河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究进展

河道内水流和泥沙是污染物迁移转化的主要载体,研究河道内污染物迁移转化过程以及水沙运动对其影响对于治理日益恶化的河流水环境非常重要。结合国内外研究最新动态,对水沙运动作用下污染物迁移转化的试验研究、作用机理、理论模式和数学模型等进行了总结和概述,重点对几种典型的理论模式和数学模型进行了比较分析。目前河流水沙运动对污染物迁移转化效应相关研究存在试验方法比较局限、作用机理存在分歧、理论模式和数学模型不完备等问题,需要进一步进行室内和野外试验技术创新、颗粒界面动力学的微观探索以及污染物在上下覆水和界面上迁移转化理论研究。对河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究的研究方向提出了展望。     

河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究进展

河道内水流和泥沙是污染物迁移转化的主要载体,研究河道内污染物迁移转化过程以及水沙运动对其影响对于治理日益恶化的河流水环境非常重要。结合国内外研究最新动态,对水沙运动作用下污染物迁移转化的试验研究、作用机理、理论模式和数学模型等进行了总结和概述,重点对几种典型的理论模式和数学模型进行了比较分析。目前河流水沙运动对污染物迁移转化效应相关研究存在试验方法比较局限、作用机理存在分歧、理论模式和数学模型不完备等问题,需要进一步进行室内和野外试验技术创新、颗粒界面动力学的微观探索以及污染物在上下覆水和界面上迁移转化理论研究。对河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究的研究方向提出了展望。     

河型转化机理及其数值模拟——Ⅰ.模型建立

为研究河型转化过程机理,建立了考虑弯道二次流影响与边岸崩塌过程的平面二维河流数学模型,包括水流模型、泥沙模型和边岸崩塌模型。通过在水流动量守恒方程中增加弥散应力项以考虑弯道二次流的影响,并采用室内水槽实验结果对水流模型进行了验证;利用上荆江沙市至石首天然长河段的水沙过程和河道演变资料,对泥沙模型进行了验证;结果表明本模型数值计算量合适,有较好的适应范围。模型中提出了边岸崩塌过程的模拟技术,相对于传统平面二维水沙模型而言,可以更好地模拟天然河道的横向摆动以及洲滩消长过程。     

重金属迁移转化模型研究

大量重金属污染物迁移转化的现象和研究成果都表明重金属以泥沙颗粒为载体迁移转化,描述重金属在天然水体中的迁移转化必须紧紧抓住泥沙颗粒运动及重金属与泥沙之间的转化关系进行.为此在对现有的重金属迁移转化数学模型进行概括分类的基础上,根据水沙运动与污染物相互作用关系,分析了泥沙颗粒运动及重金属吸附解吸不平衡过程,并结合水沙数学模型,建立了重金属迁移转化的耦合模型.同时在模型合理性分析的基础上,对模型进行了计算分析,分析表明模型能够合理地反映重金属污染物在水体中的迁移转化过程.     

冲积性河流河床冲淤调整对洪水泥沙过程的响应——以黄河游荡型河段为例

为研究冲积性河流造床机理,基于能量耗散原理分析河床调整与水沙过程（变异特性）间的关系十分必要。以黄河游荡型河段为例,利用实测资料分析和平面二维水沙数值模拟方法,进行了各种洪水泥沙条件下河流冲淤规律的探讨。研究发现平滩面积、河相系数与径流泥沙特征值间存在的关联性映射出冲积性河流能量关系中的制约机制;不同洪水泥沙过程的河床冲刷强度变化具有阶段性,主槽累积刷槽效应与洪水泥沙过程有密切响应关系;高效输沙的洪水过程通过塑造最适宜的河床断面形态,能实现最佳输沙效率与主槽的最大冲刷。在不同漫滩洪水条件中,综合系数Φ最大时的洪水过程具有最大累积刷槽效应,因此对应流量可作为黄河下游漫滩洪水的调控指标。     

河流梯级开发对生态环境影响的研究进展

河流梯级开发在满足社会需求的同时,还对区域生态环境具有一定的作用。针对河流水电开发对生态环境的影响,从河川流量、泥沙输移、水环境以及水生物等几个方面,将国内外的研究状况进行综合评述,并探讨了今后重点研究的几个方面:①如何应用可持续理念指导水资源开发与调度;②水利工程建设对河流水沙变化影响的量化研究;③失衡生态系统的自适应和自恢复机理研究;④水体富营养化最小临界流速研究;⑤如何通过水库联合调度,解决河流水电开发造成的环境胁迫问题的研究。     

龙羊峡、刘家峡水库运用对黄河上游水沙关系的调控机制

依据龙羊峡、刘家峡水库进出库水沙定位观测资料,根据河流动力学原理,分析了水库运用对径流泥沙过程的调节作用及其影响,揭示了水库对其下游河道水沙关系的调控机制。结果表明:①大型水库运用对进、出库径流泥沙的调节作用与水库的运用方式有关,多年调节的龙羊峡水库对径流为线性调控,对泥沙为非线性调控,而不完全年调节的刘家峡水库对径流、泥沙均为线性调控;②水库运用对其下游河道水沙关系具有很强的干扰作用,主要是打破了天然条件下河道通过长期自动调整所形成的输沙规律,改变了挟沙水流的本构关系;③大型水库运用对水沙关系动力学机制的影响主要归因于重新调整了挟沙水流的平衡条件,使洪水传播过程中切应力降低,临界弗劳德数增大,改变了相对平衡输沙状态,挟沙水流则需通过淤积增大比降,满足临界弗劳德数状态下的水流切应力要求,重新实现挟沙水流的平稳状态,从而致使水沙关系发生相应变化。     

感潮河网水环境容量影响因素研究

研究了感潮河网的水环境容量。研究表明影响感潮河网水环境容量的主要因素为:潮汐作用、调蓄库容、水利工程的调控运行、污染物的降解系数和边界引水水质。基于感潮河网水质模型,完善了其水环境容量的计算方法。以上海市浦南东片河网为例,分析了感潮河网水环境容量在上述因素影响下的时空变化规律,并提出了相应条件下的污染物日允许排放量     

重金属随泥沙迁移过程的数学模型

为更加准确地模拟重金属随泥沙迁移的过程,避免传统模型在描述重金属的吸附解吸时只能片面地考虑简单物理过程的不足,在水沙输移模拟的基础上,同时考虑了重金属随泥沙迁移的物理和化学过程,建立了完整的水动力-泥沙-重金属迁移数学模型。模型利用泥沙颗粒表面复杂形貌与电荷的关系来修正表面络合模型并以此分析了水体中的重金属与泥沙颗粒表面基团间的化学成键作用,同时根据化学反应的不同条件,并结合床面冲淤,将床面泥沙分为有氧层和无氧层分别考虑重金属的沉积与再释放。模型模拟了水槽试验中重金属Ni随泥沙迁移的情况,计算结果与实测数据的对比表明了建立的模型可以合理地反映重金属随泥沙的迁移过程。     

重金属随泥沙迁移过程的数学模型

为更加准确地模拟重金属随泥沙迁移的过程,避免传统模型在描述重金属的吸附解吸时只能片面地考虑简单物理过程的不足,在水沙输移模拟的基础上,同时考虑了重金属随泥沙迁移的物理和化学过程,建立了完整的水动力-泥沙-重金属迁移数学模型。模型利用泥沙颗粒表面复杂形貌与电荷的关系来修正表面络合模型并以此分析了水体中的重金属与泥沙颗粒表面基团间的化学成键作用,同时根据化学反应的不同条件,并结合床面冲淤,将床面泥沙分为有氧层和无氧层分别考虑重金属的沉积与再释放。模型模拟了水槽试验中重金属Ni随泥沙迁移的情况,计算结果与实测数据的对比表明了建立的模型可以合理地反映重金属随泥沙的迁移过程。     

Research Advance of Changing Biogenic Substance Cycling in River Systems by Damming*

River damming transforms allotropic natural rivers into autotrophic 'impound river' (referred to "reservoir"), which changes the processes of river biogenic substance cycle and the matter properties as well as export flux from land to ocean, thus becoming one of the key problems of element biogeochemical cycle. Due to the different behavior of biogenic substances (C, N, P, Si) in biological processes, biogenic substances cycle efficiency is different, in turns, Silicon (Si)>Organic Carbon (OC)>Phosphorus (P). The migration and transformation processes of C and Si are significantly affected by phytoplankton and water retention time. Nitrogen (N) and P are mainly affected by water pH, temperature, Dissolved Oxygen (DO) and retention time. The retention efficiency of biogenic substances is shown as N>C>P>Si at the global scale. Besides, the sedimentation and burial processes of reservoirs constitute the net sink of OC in rivers. River damming alters the stoichiometric characteristics of water elements, nutrient constraints, aquatic communities composition and the coupling effect of C/N/P/Si. The stable isotopic compositions of C, N and Si can effectively trace the source, migration and transformation of biogenic matter. A combination of elements stoichiometric characteristics and stable isotopic composition could effectively indicate the change of source materials in reservoirs. With the increasing demand for clean energy, the intensity of river damming and reservoir construction will increase. Thus, a series of scientific problems including changing law of biogenic substance migration and transformation dynamic, as well as accumulation effect of ecological environment in watershed systems by river cascade damming, should need to be concerned in the biogeochemistry cycle study.     

高含沙河流的低温输沙效应——以黄河上游巴彦高勒站为例

黄河是世界上含沙量最高的河流,其上游沙漠宽谷河段的冲沙输沙效应受来水来沙和地形条件变化等影响。为研究高含沙河流在低温条件下的输沙效应,通过引入水温因子,建立了黄河上游沙漠宽谷河段巴彦高勒站的输沙率模型。基于First Optimization平台的通用全局优化算法率定参数,验证了输沙率模型,量化了高含沙河流的低温输沙效应。结果表明:① 水温越低(1~7 ℃),河道输沙率越大,表明水温对河道输沙率的影响主要表现在低水温时期;② 任意一种工况下,水温1 ℃时河道输沙率约为25 ℃时的2.5倍;③ 低水温(5 ℃)较常温(16.6 ℃)下的河道输沙率提高了40.7%,在黄河上游开河低温期进行大流量冲沙输沙是水沙调控的最佳时机。研究成果以期为黄河上游沙漠宽谷河段低水温高效冲沙输沙和其他寒区高含沙河流的治理提供技术支撑。     

高含沙河流的低温输沙效应——以黄河上游巴彦高勒站为例

黄河是世界上含沙量最高的河流,其上游沙漠宽谷河段的冲沙输沙效应受来水来沙和地形条件变化等影响。为研究高含沙河流在低温条件下的输沙效应,通过引入水温因子,建立了黄河上游沙漠宽谷河段巴彦高勒站的输沙率模型。基于First Optimization平台的通用全局优化算法率定参数,验证了输沙率模型,量化了高含沙河流的低温输沙效应。结果表明:①水温越低(1~7℃),河道输沙率越大,表明水温对河道输沙率的影响主要表现在低水温时期;②任意一种工况下,水温1℃时河道输沙率约为25℃时的2.5倍;③低水温(5℃)较常温(16.6℃)下的河道输沙率提高了40.7%,在黄河上游开河低温期进行大流量冲沙输沙是水沙调控的最佳时机。研究成果以期为黄河上游沙漠宽谷河段低水温高效冲沙输沙和其他寒区高含沙河流的治理提供技术支撑。     

水沙动态图法分析中国主要江河水沙变化

利用《中国河流泥沙公报》数据,采用水沙动态图方法并按平衡水沙比相对应,分析中国主要河流2006年前实测水沙的变化。根据河流下游站历年水沙变化趋势,将中国主要河流大致分为4类:水量不变沙量降低、水量和沙量均降低、水量和沙量同步略降低、几近断流断沙。按地域看,中国淮河及其以南大多数河流年径流量无明显改变,而年沙量呈明显下降趋势;淮河以北地区河流水沙量均呈明显下降趋势,特别是黄河年径流量的近10年平均值仅为多年平均值的1/3,输沙量10年平均值仅为多年平均值的1/4,而海河水系的河流下游几乎是断流断沙。总体上,中国大多数河流的沙量明显下降。大多数河流入海水沙量的明显降低主要是人类活动造成的,淮河及其以南河流沙量的降低多与水库兴建、河道采砂和水土保持工程等有关;北方河流水沙量的降低主要是引水量的大幅增加、水库建设及其运行方式的改变以及水土保持工程的发挥效益等造成的。分析也表明,利用水沙动态图法分析河流的水沙长期变化具有一定的优越性。     

河流潜流带地表-地下水过程对典型水生生物活动的响应研究进展

河流潜流带是地表-地下水连通和交换的主要区域,地表-地下水过程不仅促进了生源物质的迁移转化过程,还能涵养水源、稳定区域生境,为水生生物提供良好的栖息环境。因此掌握水生生物活动与地表-地下水交换关系是深刻认知和科学保护水生生态系统的关键。本文综述了前人有关水生生物活动反馈于地表-地下水交换过程的研究,例如,底栖微生物形成的生物膜可以吸收或滞留生源物质,改变迁移的时间和路径;水生动物的行为可能通过改变河床渗透系数和孔隙率等物理参数影响各类物质的地表-地下水交换通量;水生植物对水流的阻滞和扰动也会作用于地表-地下水交换过程。基于目前研究,本文提出了该领域的3个未来研究方向：潜流交换和水生生物互馈理论,水生生态功能与地表-地下水相互作用关系,河流潜流带生物-地球-化学耦合过程。     

水沙变异条件下的河流系统调整及其研究进展

保持河流各方面整体协调是流域开发研究的重点和必然趋势,研究水沙变异条件下河流系统的调整机理,对于河流健康的保障具有重要意义.总结分析了水沙变异与河流系统的作用特性,明确了河流系统中水文、水力、地貌、生态等方面的各种调整实际上是与系统输入特性的特定变化相联系的;回顾了对河流系统及其功能的认识过程与研究现状,展望了将来的研究趋势.     

黄河中下游水库群-河道水沙联合动态调控

为优化黄河中下游水库群运行方式,充分发挥水库群-河道联合调控水沙的优势和潜力,以黄河中下游水库群和河道为研究对象,研究水库群-河道水沙联合动态调控方法,构建水库群-河道水沙联合动态调控互馈指标、互馈模式、调控原则和调控方式,研发水库群-河道水沙联合动态调控模拟模型,分析黄河中下游现状工程调控效果。结果表明,未来黄河来沙量8亿~3亿t情景下,水库群-河道水沙联合动态调控方法综合兼顾水库和河道减淤,可延长水库拦沙年限4~9 a,在较长时期内改善进入下游的水沙关系协调度,下游河道总淤积量较少,河槽最小平滩流量增大200~250 m3/s。     

甘肃省主要河流水环境质量分析评价

分析了甘肃省主要河流的泥沙分布情况,水土流失地区主要分布在黄河流域.对地表水、地下水环境质量和主要河流水资源质量进行了评价,甘肃境内长江流域河流水质较好,内陆河流域次之,黄河流域河流矿化度和总硬度均最高.甘肃省水污染重点河段主要分布在重点工业区、人口密集城镇和造纸等高污染行业区,水资源保护的任务十分繁重.通过水环境质量分析评价,为河流水环境保护及流域生态环境保护提供科学的决策依据.     

Geochemical cycles of elements and human perturbation

The pollution inputs of various elements are omnipresent in aerosols, snows, rivers and the ocean of the northern hemisphere. The mid-ocean ridges are not important sinks or sources for most of the elements. The settling of fecal pellets is the predominant transport mechanism of most elements (except Mn, Co and Ni) from the surface to deep oceans. Dissolved Mn, Co and Ni are directly incorporated into pelagic clays at the sediment water interface.