地表水环境水动力控藻机制及适用条件研究

作     者：王晓蕾 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢金锁

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：水动力 氮磷比 光强 路径分析 决策树分析 

摘      要：富营养化及藻类高发是地表水环境普遍存在和亟待的重点问题。水体的营养盐、光照和水动力状态是其重要的影响因素和产生原因。切断营养盐外源输入和控制内源释放的技术措施可从根本上解决水体的富营养化和藻类高发,隔离水体光照能有效抑制水体藻类高发,但增加水体流动的控藻措施,受到营养盐浓度水平、氮磷比和光照强度的影响,控制条件不一致,控制机制不明确。本研究建立了流动水体环境中藻类生长模拟装置,以常见绿藻小球藻为实验研究对象,试验水体在不同垂向流动条件下的藻类生长状态,探究分析垂向水动力状态抑制藻类生长机制。结合前期试验成果,基于通径分析,提出不同营养水平及光照下的水环境中水动力控藻适用条件,研究结果将为控制地表水环境抑制藻类水华提供理论及技术支撑。主要研究结论如下:水体在有光区内的垂向循环运动的控藻试验表明:垂向流速低可促进藻类生长,而随着垂向流速增加,藻类抑制效果明显。流速0.05m/s时,小球藻OD值较大,比增长速率最高,叶绿素a合成最多,能够促进小球藻的生长,其原因可能是其增强了光系统Ⅱ的电子传递活性,耗散为热能的光能较少,使细胞实际光合效率得到增加;流速0.10m/s与0.15m/s时,小球藻的OD值、比增长速率、叶绿素a含量均随流速增大而降低,小球藻的生长受到抑制,其原因可能是这两种流速降低了光系统Ⅱ的电子传递活性,耗散为热能的光能较多,使细胞实际光合效率变低。藻细胞SOD活性分析表明,流速与藻细胞SOD呈现正相关关系,流速越高,水动力胁迫越大。水体在有光区和无光区之间的垂向循环运动的控藻试验表明:相对于有光区和无光区之间的垂向循环运动控藻,更高流速才能抑制藻类生长,较高低流速促进其生长。垂向流速在0.05m/s与0.10m/s时都能够促进小球藻的生长,且0.10m/s的促进作用最大,可能是因为该流速加快了藻液循环,使小球藻更快地循环到光照条件较好的上部水体,从而藻细胞接收到更多的光照,增强了光系统Ⅱ的电子传递活性,细胞实际光合效率得到增加。当流速达到0.15m/s时小球藻OD值、叶绿素a含量增长最少,出现抑制藻细胞繁殖的情况,藻细胞受到的垂向水动力胁迫最高,实际细胞光合活性较低。基于水体的水平流动控藻的前期试验结果,利用路径分析和决策数等统计方法分析确定水体水平运动控制适用条件。在试验设置条件范围内,路径分析结果表明3种环境因素对小球藻生长影响大小依次是光照强度、氮磷比、流速;决策树分析结果显示,在中光照强度时,无论氮磷比高低,均可通过增加水平流速(大于0.3m/s)抑制藻类;而在高光照强度时,遮光方法是有效抑制藻类的方法。因此,水平运动控制藻类方法应根据水体营养状态和所处环境的光照强度,选择适宜的控藻技术。水体的垂向循环运动和水平流动控制相比,控藻效果存在差异,垂向循环运动所需的流速更低,较高的水平流速也能取得很好的控藻效果。对于深水水体,可选择在有光区和无光区之间的垂向循环运动控藻,对于浅层地表水,水平与垂向水动力相结合的方式更有利于控制藻类水华。