波流作用下太湖水体悬浮物输运实验及模拟

利用室内外实验和数学模型对波浪和湖流共同作用下太湖水体悬浮物输运过程进行了研究.结果表明:当太湖日平均风速在2~8m/s时,水体悬浮物再悬浮通量与平均风速符合正相关关系;太湖悬浮物沉降属于絮凝沉降.悬浮物浓度较低时,其沉降速率与浓度无明显的相关关系;而浓度较高时,沉降速率随浓度升高而增大.悬浮物浓度和沉降速率符合Logistic函数;将太湖湖流模型和波浪模型耦合,有效地反映了太湖的水动力过程;在太湖悬浮物模型中,引入底泥起悬条件,将底泥的起悬量与沉降量分开处理,有效地模拟了太湖悬浮物的输运过程.模拟结果表明太湖悬浮物沿岸区域受湖流的影响较大,湖心区域受波浪影响较大.     

基于MODIS影像的鄱阳湖湖面积与水位关系研究

利用统计分析的方法,根据2001年获取的13景鄱阳湖区无云MODIS影像中的9景提取的水体面积,并结合同步观测的水文数据分别采用线性、对数和指数3种模型模拟湖面积-水位之间关系。结果显示对数模型相关性最好（R2=0.918）,其次为线性和指数模型。利用另外4景MODIS影像对模型进行检验表明,该模型精度较高,模拟的最大误差为3.36%。本研究显示,可根据鄱阳湖水位观测值,利用该模型预测鄱阳湖洪涝期洪水淹没面积,以弥补云天状况下光学遥感难以监测到洪水淹没范围的不足。本研究为利用遥感影像实时监控鄱阳湖水情空间动态变化提供了可行的方法,对湖泊、水库的泛洪监测、调洪功能分析具有重要意义。     

基于MODIS卫星数据的中亚地区水体动态监测研究

水体动态监测是当今资源与环境变化研究的一个热点与重点。及时、准确地获得水体变化信息是对湿地资源保护、利用和可持续发展的有力支持,而遥感技术的快速、周期性等特点为湿地变化监测提供了技术手段。本文的研究区是中亚地区,结合该地区的光谱和时相特征,利用三个时相的MODIS数据,采用监督分类以及人工解译等方法获取了研究区水体分布以及变化信息,并从自然和人为两方面原因对咸水湖泊、淡水湖泊以及含水沟渠的变化情况进行进一步分析评价。     

珠江水体悬浮物碳稳定同位素组成与流域土壤侵蚀研究

以珠江流域水体悬浮物为研究对象,对其碳稳定同位素组成(δ13C)及颗粒有机碳(POC)的含量进行了测定和研究。结果表明:河流悬浮物同位素组成与珠江流域植被分布格局、土壤有机质密切相关;珠江悬浮物碳同位素组成主要受C3植被影响,其中,西江悬浮物碳同位素组成表现出较强的C4植被特征。东江水体悬浮物碳同位素组成在洪水季节表现出较强的C4植被特征,其它季节则表现出C3植被特征;北江水体悬浮物碳同位素组成无明显的C4植被特征。东江悬浮物样品POCδ13C值呈逐年上升趋势,与近年来流域内植被破坏和土壤侵蚀加剧相对应,并显示其侵蚀程度超过西江流域。     

太湖湖泊水体碳循环模型研究

在垂直压缩三维水动力模型的基础上,建立了包括无机碳、有机碳、二氧化碳、浮游植物态碳、浮游动物态碳、鱼类态碳、沉水植物态碳、底泥中的有机碳、底泥中的无机碳、底泥间隙水中的有机碳和无机碳等状态变量的太湖碳循环三维模型。并用2000年的实测资料进行了参数率定,用2003年的实测数据进行了校验。校验结果显示,绝大多数校验点次的实测值与模拟值间的误差均小于30%,4个校验点的模拟值和实测值的年平均误差均小于40%,由此可见,模型虽然仍需进一步完善,但其已经具有了一定的模拟精度,为太湖湖泊水体碳循环的研究奠定了基础。同时模型计算结果表明:湖泊水体碳循环对大气二氧化碳浓度的降低有正面作用。     

嫩江流域水体及悬浮物重金属元素分布特征及环境指示意义

水和悬浮物是河流重金属元素迁移的主要载体.对嫩江中下游悬浮物及滤后水重金属元素分布特征进行了较系统的研究,结果表明：丰水期是嫩江流域内悬浮物迁移的主要季节,支流的汇入会影响嫩江干流悬浮物浓度,大安市生产生活对水体悬浮物浓度产生明显影响;齐齐哈尔市的生产生活对嫩江水体悬浮物重金属含量影响不大,而对水中Cr、Cu、Pb、Ni、Zn元素产生明显影响;雅鲁河是向嫩江输入重金属Cr、Ni最多的支流,年输入嫩江通量分别为1223、100．46 t;阿伦河是向嫩江输入重金属Cd、Cu、Pb最多的支流,年输入嫩江通量分别为0．08、10．93、9．96 t;嫩江向松花江年输入重金属As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni通量分别为113．7、0．32、0．79、438、164、152、440、224 t.     

太湖水体后向散射特性模拟

为研究太湖水体后向散射系数的光学特性,利用太湖实测数据和半分析方法与光学闭合(Optical Closure)原理,对太湖水体的后向散射系数进行模拟,在此基础上对其光学特性和影响因子进行分析.研究结果表明:由于悬浮物浓度的差异,使得太湖水体后向散射系数具有明显的差异性,后向散射主要由无机悬浮物引起,浮游藻类对后向散射系数的贡献较小;由于悬浮物来源不同,使得悬浮物粒径分布、形状以及组成成分不同,导致太湖水体单位后向散射系数存在一定变化;以550 nm作为参考波段对太湖后向散射系数进行参数化,得出该波段后向散射系数与悬浮物浓度具有很好的线性关系,其指数在1.32~2.8之间变化,平均值为2.09.     

太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征

利用2001-2002年周年太湖全湖不同湖区湖泊光学的实测资料,分析了太湖水体光学衰减系数的区域分布,季节变化,垂直分布及日变化特征,并阐述了其变化原因,将太湖与国外一些湖泊进行对比,进一步阐述了太湖的光学特征.结果表明:光学衰减系数的湖区分布大致为:河口区>五里湖>湖心区>梅梁湾>贡湖>东太湖;由于不同湖区对光学衰减系数影响的主导因素不一样,其季节变化存在差异,东太湖季节变化不大,湖心区衰减系数秋冬季较大,而梅梁湖区则夏秋较大;衰减系数日变化则表现为中午大,上午和下午小;衰减系数的垂直分布主要有逐渐递减和先递减后均匀2种类型;衰减系数的光谱特性表现为在短波部分较大,长波部分较小,670nm处有一相对高值.     

一种改进的近红外波段悬浮物生物光学反演模型

在分析固有光学参数和表观光学参数之间关系的基础上,提出一种提高悬浮物浓度的反演精度的算法。本文算法细化单位散射系数曲线的斜率s’值,并将bbp（λ）×bρ（λ）视为一个一定数值范围内的变量,其中b’bp（λ）为波长A处的悬浮物后向散射概率,bρ（λ）为悬浮物的单位散射系数。以太湖为实验区,进行了水体野外实测,获得了遥感反射率、吸收散射系数、后向散射系数、悬浮物浓度等必要参数。利用本文改进算法反演悬浮物浓度的平均相对误差绝对值为22．58％,均方根误差为13．12mg／L,均小于已有研究中将涉及的相关参数看做单一定值时,取得的平均绝对误差（44．78％）和均方根误差（31．57mg／L）。     

悬浮物浓度对水下光照和初级生产力的影响

采用太湖湖泊生态系统研究站生态实验室的模拟生态槽进行水动力模拟实验研究(1999年5月8日～6月24日),探讨了水动力的扰动引起悬浮物的增加、改变水下光强的分布,并由此造成了初级生产力的变化.结果表明,无论是静止还是小水流、大水流状态,水下光强随深度都是按指数规律衰减;在静止状态下,槽水清澈见底,光衰减系数为1m-1左右,到小水流和大水流时,由于动力的扰动、悬浮物浓度的增加,光学衰减系数增加到2m-1和4m-1左右,真光层深度也由最初的4m降到2m、1m;对光学衰减系数、真光层深度与悬浮物浓度进行线性和幂函数回归,发现他们之间的相关性很好,反映了风浪扰动引起水中悬浮物增加是改变水下光照分布的主要原因;在静止状态下,由于槽水清澈,强光作用下表面存在光抑制现象,最大初级生产力出现在04～06m,其他情形光抑制很弱或基本上不存在,最大初级生产力出现在0～02m.     

浅水湖泊水体中不同颗粒悬浮物静沉降规律研究

为了解浅水湖泊水体中颗粒悬浮物的静沉降规律,以太湖为例,采用重复深度吸管法计算了2005年4月、5月间在太湖进行的4次静沉降模拟实验中的沉降速度。结果表明:①在悬浮物沉降过程内,3种颗粒物的沉速关系为颗粒无机物(PIM)>悬浮物(SS)>颗粒有机物(POM)。在相同的沉降时间内,PIM的沉速为SS沉速的1.6~2.0倍,POM的沉速为SS沉速的0.3~0.7倍,PIM的沉速为POM沉速的2.5~5.5倍;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,悬浮物中无机物含量较高时这种规律更为明显;③悬浮物浓度较低时,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。     

含沙量和悬沙粒径变化对长江宜昌-汉口河段年冲淤量的影响

依据三峡水库修建以前的资料,运用数理统计方法对含沙量和悬沙粒径变化对长江宜昌-汉口河段年冲淤量的影响进行研究,以期为三峡水库修建以后库下游河道冲淤特性的预测提供参考。建立了1980-1997年间宜昌-汉口#河段年冲淤量与宜昌站年均含沙量C宜昌之间的回归方程,据此估算出使宜昌-汉口#河段处于不冲不淤状态的宜昌站临界年均含沙量为0.734 kg/m3。以宜昌-汉口冲淤量作为因变量,以宜昌站的含沙量、悬沙中径D50、最大流量和三口分流比作为影响变量,建立了多元回归方程。基于1980-1997年资料的方程表明,宜昌站含沙量越高,悬沙中径越粗,宜昌站洪水流量越大,宜昌-汉口河段年淤积量越大;三口分流比越小,宜昌-汉口河段年淤积量越大。     

水动力作用下太湖底泥起动规律研究

在环形水槽内模拟了太湖底泥的起动规律,分析了太湖底泥运动的不同状态,以及上覆水中总磷(TP)浓度随流速的变化关系,实验得出的太湖底泥在3种起动标准下对应的起动流速分别为35、45和60cm/s,并观察到上覆水中TP浓度在3种不同起动流速处出现了较大的跳跃;然后利用泥沙起动的理论模型计算了太湖底泥在3种不同起动标准(个别动、少量动、普遍动)下的起动流速和起动切应力,其值分别为37.9、46.7、59.8cm/s和0.428、0.636、1.042N/m2。两种方法得到的起动流速值比较接近,基本上反映了太湖底泥起动的实际状况。     

基于Landsat-8数据南海近岸悬浮泥沙与叶绿素a浓度定量反演

为了对南海近岸海域海水悬浮泥沙与叶绿素a进行浓度估算,基于Landsat-8数据确定悬浮泥沙与叶绿素a的敏感波段并构建估算模型。结果表明,Landsat-8数据第一、二、四波段对悬浮泥沙浓度较为敏感,第一、二、三波段对叶绿素a浓度较为敏感,而以上单波段仍不能单独用于准确提取该区悬浮泥沙与叶绿素a,故建立多种形式的统计模型。由第一、二、四波段线性组合形成的悬浮泥沙浓度反演模型的相关系数达到0.904,平均相对误差为10.24%,反演精度为89.76%。由第一、二、三波段线性组合形成的叶绿素a浓度反演模型的相关系数达到0.886,平均相对误差为11.27%,反演精度为88.73%。     

强弱风浪扰动下太湖的营养盐垂向分布特征

在一次风速12m/s的强风浪过程中及在连续多天弱风浪之后,对太湖梅梁湾一浅水区营养盐、悬浮物等的垂向分布进行了观测和分析。结果表明,在水底沉积物约20cm的情况下,强风浪期间与弱风浪期间相比,湖水中悬浮物浓度提高了10倍,总磷浓度提高了3 6倍。而强风浪期间与弱风浪期间的水体溶解性总磷(DTP)、溶解性活性磷(SRP)的浓度无显著差异。说明尽管强风浪过程引起沉积物大量悬浮,水体悬浮颗粒态营养盐显著增高,但是由于悬浮过程营养盐释放与沉降机制作用十分复杂,活性营养盐的浓度未必能提高。无论强风浪还是弱风浪期间,水体的表层至水土界面上50cm层的悬浮物浓度、营养盐浓度没有明显的分层现象,但明显低于水土界面上50cm内的悬浮物浓度和总磷浓度。无论是强风浪期间还是弱风浪期间,表层到底层水体SRP浓度无显著差异。     

模拟扰动条件下太湖沉积物的再悬浮特征

采用沉积物再悬浮振荡器在0.2~0.5N/m2的切应力和60~1800s的持续振荡时间下,对太湖沉积物原状芯样的再悬浮特征开展模拟实验研究,揭示切应力大小和外力作用时间对沉积物再悬浮的影响。实验结果表明,振荡初期,上覆水中悬浮物浓度上升速率较快,随振荡时间延长,上升速率减缓,浓度趋于稳定;且浓度上升速率随切应力增加呈显著增大趋势。此外,悬浮物沉降通量随振荡时间而增大,而再悬浮通量呈相反变化趋势,两者的时间变化曲线逐渐接近,最终达到动态平衡。室内模拟试验观测值与太湖现场观测结果的对比表明,该模拟装置能够在室内可控条件下较好地反映太湖沉积物再悬浮特征。     

高坝工程总溶解气体过饱和与水体含沙量关系

为研究伴随高坝泄水产生的总溶解气体(TDG)过饱和现象与水体中含沙量关系的问题,提出切实可行的减缓TDG过饱和影响的措施,通过实验的方法,对含沙水体中TDG过饱和的生成和释放进行了研究分析。结果表明:同样初始条件下,在含沙水体与清水中的TDG过饱和生成过程中,TDG过饱和度没有明显变化。在TDG释放过程中,含沙水体中TDG释放速率明显快于清水中TDG释放速率,据此提出可通过开启排沙孔等泄洪调度方式使泄流中悬沙含量增加,促使TDG沿程释放加快,降低其对鱼类的影响。     

渤海表层悬浮泥沙的空间模态及其时间变化

针对整个渤海海域悬浮泥沙分布全貌研究的不足,基于2000-2004年连续5年的354个SeaWiFS反演的渤海表层悬沙浓度资料,经多年月平均得到其季节变化特征;通过经验正交函数分解,给出其空间模态及时间系数,揭示渤海表层悬浮泥沙的空间分布特征及其随时间的变化。渤海表层悬沙浓度除秦皇岛海域外近岸高,离岸低,辽东湾东岸浓度远大于西岸;冬季浓度最高,春秋次之,除河口海域外夏季浓度最低;河口海域冬夏季均为浓度高值区。经验正交分解显示第一空间模态反映渤海悬沙浓度的总体分布特征,其显著变化周期为12个月,显示渤海表层悬沙的季节变化特征。第二空间模态反映黄河入海径流对渤海表层悬沙浓度分布格局的影响, 其周期为6个月,代表黄河口海域悬沙浓度的变化周期。第三模态显示渤海不同海域悬沙浓度的增加或减小过程并不同步,存在明显的位相差异。     

悬浮泥沙对藻类生长影响的实测与分析

通过对长江下游镇扬段的牛轭湖—内江的泥沙、水质、光强、藻类等进行现场监测和数据分析,探讨了内江悬浮泥沙对水下光强的衰减规律以及对藻类生长的影响。结果表明:内江水体中存在80%以上的粒径小于75μm的微细悬浮颗粒,其中不易沉降的粘土颗粒占到20%～50%左右,枯水期平均含量为40 mg/L,丰水期平均含量为70 mg/L,而藻细胞生物总量基本都在100万个/L以内,其中绿藻、硅藻为优势种。数据分析表明:泥沙对水下光强的衰减遵循指数函数衰减规律,光衰减系数与泥沙含量呈较好的线性相关性,内江的优势种绿藻、硅藻的生物量与泥沙含量呈显著的指数相关。认为,泥沙通过衰减光强间接地抑制藻类繁殖,这一抑制作用可以由泥沙含量和藻细胞密度之间的关系进行定量。     

Distribution of suspended sediment concentration in wide sediment‐laden streams: A novel power‐law theory

The diffusion equation of suspended sediment concentration in a wide sediment‐laden stream flow is dependent on the vertical gradient of streamwise velocity and the sediment diffusivity. This study aims at investigating the influence of the streamwise velocity laws on the suspended sediment concentration distributions, resulting from the solution of the diffusion equation. Firstly, the sediment concentration distributions are obtained numerically from the solution of the diffusion equation using different velocity laws and compared with the experimental data. It is found that the power‐law approximation produces good computational results for the concentration distributions. The accuracy of using a power‐law velocity model is comparable with the results obtained from other classical velocity laws, namely log‐law, log wake‐law and stratified log‐law. Secondly, a novel analytical solution is proposed for the determination of sediment concentration distribution, where a power‐law, wall‐concentration profile is coupled with a concentration wake function. The power‐law model (for velocity and concentration) is calibrated using the experimental data, and then a generalized wake function is obtained by choosing a suitable law. The developed power‐law model involving the wake function adjusted by an exponent predicts the sediment concentration distributions quite satisfactorily. Finally, a new explicit formula for the suspended‐load transport rate is derived from the proposed theory, where numerical computation of integrals, as needed in the Einstein theory, is avoided.