水華藻斑漂移速度時(shí)變特征研究

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(shí)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(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

以太湖水華藻斑為研究對(duì)象,采用自主研發(fā)的藻斑漂移原位觀測(cè)技術(shù),研究分析了不同時(shí)間尺度下太湖藍(lán)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(fù)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?yàn)橹?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?yàn)橹?漂移速率6月上旬最小,均值為0.0680m/s,7月上旬達(dá)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(dòng).

水華藻斑；太湖；原位觀測(cè)；漂移速度；時(shí)變特征

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域選址與原位觀測(cè)平臺(tái)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(cè)區(qū)域.竺山灣位于太湖西北部,是一個(gè)半封閉的湖灣,灣內(nèi)水流方向以逆時(shí)針環(huán)流為主,灣外水流流向復(fù)雜多變[8].竺山灣水質(zhì)常年處于劣Ⅴ類[9].藍(lán)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(qiáng)度大、覆蓋面積廣,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng).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(zhǎng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),在適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速條件下,藻類運(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)移為主,并向下風(fēng)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(cè)平臺(tái)(31°24′N, 120°3′E)位于竺山灣灣口(圖1),其形狀為邊長(zhǎng)16m,寬12m的長(zhǎng)方形棧道,橋面寬度為0.8m,距離水面1m.并在原位觀測(cè)平臺(tái)上安裝vantage Pro2便攜式自動(dòng)氣象站(美國(guó)DAVIS公司),用來(lái)記錄觀測(cè)期間湖面風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)參數(shù),觀測(cè)區(qū)水下放置MIDAS DWR壓力式方向波浪儀(英國(guó)valeport公司)來(lái)獲取同步配套波浪數(shù)據(jù).

圖1 原位觀測(cè)平臺(tái)地理位置

1.2 水華藻斑水平漂移觀測(cè)技術(shù)及漂移速度計(jì)算原理

基于水華藻斑漂移觀測(cè)平臺(tái),采用自主研發(fā)的藻斑漂移觀測(cè)技術(shù)[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(cè)對(duì)象,開展水體表面藻斑水平漂移的原位觀測(cè)試驗(yàn).

1.2.1 觀測(cè)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(cè)技術(shù) 首先選定水體表面目標(biāo)水平漂移藻斑,標(biāo)記水平漂移藻斑進(jìn)入觀測(cè)平臺(tái)的起始位置,用秒表記錄初始時(shí)刻T(s);然后緊盯目標(biāo)藻斑,直至目標(biāo)藻斑到達(dá)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(dá)到結(jié)束位置的時(shí)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(guān)數(shù)據(jù).

1.2.3 藻斑水平漂移速度計(jì)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(dāng)0°<<90°時(shí),sin,cos;(如圖2中實(shí)線所示)

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

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

與我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)，當(dāng)今社會(huì)所需要的不僅僅是服務(wù)于生產(chǎn)一線的操作工，更是大量有知識(shí)、高技能、應(yīng)用型、創(chuàng)新型的技能型人才．這些試題考查學(xué)生獨(dú)立思考，靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際最終解決問(wèn)題的實(shí)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(dú)立思考、 創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力作為重要的考試內(nèi)容．在命題中聯(lián)系實(shí)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(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考和創(chuàng)新實(shí)踐，考查學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)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(dāng)270°<<360°時(shí),=-sin(-270°),=cos (-270°)

圖2 漂移速度計(jì)算原理示意

由于藻類漂移運(yùn)動(dòng)的影響因素較為復(fù)雜,因此本研究中對(duì)水華藻斑做了一些簡(jiǎn)化處理即未考慮藻自身的運(yùn)動(dòng)對(duì)漂移運(yùn)動(dòng)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(cè)藻斑作同一處理.

1.3 藻斑漂移方向劃分

本文以正北方向?yàn)榛鶞?zhǔn),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(cè)當(dāng)天大部分藻斑的漂移方向.

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)所獲取數(shù)據(jù)均采用Excel 2016(美國(guó)微軟公司)和SPSS 19.0(美國(guó)國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理,并用Origin 9.0(Origin Lab公司)進(jìn)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(cè)獲得了9個(gè)時(shí)段的藻斑漂移速度,并用羅盤記錄了當(dāng)日不同時(shí)段藻斑漂移方向.一日內(nèi)不同時(shí)段水華藻斑漂移速率最大可以到達(dá)(0.1460±0.0318)m/s(表1).藻斑漂移方向,8:30~ 12:30時(shí)段,藻斑漂移方向以東南方向?yàn)橹?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?lái)的向東南為主(表1).可見(jiàn),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(shí)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(gè)時(shí)段內(nèi)的藻斑漂移速度統(tǒng)計(jì)

圖3 太湖藻斑漂移速度北向分量的逐時(shí)變化

圖4 太湖藻斑漂移速度東向分量的逐時(shí)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(shí)間的變化

從漂移速度變化范圍來(lái)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(lái)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(guò)程,以向北漂移為主導(dǎo)方向.圖5是太湖藻斑漂移速度分量隨時(shí)間的變化,總體來(lái)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(lán)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(fù)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(duì)比(m/s)

圖7 藻斑漂移速度分量旬均值的對(duì)比

圖6統(tǒng)計(jì)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(duì)較小,其均值為0.0680m/s,6月中旬逐漸增加,7月上旬達(dá)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(dòng)(表2).從圖7漂移速度的分量來(lái)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(fù)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(shí)段均為負(fù)值,表明太湖水華藻斑整體上往太湖西部運(yùn)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(dòng)力的作用整體上向太湖西部和西北部漂移,導(dǎo)致水華藍(lán)藻堆積在太湖西岸和西北岸大量堆積,造成局部區(qū)域藍(lán)藻水華暴發(fā)程度加重.

2.4 藻斑漂移速度與風(fēng)速的關(guān)系

通過(guò)原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn),獲取了不同風(fēng)速條件下藻斑的漂移速度.風(fēng)速與藻斑漂移速度的最小二乘擬合結(jié)果見(jiàn)圖8,湖面風(fēng)速和藻斑漂移速度有著顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(2=0.8127,<0.01).當(dāng)湖面風(fēng)速小于4m/s時(shí),藻斑漂移速度隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì).當(dāng)湖面風(fēng)速為0m/s,藻斑仍有漂移速度,這個(gè)速度是藻斑從高濃度向低濃度的一個(gè)自由擴(kuò)散過(guò)程,即在無(wú)風(fēng)或風(fēng)速特別小時(shí),藻斑漂移速度受制于藻類自身生長(zhǎng)的影響.

圖8 湖面風(fēng)速與藻斑漂移速度的關(guān)系

3 討論

太湖水華藻斑漂移速度存在著明顯的時(shí)間差異性,在藻斑水平運(yùn)移的過(guò)程中,漂移速度與湖面風(fēng)場(chǎng)、湖面流場(chǎng)和波浪有著密不可分的關(guān)系[11-13].

在一日內(nèi)9個(gè)觀測(cè)時(shí)段,藻斑漂移速度發(fā)生了不同程度的改變,是因?yàn)槠扑俣群惋L(fēng)速存在著顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,湖面風(fēng)場(chǎng)的變化導(dǎo)致漂移速度發(fā)生相應(yīng)的改變.湖面不同風(fēng)場(chǎng)對(duì)湖泊水體中藻斑的水平運(yùn)移有著顯著的影響,藍(lán)藻水華的形成存在著臨界風(fēng)速,當(dāng)湖面風(fēng)速小于臨界風(fēng)速時(shí),水體表面分布的水華藻斑會(huì)沿著風(fēng)向向下風(fēng)區(qū)域漂移堆積[14].湖面風(fēng)場(chǎng)在一定的變化范圍內(nèi),藻斑水平漂移速度呈現(xiàn)出與風(fēng)速同步增長(zhǎng)的趨勢(shì),但當(dāng)湖面風(fēng)速一旦超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí),水體表面的藍(lán)藻水華群體將會(huì)充分混合,藻斑運(yùn)動(dòng)方式由水平漂移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).太湖梅梁灣,湖面風(fēng)速處于1~6m/s時(shí),風(fēng)使得水體表面的藍(lán)藻水華積聚,而北部的貢湖灣當(dāng)風(fēng)速大于3.6m/s時(shí),水體表面水華與水體混勻,水華藻斑消失,對(duì)于太湖北部,當(dāng)湖面風(fēng)速小于臨界風(fēng)速4m/s時(shí),水體藻斑水華將會(huì)發(fā)生區(qū)域大規(guī)模遷移,大于4m/s時(shí),水體表面的水華藻斑分布由集中在表層分布趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜蚓环植糩15],從而在一定程度上抑制了藍(lán)藻水華的發(fā)生,水華藻斑的運(yùn)移還受其它因素影響.夏季太湖湖面風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜多變,竺山灣屬于半封閉湖灣,湖面風(fēng)場(chǎng)變化不均一引起藻斑漂移速度在時(shí)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(fù)值,這與太湖夏季主要盛行東南風(fēng)[16]是保持一致的.

除了湖面風(fēng)場(chǎng)對(duì)藻斑漂移速度造成影響之外,湖面流場(chǎng)對(duì)水華藻斑在水平運(yùn)移過(guò)程中的影響也是不可忽略的,湖流對(duì)水華區(qū)域藻斑數(shù)量的貢獻(xiàn)率為1%~2%[17],湖面流場(chǎng)在水華藻斑運(yùn)移過(guò)程有著一定的影響.湖面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的流場(chǎng)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(qiáng)烈的切變和混合作用[18],湖面流場(chǎng)分布不均一是導(dǎo)致水華藻斑水平漂移速度時(shí)變特征的可能原因.表層風(fēng)生流致使水華藻斑向?qū)Π镀芠19],水華藻斑隨著風(fēng)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(yùn)動(dòng).風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)湖面流場(chǎng)影響明顯,湖面流場(chǎng)流向與湖面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向基本一致,這是湖面流場(chǎng)導(dǎo)致水華藻斑漂移速度變化的重要原因.

波浪對(duì)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(guān)系可以用指數(shù)方程來(lái)描述(<0.05),當(dāng)波高小于最小臨界值時(shí),波浪對(duì)藻斑漂移速度將不再起作用,當(dāng)波高大于最大臨界值時(shí),水體表面聚集的水華藻斑形態(tài)將會(huì)被破壞,藻類與水體混合,從而影響藻類水平漂移速度.波動(dòng)緣于水面空氣流動(dòng)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(dòng),在波動(dòng)產(chǎn)生以后,波面的法向和切向方向同時(shí)受到正壓力和雷諾應(yīng)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(fēng)速大小,還與風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度和風(fēng)持續(xù)時(shí)間有關(guān)[20],波浪可以導(dǎo)致水華藻斑的空間位置發(fā)生改變,影響藻斑水平運(yùn)移的過(guò)程,一定強(qiáng)度的波浪使漂浮性藻斑在水體垂向分布中趨于均一化,進(jìn)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(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)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(fēng)場(chǎng)的影響與湖面流場(chǎng)和波浪也有著一定的關(guān)系,水華藻斑的漂移過(guò)程及漂移速度不是受單一湖面風(fēng)場(chǎng)的影響,而是風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)和波浪以及藻類自身生長(zhǎng)的共同影響[21].湖面風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)、波高的交互協(xié)同作用是藻斑漂移速度產(chǎn)生時(shí)變差異的主要原因.

圖9 波高與藻斑漂移速度的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1 太湖水華藻斑漂移速度存在著明顯的時(shí)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(dá)0.07m/s,最大漂移速度可達(dá)0.146m/s.

4.3 從不同的月份來(lái)看,6月上旬水華藻斑漂移速度相對(duì)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(dá)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(dòng).

4.4 太湖水華藻斑漂移度的影響因素,不是單一的湖面風(fēng)場(chǎng)影響漂移運(yùn)動(dòng),也與有效波高等因素有關(guān).

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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(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士研究生,主要從事環(huán)境水力學(xué)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(xiàng)(2014ZX07101-011, 2017ZX07205-02);國(guó)家自然科學(xué)基金(41271213)

*責(zé)任作者, 副研究員, jcdeng@niglas.ac.cn