微藻生物膜作用下长江河口区粘性泥沙絮团粒径分布规律研究

Cohesive sediment transport is essential to managing coastal water quality and dredging operation, and to understanding coastal ecology, chemical fluxes and geological record. To accurately determine the Floc Size Distributions (FSDs) of biomineral aggregates are the key to understand the dynamics of suspended sediments. One of the main challenges in predicting FSDs is that in addition to the ambient turbulence intensity and local suspended sediment concentrations, the bioactivities may also dominate the particle aggregation and breakage, which nevertheless is rarely systematically addressed in previous studies. Thus, this study aims at better investigating the effect of microalgae biofilm on the FSDs of cohesive sediments in the Yangtze River Estuary. To achieve this target, settling column experiments will be set up for estuarine muds with two different typical microalgae (i.e., Skeletonema costatum and Cyclotella meneghiniana) to observe the biofilm effects on FSDs under different oscillating frequencies of the grids. Moreover, the population balance equation will be used to model the FSDs, highlighting the changes of collision frequency, collision efficiency and breakup frequency due to bioactivities. This study is of importance in enhancing the predictability of particle dynamics in natural and anthropogenic impacted estuarine and coastal systems, and the newly developed FSD model has the potential to solve with large scale open source ocean models in the future.

对粘性泥沙运动机理的认识制约着通航航道疏浚和污染物输移等工程和环境问题的研究。在河口海岸地区，粘性泥沙主要以生物-矿物絮团的形式存在。如何准确地预测絮团的粒径分布，是揭示其运动特性的关键难题，因为絮团的聚并与破碎不仅受到水动力因素（例如剪切变形率和泥沙浓度）的影响，生物因素通常也发挥着重要的作用。然而，以往粘性泥沙絮凝机理的研究更多地集中在其矿物成分和物理性质上，对生物絮凝的机理研究还很不成熟。本项目拟于室内开展沉降筒栅格震荡实验，研究在长江口区两种不同典型藻类（中肋骨条藻和梅尼小环藻）的影响下，粘性泥沙在可控水动力环境中达到平衡态时的絮团粒径分布规律。同时，建立基于矩积分法的群体平衡方程模拟絮团的粒径分布，研究不同藻类对粘性泥沙絮团碰撞频率、碰撞效率及分解频率的影响。该项目对进一步揭示我国长江河口区泥沙输运机制具有重要意义，相关成果也是今后开发更高精度大尺度三维水动力与泥沙模型的基础。

对粘性泥沙运动机理的认识是研究航道疏浚和污染物输移等工程和环境问题的关键。本项目围绕长江口典型微藻（中肋骨条藻和梅尼小环藻）影响下粘性泥沙在可控水动力环境中达到平衡态时的絮团粒径分布规律开展研究，阐明了微藻泥沙矿物-生物絮团的絮凝动力机制，构建了考虑生物过程的粘性泥沙絮凝模型。. 一方面，利用实验室搅拌槽系统，开展了不同紊动条件下，高岭土与不同种类、浓度微藻的絮凝实验。（1）通过控制搅拌槽叶片转速，发现紊动对粘性泥沙絮凝有显著影响，且微藻泥沙絮团的絮凝曲线存在临界紊动剪切率。（2）分别采用两种微藻与高岭土开展絮凝实验，发现微藻环境下泥沙絮团粒径分布可由单峰变为多峰分布，两种微藻均能促进高岭土絮凝，且微藻种类对高岭土絮凝作用的影响不同。（3）通过开展不同浓度微藻与高岭土的絮凝实验，发现微藻浓度的增加会导致絮团粒径的增大，结合环境扫描电子显微镜，发现中肋骨条藻-泥沙絮团多表现为长条状结构，而梅尼小环藻-泥沙絮团则多呈球块状。. 另一方面，基于微藻及紊动影响下生物泥沙絮凝实验结果，研发了基于拟蒙特卡罗方法的群体平衡随机絮凝模型。（1）通过建立微藻与泥沙颗粒相互碰撞、粘结及破碎过程的特征表达，提出了碰撞粘结过程中生物-矿物颗粒，矿物-矿物颗粒和生物-生物颗粒间作用对碰撞效率的修正方法，揭示了微藻对泥沙絮团结构强度的影响，并对最大絮团粒径关联Kolmogorov微尺度进行了参数修正，阐明了粘性泥沙在微藻环境下絮团形成、破裂和再生成的全动力过程。（2）研究发现，拟蒙特卡罗方法在精度和耗时方面均优于标准蒙特卡罗方法，且在达到合理精度的前提下，使用 Halton 随机数序列的模型对模拟系统中颗粒要求最少，效率最高。. 本研究相关成果可以为河口海岸水体颗粒物陆-河-海-气多介质迁移机制等的研究提供重要参考。