太湖水体中悬浮物的静沉降特征

本文分别采用斯托克斯沉降速率公式和重复深度吸管法计算了2005年4月、5月间在太湖进行的四次静沉降模拟实验中的沉降速度．结果表明：1)太湖水体中悬浮物的沉降属于絮凝沉降．2)水体中悬浮物浓度与沉降时间均呈现出明显的指数衰减规律(R~2＞0．80),悬浮物中无机物含量较高时这种规律更为明显(R~2≥0．99)．3)悬浮物浓较低时,太湖悬浮物的沉降速率与水体中的悬浮物浓度无明显的相关关系;而悬浮物浓度较高时,沉降速率随悬浮物浓度升高而增大．经拟合沉降速度(ω)与悬浮物浓度(C)之间符合Logistic曲线ω=0．021/(1 exp(-0．026(C-166．3))),R~2=0．98,n=54．4),斯托克斯公式可用来粗略估算太湖悬浮物的沉降速率,而重复深度吸管法则适合于较精确地计算太湖悬浮物的沉降速率．但在计算时须注意根据悬浮物的特性,选取其特征沉降速率．本文计算得到的太湖悬浮物的沉降速率范围为0．002 cm/s-0．005 cm/s．     

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.     

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.     

秋季太湖悬浮物高光谱估算模型

2004年10月,在太湖设置67个采样点,现场测量了水体遥感反射比、后向散射系数和辅助参数,实验室分析了水体的悬浮物浓度和水色要素吸收系数.本文在对遥感反射比光谱分析的基础上,比较了几种水体遥感反射比光谱估算悬浮物浓度的方法,结果发现广泛应用的带比值项的算法,虽然可以应用于太湖总悬浮物浓度估算,但是普遍存在相对误差较高的弱点.通过对光谱的分析,确定了750hm单波段算法的参数,并提出了利用近红外812nm波峰高度来估算水体悬浮物的方法.文中还详细阐述了为什么比值算法等在太湖水体悬浮物浓度估算中相对误差比较高,并解释了利用近红外估算精度高的原因,并指明以上算法在遥感应用中的优点和不足,以及现实水体(水质)遥感对现有遥感器配置和遥感算法的需求.     

野外模拟扰动对太湖微囊藻群体大小的影响

风浪扰动是影响湖泊生态系统重要的环境因素之一.为了解风浪扰动对湖泊微囊藻群体大小的影响,在野外模拟了风浪扰动对太湖微囊藻群体大小的影响.结果表明,实验组模拟风浪连续扰动24 h,扰动结束时实验组和对照组微囊藻群体大小分别为68.38和12.56μm,实验组和对照组微囊藻群体大小呈极显著差异;扰动结束时实验组和对照组微囊藻胞外多糖含量分别为1.49×10~~(-6)和1.26×10~(-6)mg/cell,二者差异显著.表明适当强度的风浪扰动短时间内能促使微囊藻群体显著增大,有助于人们对太湖微囊藻水华暴发机理的认识.     

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.     

太湖浮游植物中重金属含量的季节变化特征及湖区差异

近年来随着社会经济的发展,排入太湖的污水中重金属含量不断增加,为研究太湖浮游植物中重金属的污染状况,分别于2009年春季(4月)、夏季(7月)和冬季(12月)对太湖不同湖区展开调查,通过HCA聚类分析和Pearson相关分析探讨不同湖区浮游植物中重金属含量的季节变化,并与优势藻种进行CCA分析,对浮游植物重金属与各藻种关系进行初步探讨.结果表明:太湖浮游植物中重金属的含量大小为:ZnMnPbCuNiCrAsCdHg,其中Zn、Cu、Mn、Pb、Ni的季节变化明显,Zn和Cu、Pb、Ni、Cr之间的相关系数很高且具有同源性.通过对比不同湖区,发现北部梅梁湾的浮游植物重金属含量较高,东太湖和湖心区含量均低于沿岸湖区.CCA分析表明春季重金属与优势藻种呈正相关,而夏季和冬季二者呈负相关.三季中重金属与蓝藻和绿藻的相关性最高,与隐藻的相关性最低.蓝藻中,重金属与铜绿微囊藻的相关性高于水华微囊藻.     

结合Landsat ETM与实测光谱估测太湖叶绿素及悬浮物含量

实地测试太湖水体的反射光谱,实验室分析水样,运用相关分析法探求叶绿素、悬浮物的光谱特征波段,估测叶绿素和悬浮物含量;对比LandsatETM波段,运用不同的函数曲线对相应的波段组合进行回归拟合,建立相应的估测模型,选取精度最好的两个分别对太湖的叶绿素和悬浮物含量进行估测.结果表明:(1)对多光谱遥感而言,LandsatTM/ETM是定量获取叶绿素和悬浮物的较好的数据源,但不是最适合的数据源;(2)通过ETM3与叶绿素建立一定的函数关系来估测叶绿素含量具有较高的精度,其中利用算术组合ETM3/ETM1估测叶绿素的精度最高;(3)ETM4与悬浮物具有较高的相关度,其中利用算术组合ETM4/ETM1估测悬浮物含量的精度最高;(4)LandsatETM卫星影像中,不同尺寸的像元窗口影响水质参数的估测精度;对叶绿素估测而青,7×7或者5×5窗口比较适合,对悬浮物估测而言,一般不超过3×3.     

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.     

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.     

太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱组分鉴别及其与氮形态的关系

采用三维荧光光谱-平行因子法(EEMs-PARAFAC)分析太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱特征,研究其组分类型、分布规律以及来源,进一步探讨悬浮物中水溶性有机氮和无机氮含量与WSOM荧光组分之间的关系.结果表明,悬浮物中WSOM荧光组分主要由2个类腐殖质(C1、C2)和1个类色氨酸类蛋白质(C3)组成.总荧光强度在57.56~200.01 R.U./g之间,平均为115.42 R.U./g,其中C1、C2、C3的相对比例分别为35.55%、34.05%和30.40%;空间上由西向东逐渐增强,东五里湖高于西五里湖,沿岸区高于湖心区.荧光指数和生物源指数变化范围分别在1.48~2.34和0.65~0.87之间,反映了悬浮物中WSOM主要来源于微生物、藻类的自生生物源.多元回归统计分析结果表明,悬浮物WSOM与氮元素的迁移转化密切相关,且有机氮与WSOM荧光组分的相关系数大于无机氮.     

Hyperspectral feature analysis of chlorophyll a and suspended solids using field measurements from Taihu Lake,eastern China

Abstract

We report results of three field campaigns conducted at 39 stations. At each station, we measured reflectance spectra in situ and collected water samples for measuring chlorophyll a (CHL) and suspended solids (SS) concentrations in the laboratory. To identify the indicative bands and develop suitable estimation models for CHL (C _CHL) and SS (C _SS) concentrations in Taihu Lake, a spectral-feature method and a derivative method were applied. The following conclusions were drawn: (a) the critical C _CHL and C _SS probably causing their spectral variation are, respectively: 0, 10, 50 and 75 μg L^?1, and 0, 10, 50 and 100 mg L^?1; (b) the derivative method is better than the spectral-feature method for estimating C _CHL and C _SS; (c) the optimal variable for CHL is a reflectance second-order derivative at 501 nm or a reflectance first-order derivative at 698 nm; the optimal variable for SS can change when its concentration is low and the range is narrow; otherwise, the optimal variable is a reflectance first-order derivative at 878 nm; and (d) the CHL and SS have an effect on one another's retrieval. The C _CHL estimation accuracy would benefit from narrowing the C _SS range. With C _CHL increasing and its range broadening, the corresponding C _SS estimation accuracy decreases gradually.     

太湖流域滆湖水体悬浮物分布特征及其影响因素

基于2018—2019年的周年调查,分析了滆湖总悬浮物（TSS）的时空分布特征、组成及其季节变化规律,并探讨了水体悬浮物的影响因素及其与氮、磷的关系.结果表明：（1） TSS浓度的年内变化范围在11.80~105.87 mg/L之间,平均浓度为41.87±18.09 mg/L.（2）滆湖水体TSS时空差异显著.空间上呈现高速公路以南湖区（B区）大于高速公路以北湖区（A区）,沿岸高于湖心区的分布趋势;季节变化整体表现为：夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季,且夏季显著高于其他季节.（3）滆湖水体中无机悬浮物（ISS）和有机悬浮物所占TSS的比例差异悬殊,分别为75.5%和24.5%,A区和B区均以ISS为主.（4）线性拟合表明,TSS与颗粒态氮、总磷和颗粒态磷具有极显著正相关关系;（5） TSS与叶绿素a浓度相关性极显著.综合结果分析,藻类暴发和泥沙再悬浮是影响滆湖水体悬浮物浓度的重要因素.     

太湖表层沉积物重金属元素的来源分析

根据太湖MS岩芯重金属元素与Al的线性回归分析及元素/Al、V/Al比率散点图变化规律,讨论了太湖沉积物中重金属元素的来源特征。结果表明:20世纪20年代中期以前,重金属元素主要为自然来源;20年代中期—70年代中期,尽管沉积物中Al、Fe、Zn、Mn、V、Cr等重金属元素含量随沉积物粒度变粗而明显下降,但除Hg受到一定程度的人为污染之外,其它重金属元素仍以自然来源为主,物源有所变化;70年代末期以来,沉积物中重金属元素人为污染逐渐加重,Pb、Cu、Zn、Hg、As等元素既有流域母质来源,又受到一定程度的人为污染。     

Nutrient fluxes induced by disturbance in Meiliang Bay of Lake Taihu

A wave flume experiment was conducted to study nutrient fluxes at water-sediment interface of Meiliang Bay under different hydrodynamic conditions. The results reveal that hydrodynamics has remarkable effects on nutrient fluxes in this area. With a bottom wave stress of 0.019 N m-2 (equivalent to disturbance caused by wind SE 5-7 m s-1 at the sediment sample site of Meiliang Bay), the fluxes of TN, TDN and NH4+-N were separately 1.92× 10-3, -1.81 × 10-4 and 5.28× 10-4 mg m-2 s-1(positive for upward and negative for downward), but for TP, TDP and SRP, the fluxes were 5.69 × 10-4, 1.68 × 10-4 and -1.29 × 10-4 mgm-2 s-1. In order to calculate the released amount of nutrients based on these results, statistic analysis on the long-term meteorological data was conducted.The result shows that the maximum lasting time for wind SE 5-7 m s-1 in this area is about 15 h in summer. Further calculation shows that 111 t TN, 32 t NH4+-N, 34 t TP and 10 t TDP can be released into water (the sediment area was 47.45% of the whole surface area), resulting in concentration increase of 0.025, 0.007, 0.007 and 0.002 mg L-1 separately. With stronger disturbance (bottom wave stress is 0.217 N m-2 which is equivalent to disturbance caused by wind SE 10-11 m s-1 at the same site), there has been significant increase of nutrient fluxes (1.16× 10-2, 6.76×10-3, 1.14× 10-2 and 2.14× 10-3 mgm-2 s-1 for TN, DTN and NH4+-N and TP). The exceptions were TDP with flux having a decrease (measured to be 9.54× 10-5 mgm-2 s-1 ) and SRP with flux having a small increase (measured to be 5.42 × 10-5 mgm-2 s-1). The same statistic analysis on meteorological data reveal that the maximum lasting time for wind SE 10-11 m s-1 is no more than 5 h. Based on the nutrient fluxes and the wind lasting-time, similar calculations were also made suggesting that 232 t TN, 134.9 t TDN, 228 t NH4+-N, 42.7 t TP, 2.0 t TDP and 1.1 t SRP will be released from sediment at this hydrodynamic condition resulting in the concentration increases of 0.050, 0.029, 0.049, 0.009, 0.0004 and 0.0002 mg L-1. Therefore in shallow lakes, surface disturbance can lead to significant increase of nutrient concentrations although some components in water column had negative flux with weak disturbance (e.g. TDN and SRP in this experiment). In this case, sediment looks to be a source of nutrients. These nutrients deposited in sediment can be carried or released into water with sediment resuspension or changes of environmental conditions at water-sediment interface, which can have great effects on aquatic ecosystem and is also the characteristics of shallow lakes.     

分季节的太湖悬浮物遥感估测模型研究

根据1996-2002年无锡太湖监测站的水质资料分析,太湖悬浮物具有季节性特征,因而分季节的悬浮物估测模型比单一的模型可能更加适合用来估测太湖全年的悬浮物浓度.在分析太湖水体光谱特征的基础上,根据太湖悬浮物的季节性分布特征,使用春夏秋冬四季的Landsat TM/ETM图像和准同步的水质采样数据,建立了太湖分季节的悬浮物估算模型.结果表明:估测因子(B2 B3)/(B2/B3)在春、秋、冬三季都能很好地估测出悬浮物的浓度(R2＞0.52).夏季由于叶绿素的干扰性较大,悬浮物的估测效果不理想.冬季的估测效果最好(R2=0.81),模型为lnSS=14.656×(B2 B3)/(B2/B3) 1.661,其中,ln SS表示悬浮物取自然对数后的值,B2、B3为TM/ETM图像经过6S大气校正、3×3低通滤波后第2、3波段的反射率值.     

太湖悬浮颗粒物细菌碱性磷酸酶编码基因的分布特征

颗粒态有机磷的碱性磷酸酶矿化是水生态系统磷循环的重要环节,对细菌碱性磷酸酶编码基因的解析有利于揭示浅水富营养化湖泊有机磷矿化的微生物驱动机制.本文以太湖不同生态类型湖区悬浮颗粒物为研究对象,运用荧光定量PCR技术,探究太湖水体中悬浮颗粒物细菌碱性磷酸酶phoX和phoD基因的时空分布特征,以及影响两类基因丰度的主要环境因子.结果表明：太湖不同生态类型湖区中phoD基因丰度是phoX基因的6~42倍,且二者均存在显著的时空分布差异.6月,河口区phoX（9.18×10⁴ copies/L）和phoD（1.88×10⁶ copies/L）基因丰度均最高,其次分别为草型区、湖心区和藻型区.与6月相比,9月各湖区phoD基因丰度显著降低,而phoX基因丰度在藻型区和草型区则有所升高.9月,草型区phoX基因丰度最高（5.70×10⁴ copies/L）,河口区最低（1.49×10⁴ copies/L）.水生植物对phoX和phoD基因丰度具有重要贡献.悬浮颗粒物细菌phoX基因丰度可能被低估.溶解氧、总氮和总磷是影响太湖phoX和phoD基因丰度的主要环境因子.     

Estimation on dynamic release of phosphorus from wind-induced suspended particulate matter in Lake Taihu

The internal source, especially resuspension process of the sediments in lakes and its environ- mental effect has been paid shining attention in the West as well as in China[1—6] although the influence of external source is important to water environment[7]. S鴑dergaard et al. compared the releases of soluble reactive phosphorus (SRP) in the surface sediments of Lake Arres before and after disturbance and they found that disturbing can increase the release by 20—30 times[3]. Robarts and ot…