)一線的操作工，更是大量有知識、高技能、應用型、創(chuàng)新型的技能型人才．這些試題考查學生獨立思考，靈活應用所學知識分析問題，通過理論聯(lián)系實際最終解決問題的實踐和創(chuàng)新能力．這體現(xiàn)了“高考作為教育的重要手段和必要環(huán)節(jié)，要有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和選拔，要把考查獨立思考、 創(chuàng)新精神和實踐能力作為重要的考試內(nèi)容．在命題中聯(lián)系實際，深入探索考試的內(nèi)容創(chuàng)新、形式創(chuàng)新、方法創(chuàng)新和手段創(chuàng)新，引導學生進行獨立思考和創(chuàng)新實踐，考查學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新素養(yǎng)，發(fā)揮高考在人才培養(yǎng)和選拔中的積極作用”[6]．

當270°<<360°時,=-sin(-270°),=cos (-270°)

圖2 漂移速度計算原理示意

由于藻類漂移運動的影響因素較為復雜,因此本研究中對水華藻斑做了一些簡化處理即未考慮藻自身的運動對漂移運動的影響;水華藻斑在物理性質(zhì)如密度、厚度等方面存在的差異未考慮,將所有觀測藻斑作同一處理.

1.3 藻斑漂移方向劃分

本文以正北方向為基準,將漂移方向在東北(45°)和東南(135°)之間統(tǒng)稱為向東漂移,將漂移方向在東南(135°)和西南(225°)之間統(tǒng)稱為向南漂移,將漂移方向在西南(225°)和西北(315°)之間統(tǒng)稱為向西漂移,將漂移方向與正北方向夾角0~45°或315°~ 360°統(tǒng)稱為向北漂移,以每日藻斑漂移速度的中值,代表觀測當天大部分藻斑的漂移方向.

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

實驗所獲取數(shù)據(jù)均采用Excel 2016(美國微軟公司)和SPSS 19.0(美國國際商業(yè)機器公司)進行統(tǒng)計分析處理,并用Origin 9.0(Origin Lab公司)進行圖形繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖藻斑漂移速度的日內(nèi)變化

以2014年8月11日為例,基于原位藻斑水平漂移觀測獲得了9個時段的藻斑漂移速度,并用羅盤記錄了當日不同時段藻斑漂移方向.一日內(nèi)不同時段水華藻斑漂移速率最大可以到達(0.1460±0.0318)m/s(表1).藻斑漂移方向,8:30~ 12:30時段,藻斑漂移方向以東南方向為主,12:30~ 15:30逐漸變?yōu)橄驏|,在15:30之后,漂移速度方向變?yōu)樵瓉淼南驏|南為主(表1).可見,水華藻斑水平漂移方向日內(nèi)變化明顯.圖3和圖4反映了不同時段水華藻斑水平漂移速度的北向分量和東向分量變化特征,從北向分量來看,漂移速度由最初的-0.0526m/s(均值),逐漸變化為-0.0163m/s(圖3);從東向分量來看,藻斑漂移速度由最初的-0.0043m/s(均值),逐漸變化為-0.0016m/s(圖4).總體來看,藻斑漂移速度的均值為(0.112±0.031)m/s,中值為0.106m/s(=82);藻斑漂移方向變化較大,由東南逐漸變?yōu)闁|北,在15:30之后,漂移方向又變回原來的東南方向,藻斑水平漂移速度日內(nèi)變化幅度明顯,表明藻斑漂移速度的外界影響條件日內(nèi)變化也比較劇烈.

表1 一日9個時段內(nèi)的藻斑漂移速度統(tǒng)計

圖3 太湖藻斑漂移速度北向分量的逐時變化

圖4 太湖藻斑漂移速度東向分量的逐時變化

2.2 太湖藻斑漂移速度的日均值變化

圖5 太湖水華藻斑漂移速度分量隨時間的變化

從漂移速度變化范圍來看,太湖水華藻斑漂移速度日均值的最小值為0.0499m/s,最大值為0.1580m/s,中值0.0791m/s,水華藻斑漂移速度日均值呈現(xiàn)出鋸齒交替式變化特征.從漂移方向來看,藻斑北向漂移占比最大,為43%,其次漂移方向是向南,為29%,向西為21%,向東為7%.表明太湖水華藻斑在水平漂移的過程,以向北漂移為主導方向.圖5是太湖藻斑漂移速度分量隨時間的變化,總體來看,漂移速度的北向分量變化范圍在-0.127~0.1117m/s之間,中值為0.0322m/s,而藻斑漂移速度東向分量的變化范圍在-0.0954~0.1344m/s之間,其中值為0.0025m/s.在藍藻水華暴發(fā)期間,藻斑漂移度北向分量基本為正,東向分量基本為負值.

2.3 不同月份太湖藻斑漂移速度變化

圖6 不同月份藻斑漂移方向分布

表2 不同月份藻斑漂移速度的對比(m/s)

圖7 藻斑漂移速度分量旬均值的對比

圖6統(tǒng)計了藻類水華暴發(fā)頻率最大月份藻斑漂移方向的概率分布, 6、7、8月份藻斑漂移方向均以北向漂移為主要漂移方向.從6月~7月份,向東向漂移占比逐漸降低,從11%降至5%,向西漂移的概率逐漸增加,從22%增至27%.藻斑水平漂移速率在6月上旬相對較小,其均值為0.0680m/s,6月中旬逐漸增加,7月上旬達到最大,漂移速率均值為0.1350m/s;7月中旬~8月下旬藻斑水平漂移速率的均值在0.0800m/s附近波動(表2).從圖7漂移速度的分量來看,藻斑漂移速度北向分量旬均值基本為正值,只有8月上旬出現(xiàn)負值,表明太湖藻斑整體上是向太湖北部遷移的;藻斑漂移速度的東向分量旬均值只在7月上旬和8月中旬及下旬為正值,其他時段均為負值,表明太湖水華藻斑整體上往太湖西部運移.綜合太湖藻斑漂移速度的北向和東向分量可知,太湖水華藻斑在暴發(fā)期間,在外界驅(qū)動力的作用整體上向太湖西部和西北部漂移,導致水華藍藻堆積在太湖西岸和西北岸大量堆積,造成局部區(qū)域藍藻水華暴發(fā)程度加重.

2.4 藻斑漂移速度與風速的關系

通過原位觀測實驗,獲取了不同風速條件下藻斑的漂移速度.風速與藻斑漂移速度的最小二乘擬合結(jié)果見圖8,湖面風速和藻斑漂移速度有著顯著的對數(shù)關系(2=0.8127,<0.01).當湖面風速小于4m/s時,藻斑漂移速度隨著風速的增加呈現(xiàn)增大趨勢.當湖面風速為0m/s,藻斑仍有漂移速度,這個速度是藻斑從高濃度向低濃度的一個自由擴散過程,即在無風或風速特別小時,藻斑漂移速度受制于藻類自身生長的影響.

圖8 湖面風速與藻斑漂移速度的關系

3 討論

太湖水華藻斑漂移速度存在著明顯的時間差異性,在藻斑水平運移的過程中,漂移速度與湖面風場、湖面流場和波浪有著密不可分的關系[11-13].

在一日內(nèi)9個觀測時段,藻斑漂移速度發(fā)生了不同程度的改變,是因為漂移速度和風速存在著顯著的指數(shù)相關關系,湖面風場的變化導致漂移速度發(fā)生相應的改變.湖面不同風場對湖泊水體中藻斑的水平運移有著顯著的影響,藍藻水華的形成存在著臨界風速,當湖面風速小于臨界風速時,水體表面分布的水華藻斑會沿著風向向下風區(qū)域漂移堆積[14].湖面風場在一定的變化范圍內(nèi),藻斑水平漂移速度呈現(xiàn)出與風速同步增長的趨勢,但當湖面風速一旦超過某個臨界值時,水體表面的藍藻水華群體將會充分混合,藻斑運動方式由水平漂移運動轉(zhuǎn)變?yōu)閷α鲾U散運動.太湖梅梁灣,湖面風速處于1~6m/s時,風使得水體表面的藍藻水華積聚,而北部的貢湖灣當風速大于3.6m/s時,水體表面水華與水體混勻,水華藻斑消失,對于太湖北部,當湖面風速小于臨界風速4m/s時,水體藻斑水華將會發(fā)生區(qū)域大規(guī)模遷移,大于4m/s時,水體表面的水華藻斑分布由集中在表層分布趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜蚓环植糩15],從而在一定程度上抑制了藍藻水華的發(fā)生,水華藻斑的運移還受其它因素影響.夏季太湖湖面風場復雜多變,竺山灣屬于半封閉湖灣,湖面風場變化不均一引起藻斑漂移速度在時間尺度上出現(xiàn)一定的差異性.在藻斑漂移速度的日均值變化中,藻斑漂移速度方向以西北漂移為主,其漂移速度北向分量為基本正值,東向分量為基本負值,這與太湖夏季主要盛行東南風[16]是保持一致的.

除了湖面風場對藻斑漂移速度造成影響之外,湖面流場對水華藻斑在水平運移過程中的影響也是不可忽略的,湖流對水華區(qū)域藻斑數(shù)量的貢獻率為1%~2%[17],湖面流場在水華藻斑運移過程有著一定的影響.湖面風場產(chǎn)生的流場是非均一的,湖流大小和流向存在著明顯的分層以及層與層之間存在著強烈的切變和混合作用[18],湖面流場分布不均一是導致水華藻斑水平漂移速度時變特征的可能原因.表層風生流致使水華藻斑向?qū)Π镀芠19],水華藻斑隨著風生流在水體中呈大片席狀或者顆粒積聚體在水體表面發(fā)生水平遷移運動.風場變化對湖面流場影響明顯,湖面流場流向與湖面風場風向基本一致,這是湖面流場導致水華藻斑漂移速度變化的重要原因.

波浪對水華藻斑水平漂移速度也有著一定的影響,如圖9所示,波浪與藻斑水平漂移速度之間的關系可以用指數(shù)方程來描述(<0.05),當波高小于最小臨界值時,波浪對藻斑漂移速度將不再起作用,當波高大于最大臨界值時,水體表面聚集的水華藻斑形態(tài)將會被破壞,藻類與水體混合,從而影響藻類水平漂移速度.波動緣于水面空氣流動的湍流特征,致使水體表面受到的正壓力不一致,從而產(chǎn)生水面波動,在波動產(chǎn)生以后,波面的法向和切向方向同時受到正壓力和雷諾應力的作用,加上波與波之間的相互作用,使得波浪得以生成,波浪的生成不僅取決于湖面風速大小,還與風區(qū)長度和風持續(xù)時間有關[20],波浪可以導致水華藻斑的空間位置發(fā)生改變,影響藻斑水平運移的過程,一定強度的波浪使漂浮性藻斑在水體垂向分布中趨于均一化,進而影響藻斑的漂移速度,這與鄧建才等[10]建立的以藻斑漂移速度為因變量,風場、流場和有效波高為自變量的多元回歸模型研究是一致的.藻斑漂移速度不僅受湖面風場的影響與湖面流場和波浪也有著一定的關系,水華藻斑的漂移過程及漂移速度不是受單一湖面風場的影響,而是風場、流場和波浪以及藻類自身生長的共同影響[21].湖面風場、流場、波高的交互協(xié)同作用是藻斑漂移速度產(chǎn)生時變差異的主要原因.

圖9 波高與藻斑漂移速度的關系

4 結(jié)論

4.1 太湖水華藻斑漂移速度存在著明顯的時變特征.

4.2 基于2014年8月11日一天中藻斑漂移速度的研究發(fā)現(xiàn),水華藻斑漂移速度日變幅可達0.07m/s,最大漂移速度可達0.146m/s.

4.3 從不同的月份來看,6月上旬水華藻斑漂移速度相對較小,漂移速度均值為(0.0680±0.0011) m/s,N=130,7月上旬漂移速度達到最大,漂移速度均值為0.1350m/s,7月中旬~8月下旬,水華藻斑漂移的速度均值在0.0800m/s附近波動.

4.4 太湖水華藻斑漂移度的影響因素,不是單一的湖面風場影響漂移運動,也與有效波高等因素有關.

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Study on horizontal drifting velocity characteristics over time-varying of algal patches.

GUO Xi-ya1,2, ZHANG Jie1,2, LUO Jing1, ZHANG Hai-tao1,2, DENG Jian-cai1*

(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)., 2019,39(1)：306~313

Driven by the external power, floating algal patches in the open Taihu Lake would drift into Meiliang Bay and Zhushan Bay located in the northern part of Taihu Lake. And the input of exogenous algal patches would aggravate the outbreak of algal blooms in local areas. Based on the self-developed situ observation technique of algal patches drift. We investigated the variation characteristics of algal patches horizontal drifting velocity at different time scales in Zhushan Bay, Lake Taihu. The results showed that the diurnal variation range of algal drift ratewes (0.0793±0.0135)~(0.146±0.0318)m/s during the period of observation, and the eigenvalues of the northern and eastern component of drifting velocity of algal patches were -0.0896~0.0247m/s and -0.0157~0.0029m/s, respectively, which reflected significant time difference. The daily mean value of the drift rate based on situ observation exhibited a zigzag alternating characteristic, that was, an increase-decrease-re-increment reciprocating cycle, with a variation range of (0.0499±0.0141)~(0.1580±0.0120)m/s, and the drift direction was mainly northward. The inter-monthly variation of algal patches horizontal drifting velocity was obvious, From June to August, the proportion of drift to the east gradually decreased, while the proportion of drift to the west gradually increased. During this period, the drift direction was mainly northward. The drift rate of the algal blooms was the smallest in early June, with an average of 0.0680m/s. It reaches the maximum in the first half of July, with an average of 0.1350m/s. The drift rate from mid-July to late August fluctuated around 0.0800m/s.

algal patches of water bloom；lake Taihu；in-situ observation；horizontal drifting velocity；time-varying characteristics

X524

A

1000-6923(2019)01-0306-08

郭西亞(1993-),男,河南商丘人,中國科學院大學碩士研究生,主要從事環(huán)境水力學研究.發(fā)表論文3篇.

2018-06-21

水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07101-011, 2017ZX07205-02);國家自然科學基金(41271213)

*責任作者, 副研究員, jcdeng@niglas.ac.cn