水动力条件下太湖透明度模拟研究

根据太湖实测资料分析得到了太湖悬浮物浓度和透明度之间呈现明显的反比关系, 归纳总结了以往研究成果中建立的太湖透明度与悬浮物浓度之间的关系, 说明可以通过模拟太湖悬浮物来反映太湖透明度的变化规律. 实测资料表明, 不同水深处的悬浮物浓度与风速的变化趋势大致相近, 风速越大, 悬浮物浓度越大. 太湖波浪、湖流与悬浮物浓度均呈现正相关关系, 悬浮物浓度随着波浪和湖流的增大而增大, 但波浪是影响底泥再悬浮的主要因素, 流速次之. 建立了太湖湖流、波浪和悬浮物耦合的数学模型, 在悬浮物模型中考虑了波浪和湖流的综合影响. 并将床面层附近底泥的起悬量和沉降量分开处理, 考虑了近底水流中湍流脉动的随机特性, 引入了底泥起悬条件. 模型清楚地反映出了悬浮物中的底泥颗粒与床面层内运动底泥及床面活动底泥发生相互交换过程中的两个方面. 模拟结果表明太湖悬浮物沿岸区域受湖流的影响较大, 湖心区域受波浪影响较大. 利用该模型, 模拟了太湖悬浮物和透明度的变化规律, 模拟结果被实测值较好验证, 说明所建立的模型是基本合理的, 可用来进行太湖透明度的模拟和预测.     

风浪扰动下湖滨带悬浮物和营养盐响应特征

为研究风浪扰动下沉积物起悬过程中悬浮物浓度的分布特征和水体营养盐时空分布状况,以太湖西北湖滨带为例,选择代表4种不同生境的6个点位进行了连续12 d的野外观测.利用高精度分层同步采样装置,采用重量法计算悬浮量,并对悬浮过程中总磷(TP)、总氮(TN)、铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)浓度进行分析.结果表明:风速是引起太湖西北湖滨带水体悬浮物增加的主要因素,沉积物悬浮的临界风速为3.6 m/s.各点位悬浮物浓度的均值差异明显,表现为:无植被区植被区河口区湖心区.太湖西北湖滨带水体氮、磷浓度日变化幅度较大,TN浓度为1.82~4.96 mg/L,TP浓度为0.10~1.47 mg/L.NH_4~+-N和NO_3~--N浓度分别在0.09~2.83和1.05~3.69 mg/L之间波动.近岸无植被区水柱的总悬浮量与风速的相关性最好,相关系数达到0.722;而远岸湖心区与风速的相关系数仅为0.039.悬浮物浓度除了受风情(风向和风速)的影响外,同样受水深、地形特征和水生植被的影响.     

太湖梅梁湾湖区悬浮物动态沉降特征的野外观测

沉降运动是悬浮物主要运动形式之一,是影响营养盐内源释放的主要运动过程,研究悬浮物沉降速度对湖泊富营养化的研究具有重要意义.为了解浅水湖泊悬浮物的沉降特征,以太湖梅梁湾为例,采用声学多普勒流速仪,光学后向散射浊度仪以及风速风向仪在梅梁湾进行了连续9 d的野外观测.采用扩散沉降平衡的方法计算小风速情况下悬浮物的沉降速度,并对沉降速度与垂向流速、风速、悬浮物浓度的关系进行分析.结果表明悬浮物平均沉降速度为0.0785 mm/s,表层垂向流速和悬浮物浓度对悬浮物沉降速度变化起主要作用;而在底层,风速、垂向流速、悬浮物浓度都对悬浮物运动有重要影响,具体表现为风速1.5 m/s时,垂向流速紊动增大,悬浮物因起悬而浓度较大,并且沉降速度波动较大;风速1.5 m/s时,垂向流速基本向下且流速较小,沉降速度也较小.本文揭示了大型浅水湖泊悬浮物的动态沉降特征,为今后太湖污染物的输移、水环境数学模型和湖泊富营养化的深入研究奠定了必要的基础.     

太湖底泥悬浮中营养盐释放的波浪水槽试验

波浪水槽中研究了小波掀沙(波高8.77cm,波周期0.8s)和大波掀沙(波高12.31cm和13.29cm,波周期1.0s)对太湖沉积物悬浮及N、P营养盐释放的作用规律.结果显示:小波掀沙时,底泥并未发生大量悬浮,SS浓度最高时仅13.6mg/L;大波掀沙时,底泥大规模悬浮,SS浓度最高达达245.2mg/L水体悬浮物、营养盐浓度变化滞后波高变化1h以上.当波高改变1h后,水体悬浮物、N、P营养盐浓度才改变到相应的平衡浓度.除总磷浓度显著提高外,小波掀沙对水体N、P浓度的影响很小,大波掀沙则显著提高了水体总氮、总溶解氮、总磷、总溶解磷、氨氮(NH4 -N)、溶解性活性磷(SRP),其中NH4 -N、SRP最大增幅达30％和20％.小波和大波掀沙过程中,水体溶解氧浓度均持续增加,掀沙2h后增高2mg/L,溶解性有机碳持续下降,2h后下降33％-51％.试验结果表明,掀沙过程中水体充氧及颗粒物的絮凝、吸附作用可能是限制NH4 -N、SRP浓度增高的重要因素之一.     

浅水湖泊沉积物磷释放的波浪水槽试验研究

为探索浅水湖泊水动力扰动作用对沉积物内源营养盐释放的规律,采用波浪水槽试验研究了波浪扰动对太湖和巢湖沉积物悬浮和磷释放的作用.试验结果显示在强波浪扰动下,底泥大规模悬浮,使得水体中悬浮固体(SS)、总磷(TP)和溶解性总磷(DTP)含量显著升高,太湖和巢湖底泥水槽试验中上覆水体TP含量分别升高了6倍和3倍,DTP分别升高了1倍和70％,太湖底泥试验中溶解性活性磷(SRP)含量亦升高了25％.掀沙过程中,不但表层底泥间隙水中的溶解性磷释放到上覆水体当中,沉积物颗粒所吸附的磷也大量转化为SRP而解吸释放.然而,强波浪掀沙一段时间后,溶解态磷的释放逐渐受到限制.随着波浪扰动作用的持续,悬浮物的中值粒径减小,细颗粒组分的百分含量明显增加,使得悬浮物对溶解态磷的吸附能力增强;波浪扰动显著提高了水体的溶解氧浓度,也会促进水体铁锰物质的氧化,增大其对磷酸根离子的吸附能力.这些变化可能是波浪掀沙后期限制水体SRP浓度进一步升高的主要原因.太湖底泥波浪水槽试验的结果与太湖梅梁湾中心区域常见风浪扰动下底泥的悬浮起动情况相吻合,底泥起动的临界切应力也基本相同,强波浪掀沙的切应力条件及水体SS,TP及SRP浓度变化的特点也一致,表明本实验的结果接近太湖的实际状况.本研究说明太湖的水动力扰动能显著提高水体TP及SRP浓度,大波掀沙初期对底泥磷释放的影响最大,后期的影响强度则有所下降.     

太湖底泥垂向构成类型及底泥-水界面组成物质

针对太湖中底泥-水界面上物质的状态、性质及其对水质的影响问题,本文通过对太湖8个湖区39个采样点的现场调查取样和实验室检测,分析太湖底泥状态和垂向上的构成、不同区域底泥-水界面物质的差异及底泥与磷释放和湖泛之间的关系.结果表明:太湖底泥-水界面上存在3种物质:粉质硬黏土、淤泥质粉土和悬浊水层.粉质硬黏土(硬底板)是太湖...     

垂向归纳模型下鄱阳湖丰、枯水期初级生产力特征及与环境因子相关性分析

于2014年1月(枯水期)、7月(丰水期)对鄱阳湖湖水进行采集,测定相应的理化参数、叶绿素a浓度和光合有效辐射,结合初级生产力垂向归纳模型估算浮游植物初级生产力,分析湖区初级生产力特征及与环境因子的相关性.结果表明,鄱阳湖枯水期浮游植物初级生产力波动范围为83.50~355.43 mg C/(m~3·d),平均值为193.33 mg C/(m~3·d),初级生产力空间分布特征主要受水体类型的影响,枯水期初级生产力与氮、磷营养盐浓度呈负相关,其中与铵态氮浓度呈显著负相关,枯水期不会出现营养盐限制现象;丰水期浮游植物初级生产力波动范围为113.80~1134.06 mg C/(m~3·d),平均值为412.12 mg C/(m~3·d),初级生产力空间分布主要受河流注入的影响,丰水期浮游植物初级生产力与总磷及悬浮物浓度呈显著正相关,由于悬浮物对浮游植物生长的促进作用大于抑制作用,鄱阳湖丰水期会出现磷营养盐的限制;鄱阳湖整体平均流速约为0.28 m/s,易于浮游植物的生长,南鄱阳湖平均流速约为0.21 m/s,而北鄱阳湖平均流速约为0.35 m/s,所以南鄱阳湖比北鄱阳湖更容易发生水体富营养化并暴发水华.     

不同水动力扰动下太湖沉积物的悬浮特征

利用2002年7月及2003年4月分别在太湖乌龟山和梅梁湾的水动力观测资料,计算了波浪和湖流产生的湖底切应力,分析了二者对太湖沉积物悬浮的不同贡献.结果发现,在小扰动情况下,流切应力大于波切应力,但不能引起沉积物的悬浮;在强扰动情况下,底流对沉积物悬浮的影响可以忽略,且扰动越强,其作用越小,而波浪的影响却愈加突出;在中等扰动下,二者的相互作用产生沉积物的悬浮,但波浪的作用较为显著.该结论能为计算太湖水体悬浮物浓度和动态内源释放提供重要的参考依据.     

波浪影响下半无限含水层中隧道渗流场分析

根据线性波浪引起水下土体残余孔压增长理论,采用Laplace变换得到衬砌在受波浪荷载下的外水压力及渗流量,并得到水底带衬砌隧道渗流量和衬砌周边水头解答。计算结果表明：（1）波陡H/L>0.09后衬砌将要承担比静水压力引起的更大的外水压力,土体渗透系数减小波浪对隧道外水压力和渗流量的影响反而逐渐升高,当kL=1×10-7 m/s时,无论是波浪还是静水压力作用下隧道的渗流量都得到有效控制;（2）5~10 s周期的波浪及水深d相似文献   

水源水库季节性分层及悬浮物行为对铁锰迁移的影响——以辽宁省碧流河水库为例

铁和锰是氧化还原敏感的元素,水源水库热分层引起的底层水体缺氧造成了沉积物中铁和锰的释放,对城市供水造成了极大的影响.以往鲜有悬浮物行为对铁和锰在水库水-沉积物界面迁移影响的研究,于2014年2月-2015年2月对碧流河水库深水区的水、悬浮物以及沉积物铁和锰的垂向分布特征进行综合调查分析,并进一步分析铁和锰的季节性变化规律及悬浮物行为对其的影响.Spearman相关分析结果表明铁浓度与总悬浮固体、总氮和总磷的相关性较大;锰浓度与总悬浮固体、溶解氧、pH和总氮的相关性较大.进一步讨论分析表明碧流河水库的热分层、底层缺氧以及沉积物再悬浮是影响铁和锰浓度的重要因素,水库铁和锰的季节变化规律存在差异.分层期溶解态的锰在底层累积,平均浓度达到0.18 mg/L,而沉积物中溶解态的铁释放很少.混合期水库的中上层锰浓度升高,达到了0.07 mg/L.沉积物的再悬浮是水库底层水体中铁的主要来源,底层颗粒态铁的平均浓度约为0.3 mg/L.絮凝的颗粒物以及其吸附的锰在水库长期悬浮,难以沉积到水库底部,使得悬浮物中Mn的含量显著高于表层沉积物,约为沉积物的7倍.建议应在碧流河水库采用分层取水、水库曝气以及联合供水等措施,以减少铁和锰的浓度升高对供水产生的影响,保障大连市城市供水安全.     

A Monte Carlo study of rainfall forecasting with a stochastic model

A procedure for short-term rainfall forecasting in real-time is developed and a study of the role of sampling on forecast ability is conducted. Ground level rainfall fields are forecasted using a stochastic space-time rainfall model in state-space form. Updating of the rainfall field in real-time is accomplished using a distributed parameter Kalman filter to optimally combine measurement information and forecast model estimates. The influence of sampling density on forecast accuracy is evaluated using a series of a simulated rainfall events generated with the same stochastic rainfall model. Sampling was conducted at five different network spatial densities. The results quantify the influence of sampling network density on real-time rainfall field forecasting. Statistical analyses of the rainfall field residuals illustrate improvement in one hour lead time forecasts at higher measurement densities.     

Information for authors

正SCIENCE CHINA Earth Sciences,an academic journal cosponsored by the Chinese Academy of Sciences and the National Natural Science Foundation of China,and published by Science China Press and Springer,is committed to publishing high-quality,original results in both basic and applied research.     

INTERNATIONAL RESEARCH AND TRAINING CENTER ON EROSION AND SEDIMENTATION(IRTCES)

正Director:Shangfu Kuang,China Vice-directors:Chunhong Hu,China Duihu Ning,China Guangquan Liu,China The International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation(IRTCES)was jointly set up by the Government of China and UNESCO on July 21,1984.It aims at the promotion of international exchange of knowledge and cooperation in the studies of erosion and     

Calendar of events

正~~     

Dynamic process-response model of river channel development

Feedback mechanisms, which operate upstream through drawdown and backwater effects and downstream through sediment discharge are responsible for channel evolution. By combining these mechanisms with channel processes it euables a dynamic process-response model to be developed to simulate the initial evolution of straight gravel-bed channels. When erosion commences on a land surface, sediment entrained in the headwater reach by hydraulic action is selectively transported, deposited and reworked. This produces a damped oscillation between degradation and aggradation as the channel and valley respond to spatial and temporal variations in sediment calibre and hydraulic conditions. The initial cut and fill phases are responsible for valley incision and floodplain development while secondary and subsequent activity can produce river terraces. Eventually sediment entrainment in the headwaters declines as slopes are reduced. Subsequent channel evolution is relatively insignificant because it is dependent on local weathering activity producing material that can be transported on declining slopes. Therefore landforms produced during the initial phase of development, when local weathering was non-limiting, dominate the landscape.