水位波动下的呼伦湖上覆水体与沉积物间隙水之间溶质的运移特征

为了探求内蒙古呼伦湖上覆水体和沉积物间隙水之间溶质运移机制,对呼伦湖的1个沉积物柱芯的间隙水、3个湖泊水体以及湖周边7个地下水体中的氯离子(Cl~-),氢、氧稳定同位素(δD和δ~(18)O)分别进行分析测试,并利用其示踪性对沉积物中溶质运移特征进行研究.结果显示,δD、δ~(18)O和Cl~-浓度在不同水体中的分布具有相似的分布规律,整体上从底部沉积物到上部湖水浓度分布呈现逐渐递减的抛物线趋势,在间隙水中最大值位于所取沉积物柱芯的最深处,Cl~-浓度为306 mg/L,δD和δ~(18)O分别为-58‰和-5.9‰;最小值位于沉积物柱芯上层,并与上覆水体中的值相似,Cl~-浓度为159 mg/L,δD和δ~(18)O分别为-66‰和-7.3‰.为了明确沉积物柱芯中间隙水的高浓度Cl~-和偏正δD、δ~(18)O的来源,比较不同水体的δ~(18)O-δD关系点分布,表明含有偏正值的δD、δ~(18)O和高浓度Cl~-的间隙水与上覆湖水关系密切,可能是由于低水位时期湖水与间隙水相互发生扩散作用而产生的结果.一维对流扩散迁移模型证实扩散作用是控制着沉积物间隙水中溶质浓度在垂向上分布的主要机制,同时湖水水位的变化会影响沉积物间隙水与上覆水体的扩散过程,特别是在水位上升期,富集在沉积物中的溶质可能成为湖水的重要物质来源,影响上覆水体的水质.因此,对于封闭湖泊水位的控制和管理不仅在维持湖泊水量方面有着直接的作用,同时在稳定湖泊水质条件上也有着重要的意义.     

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.     

冰封期乌梁素海沉积物-水界面氨氮的交换特征

为揭示冰封期氨氮（NH₄⁺-N）在沉积物-水界面的迁移机制及内源性营养盐对全湖污染的贡献,于2018年2月初在乌梁素海湖区7个采样点采集了上覆水体与沉积物样品,得到了冰封期上覆水体与沉积物间隙水中的NH₄⁺-N浓度,估算了沉积物-水界面NH₄⁺-N的扩散通量.结果显示,上覆水体中NH₄⁺-N浓度变化范围为0.55~1.60 mg/L,平均值为1.05 mg/L,0~5 cm表层沉积物间隙水中NH₄⁺-N浓度是上覆水体中的10倍以上,其变化范围为6.64~18.63 mg/L,平均值为11.92 mg/L.估算沉积物间隙水NH₄⁺-N向上覆水体的扩散通量为1.282~4.269 mg/（m²·d）,表明在湖水冻结过程中,底泥沉积物接纳了大量的可溶性污染物成为内源污染源,会在冰封稳定期、融冰期和融冰后的一段时间内成为湖水的主要污染源.     

模拟分析揭示三峡水库成库以来的气候效应：局地和近地层，而不是区域

针对以往三峡水库气候效应数值模拟研究中,水库参数化方案简约及模拟时段未涉及成库以来高水位运行阶段等不足,在中尺度气象模式中,通过扩宽水体面积和抬升水位高度的方式对三峡水库引起的陆面参数变化进行描述,进而采用敏感性数值试验及统计分析等手段,评估了三峡水库成库以来高温干旱(2013年)和低温洪涝(2020年)年景下,关键气象要素对水库运行的响应特征。结果表明:两种典型年景下水库运行均会造成近地层气温降低(0.98～1.27℃)、相对湿度增加(3.9%～5.5%)和风速增大(0.43～0.68m/s),同时响应强度的日变化导致近地层气温和相对湿度的日较差减小、平均风速的日较差增大;尽管上述变量的变化幅度与该地区气候的自然变率相当,但水库运行对气温和相对湿度的影响范围基本限制于水库周边约2 km,垂直方向则大多低于200 m,对风速的影响范围可扩展至水库周边约12 km,垂直方向延伸至200 m左右,且响应强度均随水平距离和垂直高度的增加而显著减小。尽管数值试验放大了三峡水库的气候效应,但作为典型的河道型水库,三峡水库成库以来的不同气候年景下,水库运行产生的气候效应基本限制在近地层、局地范围内...     

富营养化湖泊沉积物有机质矿化过程中碳、氮、磷的迁移特征

采用室内培养的方法,以富营养化湖泊太湖为例,研究了沉积物有机质矿化过程中碳、氮、磷的迁移特征.结果表明,在沉积物中的有机质矿化过程中,碳以溶解性无机碳释放至水中,同时以CH4和CO2形式释放至大气中,培养结束时,CH4和CO2累积排放含量分别为1492.21和498.96 mg/g(dw),其中CH4占气态碳的89.16%(以C质量计);此外,大量的氮、磷营养盐释放至上覆水体,水中总氮、总磷和铵态氮的最高浓度分别是初始浓度的62.16、28.16和139.45倍,而硝态氮浓度在整个培养过程中逐渐下降,培养末期浓度是初期的0.21倍;厌氧条件下,沉积物有机质的矿化,不仅可以生成大量的CH4、CO2气体,还能够促使沉积物中铵态氮和磷的释放;而沉积物有机质矿化释放的碳、氮、磷营养元素又能加剧湖泊富营养化程度,促进湖泊水体的初级生产力,从而增加湖泊沉积物有机质输入.这样的循环方式可能是湖泊富营养化自维持的重要机制之一.     

天津市北塘水库水质咸化原因和防治对策

为确定天津市北塘水库作为南水北调供水调节和事故备用水库的水质安全性,于2005年7-12月,监测分析水体、底泥和库周土壤中全盐量和Cl-浓度的变化,研究水源补给、底泥释放、降雨蒸发和地下水水位变动等因素对水库水质的影响.结果表明在目前蓄潮白新河水的条件下,北塘水库水中的Cl-浓度变化幅度为302-409 mg/L,超过饮用水水源地的水质标准(GB3838-2002).库区0-100 cm底泥全盐量平均值为0.253%,Cl-含量为0.048%,分别是库周土壤的1/8和1/18.3.因此,蓄水造成水库底泥盐分的大量释放.经计算,Cl-的平均释放强度为1.3g/(m2·d).南水北调通水后,若水库保持在5.60m以上的运行水位,底泥释放虽造成Cl-浓度上升,但水质能达到供水水源地的标准.水库周边地下水的矿化度为59.63g/L,Cl-浓度为26.17 g/L,远高于水库水体的含盐量,但只要在5.60m以上水位运行,水库就不会受到高矿化度地下水的补给影响.因此,在合理调度的基础上,北塘水库作为天津市南水北调供水调节和事故备用水库是安全的.     

基于走航高频监测的水库冬季水体溶解甲烷浓度分布:以湖北西北口水库为例

水库是大气甲烷(CH4)的重要来源之一,但目前对水库(尤其是河道型水库)中溶解CH_4浓度及释放潜力的空间异质性的认识仍不足.为揭示河道型水库冬季溶解CH_4浓度的分布规律,于2020年1月在湖北宜昌黄柏河流域内西北口水库采用自主研发的新型快速水—气平衡装置(FaRAGE)连接便携式温室气体分析仪,开展了水体溶解CH4浓度的连续走航式监测及断面垂向监测.根据溶解CH4从库尾至库首的浓度变化可以将水库分为3段:距回水末端1 km内为快速降低段,溶解CH4浓度范围为0.117～0.233 μmol/L;1～6 km内为缓慢降低段,CH4浓度范围为0.055～0.117 μmol/L;6～13km范围内为浓度平稳段,CH4浓度范围为0.039～0.080 μmd/L.整体上,水库表层水体溶解CH_4浓度与表层水温、水深及距回水末端的距离呈显著负相关关系(r=-0.77、-0.89、-0.81;P0.01),与叶绿素a浓度、溶解氧浓度呈显著正相关性(r=0.95、0.97;P0.01).基于当月平均风速,采用薄边界层法估算了上述3段区域的DH_4扩散通量,分别为(0.023±0.004)、(0.012±0.003)、(0.007±0.001) mg/(m~2·h).西北口水库在冬季表现为向大气释放CH_4的"源",且由于溶解CH_4浓度分布不均而表现出较强的空间差异性.     

福建山仔水库不同季节表层沉积物内源磷负荷分析

对山仔水库沉积物各形态磷的季节性特征以及夏、冬季磷释放速率进行研究.结果表明,该水库表层沉积物含有较丰富的磷,4个季节各采样点表层沉积物总磷含量范围为(521.23±7.60)~(1255.54±11.03)μg/g,夏季各采样断面中总磷含量及各形态磷含量均高于其他季节.表层沉积物磷以无机磷为主,且主要赋存形态为铁/铝结合态磷.活性较大的铁/铝结合态磷和有机磷占总磷量的77%~90%.柱状样模拟实验结果表明:夏季溶解性磷释放平均速率范围在1.66~2.49 mg/(m2·d),冬季溶解性磷释放平均速率范围为0.69~1.29 mg/(m2·d),夏季各采样点表层沉积物磷释放速率约为冬季的2倍.由于水温分层,夏季沉积物释放的溶解性磷主要滞留在上覆层,但夏季暴雨天气可能导致水温分层破坏,沉积物释放的溶解性磷对水体将产生重要影响;冬季由于水温分层破坏导致上、下水层混合,沉积物释放的溶解性磷被带到上层,对上覆水体水质的影响不容忽视.     

三峡澎溪河回水区流速对藻类原位生长速率的影响

为明晰不同流速水平对三峡支流回水区库湾藻类原位生长的影响,本文采用可调速的环形实验槽,选择三峡水库不同运行状态(低水位、高水位),对三峡澎溪河高阳平湖库湾藻类生物量(用叶绿素a浓度表示)变化特征进行原位受控实验.通过流速在0(对照)、0.1、0.2和0.3 m/s的实验发现,夏季低水位阶段澎溪河水域光热充足,但流速升高(0.2m/s)对藻类原位比生长速率具有一定影响.大体上,高阳平湖水域藻类原位比生长速率与流速水平呈对数关系.冬季高水位运行期间,流速的升高将可能在一定程度上促进水柱扰动,成为维持藻类在上层水体受光生长、避免下沉的主要因素.该时期,采用调节流速、流量的方法抑制藻类生长的难度相对较大.     

我国南方地区桉树叶浸泡对水库沉积物致黑元素分布及迁移转化的影响

我国南方地区桉树种植区周边水库冬季水体泛黑现象频发,桉树砍伐残体(尤其是叶)浸出液中富含的溶解性有机碳(DOC)、单宁酸与铁、锰、硫化物等一系列反应是其主要致黑原因,然而目前致黑物质对水库泛黑的贡献程度和途径仍不清楚.为了模拟桉树叶浸泡对水库黑水形成的影响机制,研究选取夏季水体未泛黑期(水体热分层稳定)进行室内浸泡实验,测定每6 h上覆水体溶解氧(DO)、氧化还原电位(Eh)、透光度等理化指标,分析DGT有效态铁、锰、硫和DOC、单宁酸浓度分布规律及迁移转化特征,计算沉积物-水界面处Fe²⁺、Mn²⁺、S^2-表观扩散通量.结果表明:桉树叶浸泡明显消耗水体中的DO,且显著影响水体Eh与透光度.此外,透光度与DO浓度呈显著正相关(相关系数为0.618~0.978).桉树叶浸泡释放大量DOC和单宁酸,其中单宁酸浓度远超有氧马尾松组,其上覆水中浓度分别达到23.9、26.0和34.0 mg/L,说明桉树浸泡为黑水形成提供了重要的DOC和单宁酸来源.桉树叶浸泡后上覆水和表层沉积物中DGT有效态Fe浓度均明显增加,深层沉积物间隙水中DGT有效态Fe浓度明显下降,且其表观扩散通量均为正值,说明深层沉积物中Fe向沉积物-水界面迁移,为黑水形成提供了重要的Fe来源.研究结果可为解决我国南方地区桉树人工林区水库水体突发性泛黑问题提供科学依据.     

三峡水库典型支流库湾沉积物CH4产生和氧化规律

以三峡水库香溪河库湾为研究对象,采用原位加密采样(2021年5月)和室内培养方法,结合沉积物特性与水环境因子分析,探讨了香溪河库湾沉积物甲烷(CH₄)释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生和氧化通量空间分布规律及其影响因素。结果表明:三峡水库泄水期间,香溪河库湾沉积物CH₄释放潜力的变化范围是6.35-2029.37 mg/(kg·d),沉积物-水界面CH₄产生通量和氧化通量的变化范围分别为0.04～0.73、0.03～0.62 mmol/(m²·d);空间上,沉积物CH₄释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生及氧化通量在香溪河库湾和各典型横切面(XX02、XX05和XX06)间表现出空间差异性,主要受水深、TOC和温度的影响。垂向上,CH₄产生速率随沉积物深度的增加而减小,表层20 cm沉积物CH₄释放潜力占整柱沉积物的70%,可以用于估算库湾沉积物CH₄释放潜力。此外,沉积...     

Unexpected sedimentation patterns upstream and downstream of the Three Gorges Reservoir: Future risks

This paper summarizes the latest developments, future prospects, and proposed countermeasures of reservoir sedimentation and channel scour downstream of the Three Gorges Reservoir (TGR) on the Yangtze River in China. Three key results have been found.(1) The incoming sediment load to the TGR has been significantly lower than expected.(2) The accumulated volume of sediment deposition in the TGR is smaller than expected because the overall sediment delivery ratio is relatively low, and the deposition in the near-dam area of the TGR is still developing.(3) River bed scour in the river reaches downstream of the Gezhouba Dam is still occurring and channel scour has extended to reaches as far downstream as the Hukou reach. Significantly, sedimentation of the TGR is less problematic than expected since the start of operation of the TGR on the one hand;on the other hand, the possible increases in sediment risks from dependence on upstream sediment control, deposition in the reservoir, and scour along middle Yangtze River should be paid more attention.(1) Sediment trapped by dams built along the upper Yangtze River and billion tons of loose materials on unstable slopes produced by the Wenchuan Earthquake could be new sediment sources for the upper Yangtze River. More seriously, possible release of this sediment into the upper Yangtze River due to new earthquakes or extreme climate events could overwhelm the river system, and produce catastrophic consequences.(2) Increasing sediment deposition in the TGR is harmful to the safety and efficiency of project operation and navigation.(3) The drastic scour along the middle Yangtze River has intensified the down-cutting of the riverbed and erosion of revetment, it has already led to increasing risk to flood control structures and ecological safety. It is suggested to continue the Field Observation Program, to initiate research programs and to focus on risks of sedimentation.     

福建省富营养化水库沉积物磷形态及对水体的贡献

采用 SMT 法结合 X 射线荧光和 X 射线衍射分析了福建省发生富营养化的山仔深水库表层沉积物的磷赋存形态 及对水体的贡献．分析结果表明，山仔水库表层沉积物总磷含量在400-750 mg/kg 之间，铁/铝结合态磷和有机磷是沉积 物磷的主要赋存形态，分别占总磷含量的47%和37%左右．沉积物水-土界面存在明显的活性磷梯度，在一定条件下活 性磷可以从沉积物间隙水扩散到上覆水体，从而一定程度上影响山仔水库水体的营养水平．     

福建省富营养化水库沉积物磷形态及对水体的贡献

2003年7月至2004年4月,每季度对武汉市南湖大型底栖动物进行定量和定性的采样分析,共发现大型底栖动 物30种;优势种为霍甫水丝蚓和刺铗长足摇蚊,均呈聚集分布;大型底栖动物的年均密度和生物量分别为4437 ind/m~2和 17．79 g/m~2,其密度和生物量春季最高,Shannon-Wiener 多样性指数和 Margalef 多样性指数的年均值分别为1．515和 1．123．比较分析了南湖大型底栖动物组成的历史变化,对水环境进行了生物学评价,并提出了南湖大型底栖动物合理利 用的建议．     

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.     

Characteristics of sedimentation and channel adjustment linked to the Three Gorges Reservoir

Construction of large dams is attractive because of their great benefits in flood control,hydropower generation,water resources utilization,navigation improvement,etc.However,dam construction may bring some negative impacts on sediment transport and channel dynamics adjustments.Due to the effects of recent water and soil conservation projects,sediment retention in the newly constructed large upstream reservoirs,and other factors,the sedimentation in the Three Gorges Reservoir(TGR)is quite different from the amount previously predicted in the demonstration stage.Consequently,based on the measured data,characteristics of sedimentation and the related channel deformation in the TGR were analyzed.The results imply that sediment transport tended to be reduced after the Three Gorges Project(TGP).Sedimentation slowed dramatically after 2013 and indicated obvious seasonal characteristics.Due to the rising water level in the TGR in the flood season,the yearly sediment export ratio(Eratio)was prone to decrease.The water level near the dam site should be reasonably regulated according to the flow discharge to improve the sediment delivery capacity and reduce sedimentation in the TGR,and to try to avoid situations where the flood retention time is close to 444 h.The depositional belt was discontinuous in the TGR and was mainly distributed in the broad reaches,and only slight erosion or deposition occurred in the gorge reaches.Sedimentation in the broad and gorge reaches accounted for 93.8% and 6.2% of the total sedimentation,respectively.The estuarine reach located in the fluctuating backwater area experienced alternate erosion-deposition,with a slight accumulative deposition in the curved reach.Sedimentation mainly occurred in the perennial backwater area.The insight gained in this study can be conducive to directly understanding of large reservoir sedimentation and mechanism of channel adjustment in the reservoir region in the main channel of large river.     

Annual Variations in the Moisture Content of Gray Silts in a Reservoir

Relations between annual variations in sediment moisture content in the channel section of the Mozhaisk Reservoir, on the one hand, and bottom temperature and reservoir water level, on the other hand, are discussed. Exchange adsorption, as well as compaction and decompaction of bottom sediments under the effect of reservoir water level fluctuations are considered as the main mechanisms forming the above relations.     

Effect of reservoir bottom on earthquake response of concrete dams

The absorption of hydrodynamic pressure waves at the reservoir bottom has dominant effects on the structural response of the dam when subjected to ground motion. In the present study, a model is proposed for the absorption effects of the reservoir bottom in the earthquake analysis of dams. The model utilizes the wave reflection coefficient approach and is based on the solution of the wave equation in a sediment layer of viscoelastic material with a constant thickness overlying an elastic, semi-infinite foundation. Numerical studies were conducted to evaluate the effect of the sediment layer thickness and material properties as well as the effect of reflection of waves from the underlying rock. It is shown that the current approach of assuming the wave reflection coefficient at the reservoir bottom based on the characteristics of the sediment material and excluding the effect of the reflected waves from the underlying rock, may significantly underestimate the seismic response of the dam.     

动、静水条件下苦草(Vallisneria natans L.)对沉积物磷释放的影响

在浅水湖泊中,沉降在沉积物中的营养盐易受到水流的扰动再释放出来,而沉水植物可以在一定程度减少营养盐的释放.借助自主开发的生态水槽,在40 d的实验周期内检测动、静水条件下有、无苦草(Vallisneria natans L.)时沉积物、上覆水中磷含量变化,旨在为沉水植物对湖泊沉积物营养盐释放量的影响估算及水环境质量评价提供科学依据.结果表明:动水条件下,沉积物在没有苦草的保护下总磷含量下降21.8%,而有苦草的保护下总磷含量下降17.7%.苦草根系从周围沉积物中吸收磷,1~4 cm沉积物层的吸收量高于4~8 cm沉积物层.动水槽的上覆水中总溶解态磷浓度和总颗粒态磷浓度均大量增加,并且总颗粒态磷浓度相对于总溶解态磷浓度占较大比例.苦草减少了沉积物中磷的释放,并对上覆水中正磷酸盐有明显的吸收作用.