目前人们对于富营养化水体中藻类的研究主要集中在温度、光照、营养盐水平下的藻类生长，并且找出了藻类生长与温度、光照、营养盐等之间的对应关系。但是水体中浮游生物的种群交替和生物量的变化，不仅与水体的温度、光照周期、营养物质及生物自身的生理状态相关，还受到水体流动的影响。有研究认为，优势藻类与水体温度层的结构有关，而温度层的持续与稳定又受到河流流速的影响，因此河流流速通过影响水体的温度层结构间接影响藻类的生长。大量的研究表明，水动力条件影响着藻类的生长繁殖、优势藻种的演替、聚集，同时对各种营养盐、污染物质、泥沙与沉积物的形态、传输和分布产生影响，从而对水华暴发起着重要的作用。张敏毅等认为风力导致的水动力条件变化对藻类生长及水华的发生有着重要影响。廖平安等认为增加水体流速确实可以抑制藻类生长，但目前关于水体的流动对藻类影响的相关研究比较少。在大型湖泊中，浮游生物的数量与分布受到水动力的影响十分明显，并且水动力对于潜水湖泊的影响比深水湖泊更大。
国内外同类型研究集中在环境因素一定的条件下观察不同流速对藻类生长的影响，实验装置采取水泵和水车循环、旋转水槽、桨板推流水槽等。初步研究结果表明，存在某个临界流速，在此流速条件下最有利于藻类生长，但这种模拟实验和自然水体的流动有一定的差距。由于天然水体中的流动处于紊流状态，仅用单一流速指标不能反映水体紊动情况，并且实验中使用了推流装置，这些装置本身就有曝气和挤压藻类的作用，影响了实验的科学性。作者利用计算流体力学(CFD)理论设计了一个旋转的环形水槽，不使用任何推流设备，可以模拟河道自然水体流速，考虑环境因素的同时，计算、测试具有不同紊动动能水体对藻类生长的影响，探究其影响机制。
1 材料与方法
1.1 实验材料
1.1.1 实验装置及工作原理
实验采用自行研制的旋转模拟装置，如图l所示。装置主要由三部分组成：上部的光照系统由可控时日光灯组成，采用12 h间隔开关方式运行，可模拟昼夜变化；中部水流的承载系统由环形水槽和固定挡板组成；下部由可调速的变频电机组成。转速电机采用变频调速装置，通过控制转速调节水流流速。具体三维模型为一环形水槽，由外环直径为600 mm，内环直径为400 mm，高度为120 mm的有机玻璃制成，内外环为同心圆。在外环下部设有排水口。
环形水槽在电机带动下旋转，为了防止水槽中水体相对运动趋于静止，在水槽中插入一个相对静止环形的固定挡板。模型装置经过计算流体力学(CFD)模拟，在流速范围0.10～1.50 m/s内流动处于稳定状态，实验测试30 d水槽中水体流速不变，因此该装置能长时间模拟无限长河道流动。装置共制作4组，其中一个为静态对比装置，可同时模拟4种不同流速。
1.1.2 实验水样
铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)购自中国科学院水生生物研究所。用BG-ll培养基在光照强度3 000 lx、温度25℃恒温条件下在培养箱中扩大培养。培养箱的光照和黑暗转换规律与本地的自然光照同步，光暗比14 h:10 h。
研究流动对自然水体藻类生长影响的水样取自太湖渤公岛段湖水，水体中的优势藻类为铜绿微囊藻，用塑料桶带回实验室备用。
1.2 实验方法
实验前将培养箱巾的藻液用BG-ll培养液稀释，置于实验装置中。实验室的温度光照皆模拟培养箱环境。开启实验装置，通过调节环形水槽转速得到实验所需的各个流速。每天14：00进行实验，实验时暂停装置进行取样及数据测量，结束后重新开启装置。实验周期为10 d。
自然水体藻类生长实验的实验方法同上。
1.3 测定方法
光强采用上海嘉定学联仪表ZDS-lO水下照度计测定。
流速的测定由HS-2便携式流速测算仪测得。
藻类计数使用BA210型号显微镜。每次实验取样1mL稀释至10 mL，吸人0.1 mL样品注入0.1 mL计数框，在lOx40倍显微镜下计数，藻类计数100个视野。每个水样平行计数2次，取其结果的平均值作为计数所得的藻体数。同一水样2个平行计数结果与其平均值之差如大于平均值的±15%，则需进行第3片计数。随着藻类的生长，稀释的倍数也要逐渐加大，始终保持每个视野出现藻数在10个以内，以保证读数的准确性。
藻类比增殖速率（μ）的估算公式为：
式中，比增殖速率（μ）是在某一时间间隔内藻类生长的速率，d-1；X1为某一时间间隔开始时的藻类现存量，L-1；X2为某一时间间隔结束时的藻类现存量，L-1；（t2-t1）为某一时间间隔，d。
溶解氧采用哈希公司HQ30d便携式溶解氧仪测定。测定时在水体上中下3次进行测量，结果取3次测量结果的平均值。
pH值的测定使用PHS-3C型号PH计，使用前需预热40 min左右。
电导率的测定使用DDB-llA型便携式电导率仪。
2 结果与讨论
2.1 流动对藻类生长的影响
2.1.1 流动对实验室培养的铜绿微囊藻生长的影响
为了探究流动对于铜绿微囊藻生长状况的影响，将流速细分为O、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 m/s 6个流速段。实验水样的初始藻液浓度为4.87xl06 mL-1，初始pH值、溶解氧、电导率分别为8.76、7.49 mg/L、2.35 mS/cm。通过分析实验结果对比发现：当流速>0.30 m/s时，藻类的增殖随着流速的增大而减小；当流速<0.30 m/s时或静止时，藻类生长随着流速的增加而增大。可见流速0.30 m/s是关键流速。实验中该实验组水样最先开始变绿，数量在4-6 d时达到最大值，藻类生长状况优良，藻细胞个体饱满，颜色呈蓝绿色。各实验组的藻类的最大数量对比，见表1。
为了更加直观地对比各实验组藻类的生长状况，我们通过数据分析得出各实验组藻类的最大比增长率（图2），在流速0.30 m/s的条件下藻类的最大比增长率最大，为0.27 d-1。
由上述分析可知，流速0.30 m/s可能是影响藻类生长的临界值。临界流速的研究对于水体富营养化的防治和水华现象的控制都有着重要意义。为了进一步确定藻类适合的流速范围，我们将流速范围进一步细分，进行了0、0.25、0.30、0.35 m/s的实验对比。各实验组的藻类数量变化情况如图3所示。各实验组的最大比增长率分别为0.26、0.30、0.33、0.29 d-1。可见在本次实验室所设定的条件下，适合藻类生长的最佳流速条件为0.30 m/s。可能存在的最佳流速范围为0.25-0.30 m/s。
2.1.2 流动对太湖藻生长的影响
通过对上述实验的总结，可见流速0.30 m/s是一个关键流速。为了探究自然水体中的藻类是否也有同样趋势，实验室取用太湖渤公岛段的湖水进行实验．首先进行流速为0、0.20、0.30、0.40 m/s的实验对比，在25℃条件下进行实验。从图4的曲线趋势来看，对于太湖渤公岛段湖水中的蓝藻而言0.30 m/s仍旧是一个优势流速。在对数生长期藻类迅速生长，之后趋于平缓。实验中0.30 m/s流速下的最大比增长率为0.27 d-1。为了研究太湖渤公岛段的藻类是否与实验室培养的铜绿微囊藻有相同的优势流速范围，我们进行了第二部分实验，如图5实验流速为0、()．25、0.30、0.35 m/s，通过数据分析得出相应对数期的最大比增长率分为0.29、0.30．0.33、0.31 d-1。由此可见，渤公岛湖水中铜绿微囊藻可能的最佳流速范围为0.30-0.35m/s。总结来看，在实验室环境下，太湖渤公岛段的蓝藻受流动的影响与实验室藻类较为接近。
2.2 讨论
藻类的生长周期可划分为4个阶段：(1)迟缓期；(2)对数生长期；(3)稳定期；(4)衰亡期。每个实验组都经历了上述的4个阶段。实验初期，藻类需要适应实验环境，生长迟缓，生物量增长缓慢。在实验的第2-3天，各实验组水样颜色开始变绿，水体逐渐浑浊。使用显微镜观察藻细胞的生长状态，可见其呈蓝绿色，个体饱满。实验进行到第7-8天时，水样颜色呈深绿色，并且变化不明显，水体浑浊，实验装置下部有絮块状沉淀物，可见已经有藻类死亡。通过显微镜观察藻细胞形态，发现藻细胞干瘪且颜色偏黄绿色。由于营养物质的消耗和代谢产物的不断累积，最终各实验组的生物量都降到了相近的水平。
流动对于藻类的生长有较大影响且影响是多方面叠加起来的结果。大多数的学者研究认为，自然水体流速对藻类生长过程的客观影响普遍存在以下特点：当流速逐渐变小，接近0时，流速对藻类生长影响F(u)达到最大值；而当流速逐渐变大，F(u)值将逐渐变小。然而，流动对于藻类生长的影响并非如此简单。流动不仅使水体中的营养物质能够更充分的被藻类吸收，也使得悬浮物质中的一些氮、磷等营养元素释放到水中，更利于藻类生长。但是水体流速过大或过小都会影响藻类生长。通过对实验室培养的铜绿微囊藻和太湖渤公岛段的藻类的实验分析，可见0.30 m/s是藻类生长的临界流速。当流速>0.30 m/s时，藻类的增殖随着流速的增大而减小，这可能是由于流速过大时，水体的冲刷作用较大，导致藻类难以聚集繁殖，生长环境遭到破坏；当流速<0.30 m/s时，藻类生长随着流速的增加而增大，流速<0.30 m/s时或静止时，有利于改变藻类胶质群体的大小和微生态体系，使得藻类更易于吸收水体中的营养物质，同时，轻微扰动有利于藻类对光的吸收利用。但是流速<0.30 m/s时或静止时，实验藻类大多沉积在实验装置底部，所以流速过小也不利于藻类的漂浮和聚集，不利于藻类的生长。但此实验结果仅是对单一藻类生长的研究，对于多种优势藻类共存的水体还需要进一步研究。
在自然状态下铜绿微囊藻主要以群体形态生存，但在本次实验中，室内培养的铜绿微囊藻生长状态最好的实验组最多也仅形成十几个藻细胞的小群体，并在水体中分布均匀。取自太湖的水样中铜绿微囊藻大多堆积在水体表面，并且多数都是细胞数数百的大群体。由此我们分析可能是由于太湖水相对浊度较高，透明度较低，光照强度变化大，而实验室内光照强度适宜且均匀，少数藻细胞或者单细胞能更有利的利用光照，所以在实验室条件培养下的铜绿微囊藻很难形成大群体。
3 结论
本实验是在同一营养盐、温度及光照条件下，探究流动对藻类生长状况的影响。本次实验结果表明，流动对藻类的生长存在一个临界值。流动过大或过小时都不利于藻类生长。在本次模拟实验设定的实验条件下，通过对实验室培养的铜绿微囊藻和太湖渤公岛段的藻类的实验分析，可以得到如下结论。
(1)光照强度3 000 lx、温度25℃条件下，铜绿微囊藻在0.30 m/s的流速下，生长状况最佳，较为优势的流速范围为0.25-0.30 m/s。
(2)太湖渤公岛段湖水中的蓝藻，在流速为0.30m/s的流速下，生长状况优于其他流速，较为优势的流速范围为0.30-0.35 m/s。
(3)实验室培养的铜绿微囊藻与太湖渤公岛段蓝藻最适流速范围略有差异，可能由于实验室环境较为优越，使得其与自然水体的藻类相比，抗干扰能力有所减弱。
在实验室条件下进行的藻类实验，其特性与生长情况与自然环境中生长的藻类差异较大，在实验室条件下所得结论是否能用于指导工程实践还有待进一步讨论。
4摘 要：研制了稳定运行的环形旋转水槽，模拟天然河道流动。通过该实验装置研究了不同流速条件对铜绿微囊藻生长的影响。结果表明：在温度为25℃、照度为3 000 lx、光暗比为14 h:10 h的条件下，流速在0-0.50 m/s范围内，适合藻类生长的最佳流速条件为0.30
m/s，流速过大或过小都不同程度的影响藻类的生长。对于实验室的铜绿微囊藻而言，较为优势的流速范围为0.25-0.30 m/s;而太湖藻的相对优势流速范围为0.30-0.35 m/s。
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