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.     

风浪扰动引起湖泊磷形态变化的模拟试验研究

为了解一次完整的大风浪过程(包括风浪扰动及扰动后的静风期)水体中各形态磷的变化情况及其影响因素,进行了室内模拟风浪扰动的试验研究。结果显示大风浪扰动初期水体中悬浮物(SS)、总磷(TP)、颗粒态磷(PP)和溶解性总磷(DTP)的浓度大幅增加,扰动持续半天后水体SS、TP、PP的浓度均达到最大值,扰动停止后,至少需要10d时间水体中SS、TP、PP的浓度才能回复到扰动前水平;扰动期间水体DTP浓度居于高值,但风浪停止后立即降低;整个风浪过程水体中溶解性反应磷(SRP)浓度变化不大。试验表明,扰动初期沉积物中Fe、Mn结合态磷能快速释放到水体中,但随着扰动的持续,水体复氧,释放到水体中的溶解性活性磷又能与Fe、Mn结合随悬浮物沉降到水底。扰动期间及随后静置1d时间内,水体中悬浮颗粒物的中值粒径连续下降,意味着悬浮颗粒物对磷的吸附能力在不断增强。但水体静置较长时间后,扰动引起的悬浮物几乎全部沉降,絮凝等作用导致水体颗粒物粒度增大。本研究说明虽然大风浪扰动初期能引起浅水湖泊中颗粒态和溶解态营养盐浓度的迅速提高,能够为水华蓝藻的快速生长提供大量可直接利用或酶解的营养盐,但随着风浪扰动的持续,由于水体复氧、水中颗粒物粒度不断细化、颗粒物中的有机成分比例不断增高等,悬浮颗粒物对活性磷的吸附能力也相应提高,两种作用相互削减使得风浪扰动后期水体活性磷浓度的增幅并不明显。     

吹填泥浆中土颗粒沉降-固结规律研究

吹填泥浆中土颗粒沉降-固结过程十分复杂,其中土颗粒的沉降固结规律并不明确。室内沉降试验采用一种改进的方法--分层抽取法,先得到土颗粒体积分布规律,再利用体积通量函数法计算不同粒组颗粒平均沉速。计算结果表明,吹填泥浆在沉降过程中会出现3个区域,分别是干涉沉降区、絮体压缩沉降区和自重固结区;在沉降初期0～1 h和1～7 h内,干涉沉降区内土颗粒沉速远小于Stokes公式沉速计算值,颗粒沉速分别与颗粒直径的0.488 1和0.111 7次方有关。絮体压缩沉降区和自重固结区内颗粒基本不出现分选现象,均属于泥浆颗粒的沉积物;该试验中絮体压缩沉降区的密度约为1.04 g/cm3。     

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。     

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.     

含离子浓度参数的粘性泥沙沉速公式研究

以长江为例分析了河流中的水化学特性,得出河流中影响粘性泥沙沉速的主要是Ca2+。阳离子影响泥沙沉速的主要原因是粘性沙的絮凝。对泥沙絮凝沉降过程进行理论分析,推导出絮凝沉速与离子浓度之间的关系式。并且根据试验结果确定以Ca2+浓度为参数时经验关系式中的系数值。用实测的沉速对絮凝沉速公式进行了初步的验证。验证结果表明,用张瑞瑾沉速公式计算结果与实测结果相差很大,而絮凝沉速公式计算结果与实测结果相符合。     

渤海湾盆地中北部沉降史分析及裂后期异常沉降分离

为了探究渤海湾盆地新生代沉降过程与西太平洋板块俯冲过程的对应关系,作者收集整理27口钻孔和1条地震地质 剖面数据,并运用回剥技术和应变速率反演方法,模拟出渤海湾盆地中北部裂陷期地壳应变速率变化,分离出裂后期异常 沉降。模拟获得裂陷期地壳应变速率曲线具有明显的三次大的波动,可指示三次构造沉降事件：裂陷Ⅰ幕（60~42 Ma）,对 应于渤海湾盆地孔店组-沙四段沉积过程,平均构造沉降速率为4.6 m/Ma;裂陷Ⅱ幕（42~36 Ma）,对应沙三段-沙二段沉 积过程,平均构造沉降速率为5.5~30.5 m/Ma;裂陷Ⅲ幕（36~24.6 Ma）,对应于沙一段-东营组沉积过程,平均构造沉降速 率为14.7~54.7 m/Ma。研究区内裂后期观测构造沉降与模拟的理论值存在明显的差异,即存在异常沉降。盆地北部异常沉 降值在100~200 m,中部渤海海域异常沉降值在500~700 m,裂后期异常沉降向海域增大。作者推测渤海湾盆地裂后异常沉 降主要是太平洋板块俯冲诱发的深部地幔物质流动导致向下拖拽力引起的。因此,渤海湾盆地中异常沉降可能是一种动力 沉降。     

颗粒沉降的格子Boltzmann模拟与PIV实验验证

在格子Boltzmann方法中引入大涡模拟,对球形颗粒在静水中沉降引起的紊动流场进行了数值模拟。数值模拟沉速与理论值以及粒子图像测速系统(PIV)实验结果吻合,验证了模型的合理性。同时分析比较了颗粒沉降过程中尾部紊动流场分布以及尾流流速值,发现数值模拟结果与实测结果趋势、数值基本一致,进一步说明了利用格子Boltzmann方法与大涡模拟技术相结合可以合理模拟泥沙颗粒在紊流区的沉降。     

AlCl3对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响

铝类絮凝剂对细颗粒泥沙絮凝沉降有重要作用,常应用于浑水澄清、农业污水处理等研究中。在AlCl₃浓度为0～1.7mmol/L,泥沙浓度为10g/L时,用吸管法研究了AlCl₃对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响,结果表明:在液面下同一深度,泥沙浓度随时间呈指数衰减;悬液经多次搅拌后再沉降,其沉速减缓;当AlCl₃浓度为0.9～1.7mmol/L时,出现明显的清浑水交界面,交界面随时间等速下降,平均沉速为4.756cm/min,对应的絮团平均粒径为0.0315mm;土娄土絮凝临界粒径为0.027mm。     

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。     

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.     

Simple approach to estimate flocculent settling velocity in a dilute suspension

A new and simple approach for estimating the flocculent settling velocity of fine suspended particles is presented. The simplified formula has been derived based on a one-dimensional vertical continuity equation and an empirical flocculation equation. The resulting flocculent settling velocity (V_s) is expressed as a function of time, depth, and constants. Depth averaged settling velocity ( _s) is also derived by using the formula proposed. To estimate the order of magnitude of flocculent effects on settling, iso-settling velocity lines are constructed. The effects of initial concentration and ionic strength on flocculent settling velocity are investigated. The results show that as the ionic strength and suspension concentrations increase, flocculent settling velocity also increases due to inter-particle collisions and increased cohesion in suspension.     

应用MODIS影像估测太湖水体悬浮物浓度

以太湖为研究区域,同步获取悬浮物浓度实测数据、水体反射光谱数据和MODIS卫星影像数据,构建基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)的悬浮物遥感估测模型.为了削弱大气效应,对MODIS影像了进行了粗略大气纠正.通过悬浮物特征光谱分析,将MODIS各敏感波段及波段组合与悬浮物浓度实测值进行相关分析,并应用实测光谱数据进行验证.在此基础上,运用回归分析建立半经验反演模型,并对模型进行了评价和应用.研究结果表明,MODIS影像可以很好地对大型内陆湖泊的悬浮物浓度进行遥感估测.250 m波段2 500 m波段4与1 000 m波段14是探测悬浮物的敏感波段.波段组合上,500 m组合因子r4/r3、r4-r3估测悬浮物含量的精度很高,适于构建反演模型;1 000 m波段8、11、131、4的多元组合也是构建模型的较好选择(R2均不低于0.85).     

Particulate matter grain-size characteristics and flocculation in a partially mixed estuary

The concentration and grain size of the natural and deflocculated inorganic suspended particulate matter were measured along the length of the Miramichi Estuary and interpreted with respect to flocculation and transport properties. Changes in particulate matter concentration are associated with regular changes in grain-size characteristics. In the turbidity maximum region of the estuary the suspended matter occurs mostly as large flocculated particles whereas, in the waters with lower particle concentrations, a larger proportion of the material occurs as fine material. At higher concentrations natural floc modes and inorganic grain modes vary simultaneously but at low concentrations the two modes vary inversely. This modal relationship and the variation in organic matter within the estuary is proposed to result from variation in inorganic—organic composition of flocs. Increase in settling rates due to flocculation is believed to increase the trapping effect of the estuarine circulation that produces the turbidity maximum.     

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。     

Effects of concentration-dependent settling velocity on non-equilibrium transport of suspended sediment

In this study, non-equilibrium transport of suspended sediment from one equilibrium state to another is investigated. Based on a convective-diffusion equation, a numerical model for flow with suspended sediment is developed by considering the effect of concentration-dependent settling velocity. The numerical model is validated by comparing analytical solutions and experimental results. The concentration profiles, mean concentrations and distance necessary to reach a new equilibrium state are examined by comparing them with the results of constant settling velocity. For a high concentration flow, the results indicate that evident differences between the above three indicators can be determined with and without concentration-dependent settling velocity. Additionally, the effects of concentration-dependent settling velocity are sensitive to the sediment mobility parameter (or Rouse number), although they are nearly independent of the diffusion Reynolds number.