扬水曝气对峡谷分层型水库藻类控制机制研究

为探明扬水曝气对峡谷分层型水库中不同径向藻类生物量和结构的影响,以李家河水库为对象,对扬水曝气系统(WLAs)运行期间水体理化性质参数和藻类数量及物种进行了高频监测,采用藻类传统和功能分类法,建立了控制条件下藻类的演替规律和控制机制.结果表明,WLAs运行12d后,径向S1~S4点藻密度削减率分别为92.7%、92.9%、92.1%和89.2%;径向S1~S4点藻属结构发生演替,绿藻(珊藻)和硅藻(短缝藻和羽纹藻)转向硅藻(针杆藻,小环藻),即“高温、大型且低比表面积(S/V)藻”转向“低温、小型且高S/V藻”;水温、光可利用率(Zeu/Zmix)、营养盐的降低和混合层深度(Zmix)的增加是扬水曝气系统控藻的主要原因;径向S1~S4点Q指数升高且TLI指数降低,表明富营养化得到改善.

浮式管型取水方式下的分层型水库下泄水温研究

调节性较好的水库往往表现出不同程度的水温分层,导致春夏季下泄水温普遍偏低,对下游生态环境及农业灌溉等造成不利影响。浮式管型取水方式作为一种有效的表层取水措施,其相关研究仍较缺乏。本文依据某大型水库水温资料,在建立物理模型有效还原其水温分布的基础上,探究采用浮式管型取水方式对下泄水温的提高效果,并结合数值模拟方法,对试验过程的流场、温度场进行综合分析。结果表明,在设定的各工况下,浮式管型取水方式均能有效提升下泄水温,较采用单层取水方式平均提高了3.2℃。成果可为浮式管型取水方式下的水库下泄水温研究提供有效的方法体系与应用参考。

分层型水库藻类垂向演替的水质与细菌种群调控

浮游藻类和细菌是水生食物网的重要组成部分,在水源水库生态系统物质循环和能量流动方面发挥关键作用,藻类的空间演替与水体细菌种群代谢和结构演变关系密切.因此,本文以李家河水库为研究对象,在分析水库水质指标基础上,采用高通量DNA测序技术和Biolog技术,研究水库藻类暴发期,浮游藻类和细菌群落结构垂向演替特征及其与水质的偶联关系.结果表明,李家河水库在8月处于热分层期,水体pH、DO和NH+4-N随深度变化均逐渐降低(P<0.001).藻密度和Chla呈现同步变化趋势(P<0.001),表层最大分别为3 364.33×104 cells·L-1和7.03μg·L-1.藻类群落结构在水深0 m和3 m处以微囊藻为主,而在水深6 m处,小环藻取代微囊藻成为最优藻属,相对丰度达57.28%.Biolog结果表明,微囊藻的暴发对细菌代谢活性及其相对丰度产生较大影响,但细菌种群代谢活性多样性变化不显著.高通量测序共发现1 420个OTUs,隶属于10个细菌门类,其中放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)在不同水层均为最优门类,其相对丰度之和达50%以上;绿菌门(Chlorobi)和浮霉菌门(Planctomycetes)的相对丰度随着水深增加发生显著变化,均在6 m深度达到最大值,分别为10.29%和6.78%,且与水层藻密度呈显著负相关(P<0.05);厚壁菌门(Firmicutes)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)与藻密度呈显著正相关(P<0.05).热图(Heat map)指纹图谱表明,李家河水库的细菌群落结构垂向分布差异显著,且随着水深的增加,细菌群落分布更均匀并趋于多样性.冗余分析(RDA)表明,细菌和藻类的群落结构的垂向分布受不同水质指标调控且差异显著.对水源水库藻类暴发期藻类与细菌群落的偶联机制进行探究,为水源藻华消涨的分子微生态驱动机制研究提供科学依据.

分层型水库藻类季相演替的细菌种群驱动机制

浮游藻类和水体中的细菌是水生食物网的组成部分,在淡水生态系统的结构和功能中发挥着关键作用.然而,对于水库当中藻类和细菌群落如何互作及其对变化的环境条件的响应研究却较少.本文以李家河水库为研究对象,采用16S rDNA高通量测序技术和共生网络分析方法,分析了藻类种群时空演替与细菌群落的生态互作关系.结果表明,在藻类群落结构中,硅藻和绿藻也为全年优势门类,且在8月,蓝藻取代硅藻成为第二大优势门类,平均相对丰度为30.13%.DNA测序分析表明,变形菌门、放线菌门和拟杆菌门为全年优势细菌,其中变形菌门在7月达到全年最大相对丰度71.68%.酸杆菌门和异常球菌-栖热菌门作为稀有类群,其相对丰度最大分别为10.20%和5.56%.共生网络分析表明,藻类与细菌之间的关系以正相关居多,表明二者之间的互作关系可能以互利共生为主.Methylotenera作为关键节点,与小球藻呈显著正相关.柵藻作为藻类群落中的关键节点,与甲基杆菌属、Solitalea和红育菌属等多种细菌显著负相关.RDA分析表明,藻类和细菌群落的演替受到水温、pH和电导率的显著调控,环境因子对藻类和细菌群落变异解释分别为93.1%和90%.本研究结果将为深水型水源水库生态系统中藻菌互作关系的微生态驱动机制提供科学依据.

分层型水库水体好氧不产氧光合细菌时空演替特征

好氧不产氧光合细菌(aerobic anoxygenic photosynthesis bacteria,AAPB)以多样的群落结构及独特的代谢功能在水体物质循环中扮演着重要角色.基于实时荧光定量PCR及Illumina MiSeq高通量DNA测序技术研究金盆水库水体中AAPB丰度及群落结构时空演替特征,结合冗余分析揭示环境因子对其群落结构影响规律.结果表明,金盆水库水体AAPB丰度(以pufM基因计)变化范围为(6.70±0.43)×10^3^(2.69±0.15)×10^4 copies·mL^-1,最大值出现于10月,且随水深增加而减小.样本主要归为19个属(除未分类菌属外),优势AAPB菌属包括慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium sp.)和甲烷菌属(Methylobacterium sp.),两者隶属α-变形菌(α-Proteobacteria),其中慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium sp.)占比于11月最高,高达60%以上(除10 m外),此外也发现了以低比例存在的红长命菌属(Rubrivivax sp.),隶属β-变形菌(β-Proteobacteria).AAPB不同属间存在较强的互作关系,如红杆菌属(Rhodobacter sp.)与小红卵菌属(Rhodovulum sp.)呈正相关,噬氢菌属(Hydrogenophaga sp.)与慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium sp.)呈负相关等.AAPB种群结构组成及分布差异显著,主要受T、 TN、 NO-3-N和光照强度影响,且由环境因素综合调控.如10月水深0、 5和15 m水体AAPB种群结构受水温(T)、总氮(TN)和总磷(TP)显著影响, 12月水深5 m水体AAPB种群结构受光照强度、pH、溶解氧(DO)和叶绿素a(Chla)显著影响等.研究结果对解析分层型水库水体AAPB丰度和多样性的时空变化特征具有指导意义,并为探索AAPB种群结构的水环境驱动因素提供理论依据.

分层型水源水库溶解性有机物性质及其膜污染特性

利用激发-发射矩阵(EEM)荧光光谱和紫外吸收光谱研究了深水型水源水库热分层期溶解性有机物(DOM)性质及其膜污染特性随水深的变化.结果表明,水体热分层导致DOM质量浓度和性质也表现出分层特征.变温层受光化学降解影响较大,DOM质量浓度较低,同时受藻类等浮游植物分泌的内源有机物影响,DOM芳香度较低,类富里酸有机物(C1组分)和类腐殖酸有机物(C2组分)荧光强度较低,但类色氨酸有机物(C3组分)荧光强度较高;斜温层DOM受径流输入影响较大,DOM质量浓度和芳香度较高,C1和C2组分荧光强度较高.膜污染方面,变温层DOM造成的总污染最大,但可逆性较好,斜温层和等温层DOM造成的总污染较低,但可逆性较差;对超滤过程中不同荧光组分迁移的分析表明,超滤膜对C3组分截留率较高,但反冲洗对被截留的C3组分去除效果较好,而被膜截留的C1和C2组分较难被反冲洗去除.

控制幕运行方式改善下泄水温及其成因研究

控制幕取水方式能够有效地减缓温度分层型水库下泄低温水对下游生态环境的不利影响,但目前缺乏控制幕运行方式下泄水温规律的试验研究以及对下泄水温成因的分析。本文基于某水库水温资料,首先通过试验探讨不同控制幕运行方式对下泄水温的改善效果,总结下泄水温规律。其次,利用三维数学模型进行精细模拟,分析控制幕表层和底层同时过流运行方式的流动规律,探讨下泄水温成因。结果表明:控制幕表层过流运行方式能够显著提高下泄水温;采用控制幕表层底层同时过流运行方式时,主流区位于控制幕顶部和底部,下泄水体主要由表层高温水与底层低温水掺混而成,下泄水温取决于所取表层高温水和底层低温水的掺混比例。研究成果对温度分层型水库控制幕取水的运行调度具有重要意义。

马来西亚巴贡水电站进水口设计

马来西亚巴贡水电站进水口设计存在水位变幅大,库水温度分层等特殊问题,下泄库水质量满足下游河道生态要求,因此要求进入引水隧洞的水流来自水库表层。根据这一要求,在进水口拦污栅上游侧设置了一个特殊结构,即导水叠梁,通过改变导水叠梁高度,可以满足要求。

多层孔型取水口下泄水温试验研究

水库水体温度具有明显的沿深度成层分布的特点,表层水温和底层水温相差很大,有时温差值可达20℃左右。多层孔型取水口是一种典型的水库灌溉取水装置,其目的是控制灌溉用水的温度以利于作物生长。目前,缺乏对多层孔型取水口下泄水温规律的研究。本文依据某水库水温资料,通过试验直接模拟水库水温分布,改变取水口淹没深度及下泄流量,探讨下泄水温与库内水温分布、淹没深度、下泄流量之间的关系。试验结果表明,下泄水温随取水口淹没深度增大而减小,随取水流量增大而增大,下泄水温还与库内水温分布有关。本文研究成果为多层孔型取水口的设计及运行管理提供理论依据。

不同类型取水口下泄水温试验研究

对于温度分层型水库,为了控制灌溉用水的温度以利于作物生长,工程中常采用叠梁门取水口、多层孔型取水口及浮式管型取水口等分层取水措施。目前,缺乏对不同类型取水口下泄水温规律的对比研究。本文依据某水库水温资料,通过试验直接模拟水库水温分布,在相同工况下,对比不同取水口下泄水温规律。试验结果表明,在相同工况下,叠梁门取水口下泄水温大于浮式管型及多层孔型取水口下泄水温。不同类型取水口下泄水温与淹没深度关系较大,与取水流量关系较小。本文研究成果为取水口的选取及运行管理提供理论依据。

人工强制混合对金盆水库水体藻类群落结构时空演替的影响

为探明人工强制混合过程对水体藻类群落演替的作用影响机制,本研究利用扬水曝气系统对金盆水库主库区水体进行原位人工强制混合,对系统运行过程中水库水体理化参数及藻类进行原位定点监测.结果表明,金盆水库水体藻类共6门28属51种,扬水曝气系统的人工强制混合作用可显著抑制水体藻类的生长,并对其群落结构产生显著影响:扬水曝气系统运行前,藻类主要分布在表层水体,其中以小球藻(Chlorella vulgaris)为优势种属;扬水曝气系统运行后,表层水体藻密度大幅降低,藻密度垂向分布趋于均匀,优势种属有向小环藻属(Cyclotella sp.)演替的趋势.本研究利用冗余分析(RDA)方法,结合临界层理论(critical depth theory)和藻类生长特性,分析了人工强制混合过程中金盆水库水体藻类群落结构时空演替和主要理化参数变化之间的关系.分析结果表明,扬水曝气系统的人工强制混合作用主要通过迅速破坏水体热分层稳定性和显著增加水体混合深度(Zmix)来影响藻类群落结构的时空演替.