浅水湖泊动力作用下水-土界面底泥起悬驱动力野外观测

动力扰动引起的水-土界面沉积物悬浮是浅水湖泊蓝藻水华控制的难点,本文基于声学高频流速仪、浊度仪、气象、波浪等观测仪器获取的高时空分辨时间序列参量,以太湖为例对动力扰动下的底泥起悬驱动力进行研究.结果表明风速小于3 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为59 mg/L,波流综合切应力小于0.015 N/m~2,底泥未起悬或在底床附近极小范围内发生起悬;风速在3~6 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为103 mg/L,波浪产生的底切应力大部分情况远大于湖流产生的切应力,波流综合切应力处于0.015~0.25 N/m~2范围内,底泥中等规模起悬;风速大于6 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为174 mg/L,波浪产生的底切应力占据绝对的主导地位,波流综合切应力大于0.25 N/m~2,底泥大规模起悬.梅梁湾底泥起悬的临界切应力在0.015 N/m~2左右,临界风速大约为3 m/s.     

太湖不同湖区底泥悬浮沉降规律研究及内源释放量估算

太湖是一个大型浅水湖泊,湖湾、沿岸及湖心等区域受地形影响,湖流结构及水土界面水力要素均有显著差异.针对目前对不同湖区底泥再悬浮规律差异性研究的缺失,本研究选取了3个具有代表性的点采集太湖底泥,采用矩形水槽开展底泥再悬浮模拟实验,并结合太湖二维水量水质模型及太湖全年实测数据,建立了不同湖区底泥再悬浮通量与风速之间的定量关系;通过室内静沉降实验,得到了静沉降通量与风速的相关关系;最后将底泥再悬浮实验结果参数化应用于太湖二维水量水质模型中,并对底泥悬浮沉降过程进行分解和概化,估算太湖全年内源释放量.结果表明:太湖每日的内源释放量受风速影响显著,和风速变化趋势较为接近,太湖全年进入水体的净底泥量有47.81×104t,夏季最大,冬季次之;就营养物质释放量而言,COD约为2.06×104t、总氮约为1149.05 t、总磷约为564.35 t,其中秋季营养物质释放量最小,夏季最大.     

太湖波浪数值模拟

在太湖实际波浪观测的基础上,采用率定验证后的第三代动谱平衡方程,考虑实际水底地形、波浪折射、浅化、反射、破碎、湖流等条件下,对太湖波浪进行数值模拟,研究太湖波浪的主要影响因素.结果表明:SWAN模型可以较好地模拟风作用下太湖风浪的生成和传播过程,模型在太湖应用是合适的;波高、波长、波周期等波浪参数在太湖的分布与风速、风向、水深等因素密切相关;在相同风向、不同风速情况下,太湖波浪发展至稳定状态的时间不一样;在不同风向,相同风速持续作用下,有效波高达到稳定的时间差不多,变化趋势也比较相同.说明波浪的发展不光取决于风速的大小,还同风的持续吹的时间和风区长度有关.     

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.     

太湖沉积物再悬浮模拟方法

由于风浪对浅水湖泊底泥的强烈扰动作用,底泥再悬浮的生态效应研究成为目前国际研究热点之一.但方法的缺乏极大地限制了有关底泥再悬浮环境效应的深入研究.本研究应用一种新的沉积物再悬浮装置,模拟了太湖南部长兜港水域不同风浪影响下悬浮物的垂向分布,获得水柱总悬浮物量(T)与扰动频率(n)的定量关系:T=19.77×exp(n/2.61)-71.7.结合现场实测风情下的水柱总悬浮物量,建立了室内水动力条件、水柱总悬浮物量和现场风情的定量关系.研究2004年10月至2005年10月太湖全年代表性小风、中风及大风与再悬浮装置的扰动频率对应关系,估算了小风、中风和大风常规风情引起的总悬浮物量分别为159、230、425 g/m2.结果表明,模拟获得的太湖悬浮物垂向分布规律与现场状况较为接近,是目前较为适用的浅水水体沉积物再悬浮模拟方法.     

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.     

太湖水体的总磷分布及湖流对其影响的数值研究

用数值模拟的方法研究了太湖水体中ＴＰ分布特征及湖流对其影响,推导,建立了包括平流,水平扩散,沉降和底泥释放的浅水湖泊中污染物浓度分布计算的二维迎风有限元数值模式,并在给定若干点源条件下计算各种稳态流场下太湖水体中的ＴＰ分布。     

ADP在太湖沉积物再悬浮分析中的应用

分析太湖的悬浮物浓度时,使用传统的过滤与称重的方法,难以在短时间内取得大量的数据,并且进行大范围调查时困难较多,特别是在计算悬浮物浓度随时间的变化率时,根据导数的定义其时间间隔应足够小,此时上述方法显然难以得出较为准确的结果．本文从声学后散射原理出发,通过对声学多普勒三维流速仪(ADP)所接收的回声强度在传播距离上的校正,得出了当悬浮物粒径组成较为稳定时,该强度能反映水体中悬浮物浓度(SSC)的结论,并基于2002年在太湖乌龟山的一次为期一周的湖流观测结果,分析了经校正后的回声强度与太湖中悬浮物浓度间的指数相关关系,通过实测资料对上述关系进行了验证,结果表明该经验公式适用于太湖,其回声强度的变化能反映水体中SSC的变化规律,为大范围调查水体中悬浮物浓度提供了更加快速而有效的方法．     

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.     

风场对藻类在太湖中迁移影响的动力学研究

在Ｗｅｂｓｔｅｒ等人工作的基础上,以三维湖流为背景,考虑了波浪及藻类自身浮力的影响,建立了一个太湖梅梁湾三维藻类迁多模型,以研究在不同几场作用下藻类在湖泊中的迁移过程。模拟结果表明,不同风场对于藻类在湖泊中的水平及垂直分布影响很大,并且存在着一临界风速,其范围在２－３ｍ／ｓ之间,当几速小于临床风速时,水面可以拟看作水动力学光滑,没有波浪产生,在水表面藻类顺着风向迅速的向迎风岸的边漂移,形成藻类大量     

基于高频次GOCI数据的太湖悬浮物浓度短期动态和驱动力分析

总悬浮物是水体中重要的光学敏感物质之一,很大程度上决定了水柱中光的吸收、散射和衰减,同时吸附营养盐、重金属和有毒有害物,对水体物质生物地球化学过程、沉积物埋藏动力和湖泊环境演化具有重要的意义.基于星地同步实验和静止水色成像仪GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)构建了太湖悬浮物浓度估算模型,并分析了典型风浪过程中太湖悬浮物浓度短期动态变化过程.研究表明:对太湖水体悬浮物浓度较为敏感的波段为GOCI的第7波段(745nm)和第8波段(865 nm),悬浮物浓度与对应波段遥感反射率线性相关决定系数分别为0.72和0.55;基于GOCI第7波段的悬浮物浓度单波段遥感估算模型能较为准确地估算太湖的悬浮物浓度,模型相对均方根误差和平均绝对百分误差分别为28.3%和24.4%.通过研究典型风浪过程前后太湖悬浮物浓度变化发现其短期动态变化显著,风速、风向是悬浮物浓度短期动态变化的重要驱动因素,悬浮物浓度与风速呈正比,并随着风向扩散;高频连续GOCI影像结果显示悬浮物浓度短期动态变化对风浪扰动的响应有一定的滞后性,滞后时间为数小时到1天,悬浮物沉降与沉积物再悬浮的临界风速约为3.4 m/s.     

太湖藻类水平漂移特征及其影响因素

采用原位观测平台,研究分析了太湖竺山湾风速、湖流流速、波高以及藻类水平漂移特征及其影响因素,结果表明日间藻类水平漂移速率呈锯齿式交替特征,日内藻类水平漂移速率变化幅度大;藻类水平漂移速率与风速之间呈显著线性正相关;当0.02 m < 有效波高 < 0.1 m时,藻类水平漂移速率与有效波高呈显著线性负相关,当有效波高 > 0.1 m时,波浪会显著改变藻类运动方式,破坏藻类表层聚集形态;湖流对藻类水平漂移速率无显著性影响;藻类水平漂移方向受湖流流向和风向的共同作用;藻类水平漂移速率与风速、波高、湖流流速间关系可用多元线性方程表达,且拟合度良好,可为藻类水华预测模型构建提供依据.     

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.     

波浪作用下湖泊底泥的输沙试验研究

湖泊底泥的运动过程产生内源污染,加剧湖泊生态环境的恶化.研究湖泊底泥在波浪作用下的输沙规律,可为研究湖泊的水质变化成因及生态环境治理提供参考依据.利用大型波浪水槽,在波浪作用条件下对太湖、龙感湖、巢湖的底泥进行了起动和输沙试验,对多组波浪水文条件下湖泊底泥的输沙试验结果进行分析,详细地阐述了太湖、龙感湖、巢湖底泥在波浪作用下的输沙变化规律.分析整理试验数据,得出输沙率变化公式,为3个湖泊的水质变化成因分析及生态环境治理提供参考依据.     

山体遮挡对滇池风生流的影响初探

用二维风生流数值模型模拟滇池湖流运动。滇池在主导风向西南风作用下,假定湖面风场是均匀的,数值模拟的湖流流态与实测湖流结果相差很大。而考虑山体遮挡影响,根据实测湖流期间现有的风情资料,在湖面上构造一非均匀风场,数值模拟结果与实测值基本一致。山体遮挡对滇池风生流的影响是不容忽视的。建议进一步进行湖流和湖面风向、风速监测,并建立过山气流数学模型,深入研究山体遮挡对湖泊风生流的影响。     

基于反射光谱和模拟MERIS数据的太湖悬浮物遥感定量模型

利用地物光谱仪研究了太湖水体的反射光谱特征,通过对比分析,发现580nm反射率值和810nm的反射峰高是太湖悬浮物的敏感波段,并通过光谱微分的方法,发现840nm附近的一阶微分与悬浮物浓度相关性最好,基于上述结论,分别建立了太湖悬浮物的反射光谱和一阶微分遥感定量模型,并利用反射光谱数据,模拟MERIS数据的波段设置,结果表明MERIS第5、12、13波段可以很好的估测太湖的悬浮物浓度.     

太湖不同湖区风浪的季节变化特征

为明晰太湖风浪的空间分布及季节变化,在湖心区设立波浪观测站,利用其记录的波浪数据证明SWAN模型能够较好地模拟太湖风浪.基于所建模型,对2013年自然风场条件下太湖不同湖区风浪季节动态进行模拟分析,结果表明:受岸线、地形和岛屿等地理因素影响,大太湖的风浪总是最强,其有效波高均值为0.523 m;而东太湖风浪最小,有效波高均值为0.305 m.受盛行风场季节变化影响,太湖春、夏季有效波高均值明显大于秋、冬季.太湖波浪的能量主要来源于风场,其有效波高随风速增大而增大,两者呈极显著正相关.而风向则可以通过改变风区长度来影响风浪生消.在偏东风作用下,太湖湖西区的风浪大于东部湖区;而受盛行于冬季的偏北风影响,太湖南部水域风浪要大于北部.同时,太湖风浪的时空分布特征是造成太湖水质参数、沉积物和水生植物空间分布差异的重要原因之一.     

结合高光谱数据反演吉林石头口门水库悬浮物含量和透明度

水中悬浮物含量是评价水环境质量的一个重要参数,它可影响水体透明度、混浊度、水色等光学性质,决定太阳光照在水下的分布和浮游植物对光照的利用,并最终影响水体的初级生产力.本文利用长春市石头口门水库的高光谱实测数据和水质采样分析数据,尝试通过一阶微分法建立悬浮物估测模型,再用估测结果反演透明度信息.结果表明:用590nm处的一阶微分光谱值建立的悬浮物估测模型的决定系数R2和均方根误差(RMSE)分别为0.76、9.09 mg/L,验证模型的R2和RMSE分别为0.79、7.15 mg/L;石头口门水库上游严重的水土流失导致透明度受悬浮物含量影响较大,两者存在明显的指数关系,相关系数r为-0.80,用悬浮物含量建立的透明度估测模型的R2和RMSE分别为0.79和0.12 m,验证模型的R2和RMSE分别为0.82、0.11 m.显著水平均为p＜0.01.研究结果表明,该方法用于石头口门水库悬浮物含量和透明度的定量遥感结果较理想.     

大型浅水湖泊太湖波浪特征及其对风场的敏感性分析

以空间均匀的实际风场为驱动,利用SWAN模式模拟了太湖波浪场,结果表明:SWAN模式能够较好的模拟太湖波浪的生成与传播,适用于大型浅水湖泊(太湖);同时分析了该风场驱动下下太湖风浪谱,波浪的绝对频率主要集中在0.45～1.0 Hz的中高频率段;风向与波向具有高度一致性.在同一风速下,太湖不同区域波浪成长稳定时间不同,湖心区稳定的谱峰频率在0.342～0.585 Hz之间,湾区及西山岛附近狭长水域稳定的谱峰频率在0.447～0.765 Hz之间;在同一区域,风速增大,波浪稳定时间减少,谱峰频率沿低频推移,在湖心区谱峰频率最小不低于0.340 Hz,湾区、西山岛附近狭长水域最小不低于0.447 Hz;风向的改变对湾区及西山岛附近狭长水域的波浪频谱形状影响较大.     

太湖生态与环境若干问题的研究进展及其展望

本文着重就太湖水动力及其生态环境效应、太湖沉积物及其内源污染问题和太湖生态系统结构与功能及其蓝藻水华等热点问题近十年来的研究进展进行了回顾.在水动力及其生态环境效应方面,初步摸索出一套适合太湖这样大型浅水湖泊的研究方法,即通过沉积物悬浮过程的研究,把风浪与水体光照透明度、内源释放、水土界面的氧化还原环境等过程和要素联系起来,获得了太湖理化要素随深度变化的内部结构特征,确立了三维水动力模拟模型在太湖应用中的必要性.建立了太湖光照和透明度与悬浮物的关系,及基于悬浮物浓度的太朔初级生产力计算模型.在太湖沉积物与内源污染问题上,初步弄清了太湖沉积物分布与污染物质分布的特征,太湖沉积物悬浮的动力作用的来源与大小.太湖水动力对内源释放的影响,进一步提出了适于太湖内源污染控制的判断方法.对于太湖生态系统结构与功能及其蓝藻水华问题,在蓝藻水华爆发过程假设的基础上,进一步通过营养盐阈值、休眠孢子复苏等方面对此进行了完善.研究还发现了富营养化导致生态系统退化,生物趋于小型化且多样性下降的现象,营养盐循环速率加快,加重水体富营养化程度.进一步通过附着生物的研究,揭示了富营养化导致草型生态系统向藻型生态系统转化的原因.在此基础上,提出了生态恢复应该首先降低营养盐负荷、其次才是生态恢复的新观念,以及湖泊治理必须先控源截污、后生态恢复的新思路.最后,就这几个方面的进一步发展做出了展望.