风浪扰动对太湖水体悬浮物重金属含量的影响

通过离心浓缩的方法,获取太湖梅梁湾口东岸处(即梅梁湾与贡湖湾的交界处)不同风浪条件下的悬浮颗粒物．冷冻干燥,微波消解,ICP-AES的方法测定了其中Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等重金属元素及Al、Ca、Fe、Mn等相关金属元素的含量．结果发现,小风浪(2 m/s)、中风浪(7 m/s)和大风浪(11 m/s)下：①水体总悬浮颗粒态金属的量依次大幅度增加;②单位悬浮颗粒物中各金属元素的含量在不同风浪下变化不同．Ca在小、中、大风浪下含量依次增大;Zn在小、中、大风浪下含量依次减少;Mn和Cu的含量变化趋势相同：与小风浪相比,中风浪下Mn、Cu的含量显著增大;与中风浪相比,大风浪下含量显著减少;其它元素Al、Fe、Ni、Pb、Co、Cr等在单位悬浮物中,中风浪与小风浪相比含量减少,大风浪与中风浪相比含量略微增加．研究表明：①金属元素在水体总悬浮物中的含量主要受风浪影响,但风浪对单位悬浮物中金属含量的影响则因元素而异;②除Cu、Mn、Zn外,悬浮物中重金属含量随粒径增大含量减少．     

湖泊底泥疏浚对沉积物再悬浮及营养盐负荷影响的模拟

选取太湖梅梁湾污染底泥为研究对象,利用沉积物再悬浮发生装置,通过室内模拟实验研究太湖夏季常规风情下底泥疏浚对沉积物再悬浮及上覆水营养盐动态变化的影响.结果表明,在模拟的风情扰动过程结束时(5 h),扰动过程未疏浚与疏浚处理水柱总悬浮颗粒物(TSS)含量变化差异显著,未疏浚对照水柱TSS含量是初始值的7.7倍,而疏浚水柱TSS在第2 h达到峰值,为初始值的3.8倍;未疏浚水柱TSS含量沉降过程最初1 h迅速降低了84.0%,而疏浚水柱TSS含量在沉降3 h后趋于平衡.伴随着沉积物的再悬浮过程,疏浚与未疏浚对照水柱中TP含量均在第5 h达到最大,分别增加负荷78.6和92.2 mg/m2.就短时效而言,底泥疏浚后沉积物的再悬浮过程显著受到抑制,并能够显著地减小沉积物再悬浮过程中溶解性磷酸盐的释放;但对水柱中总磷、总氮、铵氮、硝酸盐和亚硝酸盐含量变化影响较小.     

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．     

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.     

太湖沉积物重金属和营养盐变化特征及污染历史

通过对太湖北部开阔湖区沉积岩芯粒度、营养盐、重金属元素等指标的分析,结合硅藻分析结果,讨论了该湖区近100年来沉积环境变化特征、营养演化规律及重金属元素污染历史.结果表明,20世纪20年代前后,流域人为活动方式的改变及强度加大使沉积物特征开始发生变化,沉积物粒度变粗,重金属元素及TP含量减少.20世纪50年代～20世纪70年代末期,受人为污染影响,沉积物及水体TP含量逐渐增加,湖泊处于中等营养水平.20世纪70年代末期以来,沉积物中TOC,TN含量升高,C/N比值增大,沉积物中人为排放的外源有机成分所占比例增加,沉积物及水体中TP含量明显升高,硅藻组合以富营养型种属为主,湖泊水体发生显著富营养化;同期,随着重金属元素人为污染程度的加重,Cu,Mn,Ni,Pb和Zn等元素总量及有效结合态含量升高,并具有一定程度的潜在生物毒性.     

动力扰动下太湖梅梁湾水-沉积物界面的营养盐释放通量

通过波浪水槽试验,研究了不同水动力扰动条件下太湖梅梁湾水-沉积物界面的营养盐通量.结果发现,水动力扰动对该通量的影响很大,在中等扰动强度下(水底波切应力为0.019N·m-2,相当于梅梁湾中部夏季盛行风-东南风风速5～7 m·s-1),TN,DTN和NH4+-N的通量分别为1.92×10-3,-1.81×10-4和5.28×10-4mg·m-2·s-1(向上为正,向下为负),而TP,TDP和SRP的通量分别为5.69×10-4,1.68×10-4和-1.29×10-4mg·m-2·s-1.根据对气象资料的统计,夏季5～7 m·s-1东南风风速的最大持续时间为15h,以上述通量和风速持续时间进行计算,太湖底泥区域按水面积的47.45％,将分别有111tTN,32tNH4+-N,34tTP和10tTDP进入水体,可分别导致整个太湖水体中相应的平均浓度升高约0.025,0.007,0.007和0.002 mg·1-1.当扰动增大时(水底波切应力为0.217 N·m-2,相当于梅梁湾中部东南风速10～11 m·s-1),营养盐通量显著增加,其中TN,DTN和NH4+-N分别达1.16×10-2,6.76×10-3和1.14×10-2 mg·m-2·s-1,而TP通量亦大幅度上升,达到2.14×10-3 mg·m-2·s-1,上述通量的增加幅度均达到一个量级以上.但是,TDP的通量有所减小,其值为9.54×10-5 mg·m-2·s-1,而SRP虽然存在增加趋势,但其通量值却很小(5.42×10-5 mg·m-2·s-1).统计结果显示,太湖地区该风速的持续时间不超过5h.若以5h计,在上述强扰动情况下,营养盐释放量分别为232t TN,134.9t TDN,228t NH4+-N,42.7 t TP,2.0t TDP和1.1tSRP,水体中相应的平均浓度的升高量为0.050,0.029,0.049,0.009,0.0004和0.0002 mg·1-1.由此可见,在浅水湖泊中,动力扰动能造成水体中营养盐浓度的急骤升高,虽然在微扰动情况下,有些指标的释放通量出现负值(如DTN和SRP),水底沉积物表现为上述营养盐成分的汇集场所,但沉积物中大多数营养盐成分会随着底泥悬浮和水体-沉积物界面环境条件的改变而进入水体,给水体生态系统带来严重影响,这也是浅水湖泊所具有的显著特征之一.     

基于叶绿素荧光峰特征的浑浊水体悬浮物浓度遥感反演

内陆水体光学特性复杂,其水质参数遥感反演是当前环境遥感研究的热点与难点.2004年10月在太湖实测了67个站点的遥感反射率与相应站点水质参数浓度,通过对水体反射率光谱的分析发现,秋季太湖悬浮物主导了水体光学特性,叶绿素荧光峰的特征主要体现为悬浮物浓度的变化.据此建立了基于水面实测岛光谱遥感反射率数据的叶绿素荧光峰特征与悬浮物浓度之间的拟合关系,发现二者具有很好的响应关系.具体分析了叶绿素荧光峰绝对高度、基线高度、归一化高度(分别归一化到560nm附近最大反射率波段与近红外810nm附近最大反射率波段)及荧光峰积分面积(包括积分总面积、基线以下面积与基线以上面积)等儿种光谱特征与悬浮物浓度之间的关系,其相关系数(R2)分别为0.8822、0.7483、0.8901、0.8547、0.8927、0.8877、0.8632,平均相对误差分别为27.25%、41.03%、27.11%、25.75%、24.91%、25.47%、27.54%.总体反演精度较高,其中总积分面积法效果最好,基线高度法效果最差,而叶绿索荧光峰波段的位移与悬浮物浓度之间不存在明显的相关性.研究结果表明叶绿素荧光峰特征在浑浊内陆水体悬浮物浓度信息提取中具有很好的应用前景,该方法可为浑浊的二类水体悬浮物遥感反演提供了一个新思路.     

水动力条件下太湖透明度模拟研究

根据太湖实测资料分析得到了太湖悬浮物浓度和透明度之间呈现明显的反比关系, 归纳总结了以往研究成果中建立的太湖透明度与悬浮物浓度之间的关系, 说明可以通过模拟太湖悬浮物来反映太湖透明度的变化规律. 实测资料表明, 不同水深处的悬浮物浓度与风速的变化趋势大致相近, 风速越大, 悬浮物浓度越大. 太湖波浪、湖流与悬浮物浓度均呈现正相关关系, 悬浮物浓度随着波浪和湖流的增大而增大, 但波浪是影响底泥再悬浮的主要因素, 流速次之. 建立了太湖湖流、波浪和悬浮物耦合的数学模型, 在悬浮物模型中考虑了波浪和湖流的综合影响. 并将床面层附近底泥的起悬量和沉降量分开处理, 考虑了近底水流中湍流脉动的随机特性, 引入了底泥起悬条件. 模型清楚地反映出了悬浮物中的底泥颗粒与床面层内运动底泥及床面活动底泥发生相互交换过程中的两个方面. 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. 利用该模型, 模拟了太湖悬浮物和透明度的变化规律, 模拟结果被实测值较好验证, 说明所建立的模型是基本合理的, 可用来进行太湖透明度的模拟和预测.     

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.     

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.     

太湖藻型湖区沉积物中生物易降解物质组成及分布规律

为研究富营养化湖泊藻型湖区沉积物中生物易降解有机质的组成及其垂向分布特征,选取太湖竺山湾湖滨带和开敞湖区采集沉积物柱状样,利用微电极技术测定沉积物-水界面理化指标的剖面特征,并对沉积物中含水率、烧失量、色素含量、总有机碳、总氮以及生物易降解物质（总蛋白、总糖和总脂）进行测定.结果表明：藻型湖区沉积物-水界面处溶解氧、pH和氧化还原电位在垂向剖面上呈现出随深度增加而下降的趋势,空间上存在明显的异质性,湖滨带沉积物-水界面溶解氧、pH和氧化还原电位显著低于开敞湖区,而沉积物-水界面H₂S浓度在垂向上则表现为随深度先降低而后升高的趋势.此外,藻型湖区沉积物中生物易降解有机质的组成和分布同样存在明显的空间异质性.组成上以脂类（7.7 mg/g）为主,其次是糖类（4.5 mg/g）,蛋白质（0.8 mg/g）含量最低;空间上,湖滨带沉积物中生物易降解有机质含量显著高于开敞湖区,表层15 cm以上沉积物含水率和烧失量较高,有机质含量丰富.     

太湖湖滨带类型划分及生态修复模式研究

太湖湖滨带岸线总长405 km,73%以上被防洪大堤所包围,其余部分临近山体,属于典型的大堤型湖滨带.按照湖滨带地形地貌分为大堤型、山坡型、河口型三类,根据水文条件和露滩情况,又将大堤型分为长期露滩、间歇露滩、无滩地型,山坡型分为有滩地型、无滩地型,形成6种类型的湖滨带.根据以上太湖湖滨带划分类型,结合湖滨带生境、气候、水文条件以及植被分布现状等因素,分别采取生态保育、生态修复、生态重建的对策,设计了不同类型的太湖湖滨带生态修复模式,并分别提供了形象的修复模式示意图,以期为太湖及其类似湖滨带的生态修复提供一定的借鉴.     

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.     

太湖湖体水环境容量计算

针对太湖风生流的特点,提出考虑风向风速频率修正及污染带控制的水环境容量计算方法,建立了太湖水量水质数学模型,并结合水文水质资料对流场和浓度场进行模拟和验证.在控制单个污染带面积为1～3 km2,污染带总长度为湖岸线长度10%的基础上采用该方法进行计算,计算结果更可靠.太湖CODcr的水环境容量为132727 t/a,TN的水环境容量为7700 t/a.     

Study on the simulation of transparency of Lake Taihu under different hydrodynamic conditions

It was indicated in this study that there were negative relations between the concentrations of suspended solid (SS) and transparency according to the analysis of measured data of Lake Taihu. Their relations in pervious studies were reviewed, which showed that the changes of transparency in Lake Taihu could be reflected by simulating suspended solid concentration (SSC). Measured data showed that the changes of SSC with wind speed were similar at different water depths. SSC increased with the increasing of wind speed. Both wave and lake current of Lake Taihu had positive relations with SSC. However, wave was the main factor affecting sediment suspension, while flow took the second place. In this study, a numerical model coupling lake current, wave and SSC of Lake Taihu was developed. In the SS model, the combined effects of wave and current were included. The amounts of suspended and deposited sediments near the lake bed surface layer were treated separately. The stochastic characteristics of turbulent flow pulsation near lake beds were also considered, and the start-up conditions of sediment suspension were introduced to the model. The model elucidated the mutual exchange processes between sediment particles in SS and active sediments within and on the bed surface layer. Simulated results showed that lake current had relatively significant effects on the SSC at littoral areas of Lake Taihu, while SSC at the central area of the lake was mainly influenced by wave. The changes of transparency with SSC were simulated for Lake Taihu using this model. Calculated results were validated by measured data with good fitness, which indicated that the model is basically suitable for the simulation and prediction of transparency of Lake Taihu.