静水生长的淡水湖冰微结构的季节变化及其受生长过程的影响

冰物理微结构特征控制着冰层基本物理性质。基于多年冬季对东北平原区水库和湖泊冰层生消过程、气象条件,以及冰层晶体、冰内气泡和密度特征的现场观测,分析了淡水湖冰微结构的季节演化和年变化规律及其影响因素。湖冰晶体结构、气泡含量与分布、冰密度具有明显的分层结构,且在冰厚增长期和稳定期内基本维持不变;进入融化期,冰内微结构变化迅速,表现为晶体边界融化、气泡体积扩展和融水迁移。不同年份、不同湖泊冰晶体类型和气泡形态类似,但各类晶体层厚度比例、气泡含量与尺寸存在差异。统计分析显示,晶体和气泡结构与湖冰生长速率关系密切,晶体粒径与生长速率呈正比,水内气体的产生和溶解过程、水体扰动程度的差异影响着气泡含量同生长速率之间的关系。     

湖泊沉积物-水界面营养元素的生物地球化学作用和环境效应 Ⅰ.界面氮循环及其环境效应

发生在沉积物-水界面的剧烈生物地球化学作用对沉积物和上覆水体具重要的环境效应，然而此方面研究很少。本文通过云贵高原四个湖泊湖水和孔隙水NH和NO剖面，沉积物柱芯不同结合态氮含量剖面分布，界面扩散通量，影响氮循环的因素及它们季节性变化规律等的对比研究，初步揭示了湖泊沉积物一水界面的氮循环及其环境效应。     

沱江流域沉积物中氮赋存状态及其垂向分布特征

2004年2月发生在沱江的特大水污染事故给沱江流域的生态环境造成了严重的危害,近年来受工农业和沿岸居民生活的影响,沱江的生态环境依然遭受着一定程度的污染,但对沱江流域氮的地球化学研究甚少。沉积物是水环境中污染元素的重要蓄积库或释放源,为揭示沉积物中氮赋存状态迁移转化特征,并评估该地区生态环境修复状况,本文参照Mackin应用的沉积物中吸附态氨氮提取方法和Smart建立的沉积物中总氮提取方法,采用分光光度法针对沱江流域金堂地区冬季沉积物,开展了河流沉积物中总氮(TN)、可交换态氨氮(AN)、有机氮(ON)赋存状态分析,并对比了十年前后该地沉积物中氮赋存状态的变化情况。实验结果表明:TN含量为518.913~4386.899 mg/kg,ON含量为101.531~3793.683 mg/kg。在-3 cm以上,TN和ON含量较高,且ON是TN的主要组成部分;随着深度增加,两者含量迅速减少,AN含量略有降低。与十年前该地区沉积物中氮的相关数据对比,TN含量增加,其中AN含量增加明显;在-3 cm以上,ON、TN在表层沉积物中增加明显。研究认为:沱江流域沉积物中的氮已经作为内源氮释放至间隙水甚至上覆水中,同时存在外源污染,致使沉积物表层有机氮以及总氮含量升高明显。     

东南极内陆格罗夫山地区冰厚及冰下地形特征

中国第30次南极科学考察队格罗夫山分队(CHINARE30, 2013-2014年)利用雪地车载深层探冰雷达在东南极格罗夫山地区开展了测线总长度超过200 km大范围、高分辨率的冰厚及冰下地形调查, 获得了哈丁山北部和萨哈罗夫岭与阵风悬崖之间详细的冰厚及冰下地形特征. 通过对雷达数据分析表明, 哈丁山北部区域平均冰厚为580 m, 最大冰厚超过1 000 m, 出现在该区域的东北方向, 而东南方向冰厚相对较小; 萨哈罗夫岭与阵风悬崖之间区域的平均冰厚为610 m, 最大冰厚超过1 100 m, 该区域槽谷发育十分成熟, 槽谷形态近似呈U型. 通过对雷达剖面影像的筛选和分析, 推测在格罗夫山地区可能存在2个液态冰下湖泊.     

冰层厚度传感器及其检测方法

水结冰和冰融化过程中的电阻、电容、温度物理参数与被检测冰表面以上的空气层或冰下水层的电阻、电容、温度有一定的差异,有些差异在数值上比较明显。基于这一特点,笔者提出了利用空气、冰与水的物理特性差异实现对冰层厚度及冰下水位接触式检测的新思路,对含有导电杂质的冰、冰-水混合物、水、空气的电阻、电容特性随温度的变化规律进行了初步分析,并得到冰的弱导电性质和冰与水的电容区间单调特性,据此提出了冰层厚度传感器结构及其冰厚检测原理,介绍了新型冰层厚度传感器在实践中的应用。     

达里诺尔湖水体稳定氢、氧同位素组成变化对结冰过程的响应

利用自然界中广泛分布的环境同位素进行湖泊水体演化过程分析已经成为现代湖泊科学的重要研究方向.通过采集内蒙古达里诺尔湖(简称"达里湖") 2013年1月份的湖冰、湖水, 2012年夏季湖水与湖区大气降水等, 共分析了77个样品中稳定氢(H)、氧(O)同位素值的变化情况, 在此基础上对达里湖水体稳定H、O同位素组成变化及其对结冰过程的响应进行了详细分析, 结果显示: (1)伴随结冰过程的完成, 各站点深层冰体(厚度~65 cm)中δD、δ18O值比表层冰体(厚度~15 cm)中的值出现不同幅度的偏重.而冰下水体中δD、δ18O平均值则比冰体中的平均值分别偏轻约13.85‰、2.23‰.在冰层形成的快速与稳定阶段, δD、δ18O值的变化幅度也存在差异.同时, 冬季外源水体的输入对各站点间同位素值差异的影响比夏季更明显; (2)夏季湖水、冬季湖水与湖冰的同位素值均落在全球大气降水线与湖区大气降水线之外, 显示湖泊冰封之前, 蒸发对湖泊水体同位素偏移存在一定程度的影响; 而冬季湖水与湖冰的同位素值基本位于同一斜率区间, 且全部落在夏季湖水同位素值的右侧, 显示两者之间并不存在明显的蒸发分馏作用, 造成上述现象的因素只能归结于结冰过程.      

湖泊沉积物—水界面营养元素的生物地球化学作用和环境效应：I.界面…

发生在沉积物－水界面的剧烈生物地球化学作用对沉积物和上覆水体具重要的环境效应，然而此方面研究很少，本文通过云贵高原四个湖泊湖水和孔隙水ＮＨ４和ＮＯ３剖面，沉积物柱芯不同结合态氮含量剖面分布，界面扩散通量，影响氮循环的因素及它们季节性变化规律等的对比研究，初步揭示了湖泊沉积物－水界面的氮循环及其环境效应。     

沉积物中磷的赋存形态及磷形态顺序提取分析方法

阐述了当前我国水体富营养化的现状,水体的富营养化与水体中磷、氮的浓度以及二者的浓度比值有着密切的关系。水体富营养化时氮和磷的浓度均很高,但没有一个固定的值,是在一个较宽泛的富营养范围内,氮和磷的浓度比值大多在10∶1～20∶1。湖泊沉积物作为湖泊水体中磷的重要蓄积库,是湖泊流域磷循环的重要归属,也是湖泊水体内源性磷的主要来源,沉积物中极少量的稳定磷转化为活性磷就会造成湖泊水体富营养化。文中介绍了沉积物中无机磷形态的分类,评述了欧盟标准局在研制湖泊沉积物磷形态标准物质时比对采用的4种提取方法(Willimas法、Hieltjes-Lijklema法、Ruttenberg法、Golterman法),总结了国内外学者所应用的沉积物中磷的各种形态提取方法和磷各形态的分析测定方法,国内学者应用的方法是在国外学者方法的基础上提出的,阐述了顺序提取方法及其地球化学意义。简要评述了湖泊沉积物中磷的生物释放、物理释放和化学释放三种释放机制,这三种释放机制相辅相成,在一特定的环境条件下某一过程可能占主导地位来控制沉积物磷的释放。最后提出应该加强对沉积物中磷的各种形态的专属提取剂及其提取有效性的分子表征和检测,更加细化对于沉积物中磷形态的分类和创新各种磷形态的分析方法,建立沉积物-水体磷的迁移、循环和转化模型,这对于从根本上解决富营养化问题具有重要意义。     

短期水文气象资料估算哈尔滨至同江冰厚度

为估算松花江干流哈尔滨至同江段相距660 km的河冰厚度分布,用松花江干流短期实测水文和气象资料,在静态水域斯蒂芬冰厚计算公式基础上,引入水流流速的动能效应。假设河流内水流量相等,建立流速同河流宽度的简单关系,估算了一些调查断面的冰下平均流速;用地表温度资料,对干流域内缺少气象资料的调查断面,在证明结冰期间属于同一天气系统的前提下,用距离平方反比法进行空间插值。最后获得松花江干流河冰厚度统计关系式。用计算的哈尔滨至同江河冰厚度与有限的实测数据比较,发现该方法能够体现人为调节流速对冰生长速率的影响,对计算长距离河冰厚度具有一定精度。     

渤海海冰和海洋的动力相互作用模拟试验

利用冰-海洋动力耦合模式, 对渤海海冰和海洋之间的相互作用进行了研究和模拟试验.耦合模式中的海洋模式采用普林斯顿海洋模式(POM), 冰模式采用国家海洋局海洋环境预报中心(NMEFC)的渤海海冰业务化数值预报模式.通过模拟研究, 分析了M2分潮对海冰质点运动轨迹、冰外缘线位置、瞬时冰速和冰厚分布的影响; 同时探讨了海冰对冰下海洋的动力作用.     

黄河下游凌情特征及变化

黄河下游冰情的基本特点和规律是:冬季有的年份封冻,有的年份不封冻;下游下段河道流凌封冻日期早,融冰、开河日期晚,封冻历时长,冰盖厚冰质坚;上段河道流凌封冻日期晚,融冰、开河日期早,封冻历时短,冰盖薄冰质酥。冰凌洪水特点是流量小,水位高且上涨快;凌峰流量自上而下沿程逐渐增大。近20年来,由于黄河下游河道水量大幅度减少,甚至发生连年断流,冬季气温持续偏高,加上水库调度等因素的共同影响,引起了凌情的相应变化。这些变化主要表现为:封开河日期提前,封河长度缩短、封冻冰量和槽蓄水量减少,冰塞冰坝发生次数减少,不封冻年频率增加等。     

基于NPP-VIIRS数据的喜马拉雅山北坡典型湖泊湖冰提取分析

现阶段使用遥感数据监测湖冰物候特征已成为主要的技术手段。NPP-VIIRS是一个较新的卫星数据,它具有空间分辨率较高、波段数多、重访周期短等优点,使用该数据提取湖冰信息是对该领域的一个有益补充。基于NPP-VIIRS数据利用阈值法对拉昂错、玛旁雍错、佩枯错、普莫雍错等典型湖泊进行湖冰提取。获得四个湖泊逐日的冻结百分比,并分析了四个湖泊的冻融特征。结果表明：使用NPP-VIIRS能较好的提取湖冰信息;该地区湖泊冻融过程有风向蔓延和水流向加风向蔓延两种。气温（年负积温）是影响该地区湖冰面积最主要的因素,冻融过程主要受到风向、注入径流影响,地热资源也是影响因素之一。     

饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。     

黄河宁蒙河段凌情特性研究

统计分析了黄河宁蒙河段1950-2004年流凌、封河、开河日期特征值,并对河道最大槽蓄水增量作了初步分析。研究表明宁蒙河段开河时一般从上游向下游解冻,河槽蓄水量沿程不断释放并加入,使开河时凌峰流量沿程增大;凌情的发生、发展及消失演变的过程,主要取决于河道形态(地理位置、走向及边界特征)、水文条件和气象条件以及人类活动等因素;水库的运用对凌情的演变有重要影响。     

Diamictic sediments within high Arctic lake sediment cores: evidence for lake ice rafting along the lateral glacial margin

Sediment cores from six small lake basins in the Canadian high Arctic reveal a gravel‐rich (≤30% by weight) to gravel‐poor (≥2%) diamict facies underlying massive, post‐glacial, clayey silt. Ten other lakes contain a second diamict facies within what are interpreted to be glaciolacustrine sedimentary assemblages. The sedimentology, clast fabrics and fossil remains (diatoms, ostracodes and chironomid head capsules) within both diamict facies suggest that these deposits are not tills. Clast fabrics yielded low S₁ (0·41–0·57) and high S₃ (0·09–0·22) eigenvalues, placing them within the range of ice‐rafted diamictons and glacigenic sediment flows. The high percentage of clast dip angles >45° (15–61%), random clast azimuth and lower diamict contacts conformable to underlying current‐bedded sediment favours an origin as a rain‐out or settling deposit. Samples of the matrix and scrapings of clasts from the diamicts revealed a diatom assemblage dominated by littoral and planktonic forms, such as are found in the littoral regions of the lakes today. This contrasts sharply with the assemblages within the overlying clayey silt, in which benthic forms predominate. Clasts are thus interpreted to have been rafted from the littoral areas of the lake. The process proposed to explain this is rafting by the lake ice cover in a glacial‐marginal environment. Early season meltwater, impounded along the lateral margin of retreating cold‐based glaciers, would buoyantly lift the lake ice cover and any adfrozen lake sediment. Higher lake levels and increased areal extent of seasonal freeze‐on between the lake ice cover and the lake bed would allow the redeposition of littoral sediments to the benthic regions through greater lateral shifting of the ice cover as it broke up. Incision by meltwater streams into the lateral glacial margins would later isolate the lake, allowing seasonal warming of lake water, enough to support the growth and maturation of the ostracode and chironomid species found as fossils within the diamicts.     

黄河干流头道拐河段凌汛期小流量过程变化及其影响因素研究

黄河干流内蒙古段河道冬季流凌封河期, 河道水量除一部分转化为冰量外, 很大一部分转化为槽蓄水量而贮存在河道中, 导致下游头道拐河段出现小流量过程, 上游河道流量转化为槽蓄水量和贮存的冰量越大, 小流量持续时间越长, 开河期发生凌汛洪水风险越高。通过对1998 - 2016年头道拐站凌讯期流量变化过程分析, 重新界定了小流量上限阈值为330 m³·s^-1, 并且以此值为标准进行小流量过程研究, 分别采用R/S极差分析法、 Fourier变换分析法对近年来小流量过程变化特征进行分析; 结合非线性概率Logit模型和Probit模型对小流量过程的影响因素进行讨论。结果表明： 小流量持续天数变化呈现缩短趋势; 同时, 小流量过程与上游相对来水之间变化关系显著且过程同步, 而滞后于河道槽蓄水量变化过程; 通过Logit模型和Probit模型分析各影响因素变化时相应小流量持续时间变化的响应概率大小, 明确河道冰流量是小流量过程第一影响因素, 气温条件是小流量过程的决定因素, 首封位置和相对来水量是小流量过程重要影响因素。     

北方浅水湖泊冬季结冰对风生流的影响

为了研究北方浅水湖泊冬季结冰对风生流的影响,采用MIKE21构建山东省聊城市东昌湖水动力学模型,分析真实风场作用下6种风应力拖曳系数对应的模拟流速与实测数据的差异,进一步讨论了冰盖面积对模拟结果产生的影响。结果表明,风应力拖曳系数为随风速连续变化比设置为常数模拟精度提高20%左右,其中采用微风条件下的风应力拖曳系数表达式模拟效果最好。此外,冬季水体结冰对风生流数值模拟影响较大,尤其是在被冰盖所覆盖的水域,风应力对水体流动的作用减弱甚至被抵消。与传统的风生流模拟相比,在北方浅水湖泊冬季风生流模拟中,引入冰场或是对风应力拖曳系数进行相应调整是有必要的。     

静冰力学模型试验的相似比尺问题探讨

分析冰盖形成的热力学模型, 推导出室内模型试验的相似比尺. 模拟野外降温过程, 在低温实验室内进行静冰压力模型试验, 研究实验室模拟静冰压力产生过程的可行性. 结果表明: 实验室模拟最大冰厚39.8 cm, 试验历时387.4 h, 冰的冻结过程符合天然规律; 实验室目前难以模拟融化过程中天然状态的太阳辐射, 有待进一步改进降温制度. 模拟试验的冰压力最大值出现在升温阶段, 与温升率相关, 温升率越大, 静冰压力值越大; 当环境温度升至0 ℃左右时, 静冰压力达到最大值, 随后迅速消散, 符合水库冰过程观测结果.