水库调控下黄河口沉积有机碳的分布、来源与输运特征

黄河是全球输沙量最大的河流之一,陆源颗粒有机碳通量高。然而,近年来流域水库调控对黄河下游水文格局和颗粒有机碳输送产生了重要影响,小浪底水库调水调沙时期成为黄河水沙和有机碳入海的关键时段。为揭示水库调控对河口水动力和有机碳分布的影响机制,基于2020年7月调水期和调沙期黄河口的水动力观测结果,结合沉积物有机碳测试结果,研究了水库调控不同阶段下河口沉积物粒度参数和表层沉积物有机碳的时空分布。研究结果表明,水库不同阶段下悬浮颗粒物的物源和主要扩散、沉积区域的变化,使得黄河口表层沉积物的粒度组成特征发生明显变化;在高径流量的调水期期间,粗颗粒泥沙携带颗粒有机碳在河口距离口门12 km范围内大量埋藏,河口区域表层沉积物的有机碳含量相较于调沙期明显偏低。调水期黄河口陆源有机碳主要来自下游河床冲刷,颗粒较粗,调沙期则转变为水库释放的细颗粒有机碳和流域C₃维管植物碎屑。水库调控的不同阶段使得黄河下游河流水动力格局和泥沙运输机制改变,从而引起黄河口沉积有机碳来源和分布的显著变化。因此,人类活动对调节有机碳向海洋的输送及其在近岸海域的分布具有主导性作用。     

河口有机碳研究综述

河口作为陆地生态系统和海洋生态系统的交汇处,是陆海相互作用和全球碳循环研究的焦点之一.河口区物质来源的多样性,有机碳输入、生成、降解、再生及相互转化等行为是近年来关注的热点,国内外许多学者对河口有机碳的来源及其相互转化机制等方面开展了一系列颇具成果的研究.文章主要从判别河口有机碳来源的研究方法及其盐度、最大浑浊带、生物活动等环境因子对有机碳形态转化的影响等角度对国内外河口有机碳研究状况作了综述,并展望河口有机碳生物地球化学研究的发展趋势.     

乌江磷浓度与通量变化及来源解析

磷(P)是长江流域备受关注的污染物。乌江是长江八大支流之一,位于三峡水库近库尾江段。武隆断面是乌江入长江控制断面。对1998—2019时期武隆断面径流量、悬浮泥沙浓度(SS)与输沙量、磷浓度与通量(包括总磷(TP)、溶解态磷(DP)和颗粒态磷(PP))年际变化及季节特征进行研究,并基于河流基流分割原理对磷的来源进行了解析。结果表明,(1)1998—2019年,乌江武隆断面径流量在一定幅度内上下波动,而悬浮泥沙浓度和输沙量下降剧烈。(2)22年来,乌江TP和DP浓度与通量总体上呈先升高后下降的趋势,2009—2013年为磷污染峰值期,TP和DP浓度与通量远高于其它时期。(3)2007年是一个重要的时间节点,该节点前,TP的赋存形态以颗粒态为主,颗粒态磷在总磷中的占比均值为65%;该节点后,TP的赋存形态转变为以溶解态为主,颗粒态磷占比均值下降为16%,相应地,溶解态磷占比由35%上升为84%。水沙条件改变是磷形态发生显著变化的主要驱动力,磷污染程度亦是磷形态变化的重要影响因素。(4)磷通量在年内的季节分布发生了显著变化,丰水期磷通量减少,枯水期磷通量增加。(5)1998—2012、2009—2013和2014—2019年3个时期点源负荷占比分别为23.5%、36.8%和62.1%,呈增加趋势。(6)建议制定适宜的总磷控制目标,结合目前所存在的磷污染风险点,进一步强化监管,侧重源头治理。     

河南洛阳农田土壤中硒锌的有效态与形态关系及影响因素

农田土壤中元素的形态和有效态是评价元素活动性的重要指标。不同研究者利用有效态来代表哪几种形态大多是引用文献,两者之间的关系缺少专门的研究资料参考,影响了土地质量评价的精准度。本文按照国家相关分析标准,采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等分析方法对河南洛阳市农田土壤Se高背景区土壤中Se、Zn的有效态和不同形态进行分析,采用含量对比、相关性分析、回归分析等统计方法以及地质背景分析进行研究。结果表明,农田土壤中有效态Zn的平均含量为3.63mg/kg,高于(水溶态+离子态+碳酸盐态)Zn的平均含量2.74mg/kg,远高于(水溶态+离子态)Zn的平均含量0.42mg/kg。有效态Zn可以用水溶态、离子态、碳酸盐态Zn之和代表。在玄武岩区发育的农田土壤中有效态Zn含量为0.023mg/kg,与水溶态Zn含量0.027mg/kg相当,具有低活性特征。种植小麦的农田土壤中有效态Se平均含量为0.019mg/kg,水溶态、离子态、碳酸盐态Se含量之和平均值为0.019mg/kg,Se的有效态可以用水溶态、离子态、碳酸盐态之和代替。种植玉米、谷子、芝麻、花生、红薯的农田土壤中,有效态Se平均...     

堆石料三维形状量化及其对颗粒破碎的影响

筑坝堆石料由于尺寸较大,必须对其按一定比例缩尺后才能用来开展室内三轴试验。但缩尺前后颗粒形状难免会有差异,如何评价颗粒形状变化对堆石料变形特性的影响是十分重要的。引入了高精度的三维激光扫描技术对紫坪铺面板坝筑坝堆石料2.5～5、5～10、10～20 mm以及20～40 mm 4个粒径组的颗粒进行了空间形状分析,在此基础上进一步开展了单一粒组的三轴试验,研究了4个粒组的颗粒形状指标与颗粒破碎率的相关性。试验表明,紫坪铺堆石料颗粒破碎率随着其平均球度的增加而减小,并且呈近似半对数线性关系;随着围压的增加,颗粒形状对颗粒破碎的影响逐渐减弱,颗粒强度的影响逐渐增大。紫坪铺堆石料的颗粒强度随着颗粒尺寸的增加逐渐减小,但其破碎率反而随着颗粒尺寸的增加而逐渐减小,主要是因为试验所采用的紫坪铺堆石料颗粒尺寸越小时,其形状越不规则。因此,研究缩尺效应对颗粒破碎率的影响时,要同时考虑颗粒尺寸和颗粒形状。     

钙质砂的休止角研究与工程应用

砂土的天然休止角对土堆设计、基坑设计和边坡稳定性研判有重要的指导意义。砂土的天然休止角受土颗粒的摩擦特性、颗粒形状、粒径和含水状态等诸多因素的影响。开展了钙质砂的天然休止角试验,研究了多种因素对钙质砂天然休止角的影响规律。结果表明：钙质砂3种常见颗粒形状中,片状休止角最大,枝棒状次之,块状最小;钙质砂天然休止角随着粒径的增大而增大;当平均粒径相同时,天然休止角随着不均匀系数的增大而增大,随着曲率系数的增大而减少;通过与标准石英砂的对比试验发现,石英砂的天然休止角小于钙质砂天然休止角。对现场钙质砂边坡测量后表明,钙质砂地基经过振冲挤密后基坑开挖最大坡角略大于室内测得的天然休止角。研究结果对钙质砂土堆和基坑设计等工程实践有一定指导意义。     

颗粒离散单元法动力人工边界设置方法

采用颗粒离散单元法进行动力计算时,人工截断边界上需设置吸收边界条件,以防止波的反射。鉴于颗粒离散单元数值计算模型的人工边界上颗粒单元半径大小不一、边界面凸凹不平,在连续介质的黏性、黏弹性、自由场边界条件方程基础之上,推导出适用于离散介质的等效方程。在离散介质的黏性边界条件等效方程中引入微调系数,提出比值迭代法以快速确定其最优值,以实现对波的最佳吸收。采用二维颗粒离散单元计算软件PFC2D,分别建立黏性、黏弹性、自由场边界条件相关数值分析模型,探讨颗粒分布模式对黏性边界上颗粒单元半径、速度分布及比值迭代过程的影响;采用外源波动算例及经典Lamb问题算例验证黏弹性边界设置方法的正确性;通过隧洞算例检验提出的自由场边界条件设置方法的正确性。     

颗粒形状对碎石料孔隙特性影响研究

颗粒形状是影响碎石料孔隙特性的主要因素之一,进而影响碎石料的渗透特性和力学行为。选取粒径为2~5 mm和5~10 mm的灰岩碎石颗粒填筑试样,同时与相同级配和孔隙率的玻璃球试样进行对比研究,采用CT扫描技术和图形处理软件获取多孔介质孔隙边界轮廓,选取0.5 mm开度阈值分割孔隙;每组试样选取3张扫描断面图像,取定量参数的平均值为研究对象,对孔隙特性进行定量分析。结果表明：玻璃球多孔介质孔隙形状的复杂性甚于碎石料;玻璃球多孔介质孔隙系统的连通度大于同粒组碎石料。     

砂土颗粒三维形态的定量表征方法

颗粒形态是影响砂土力学特性的重要因素,特别是影响砂土在低应力状态下的抗剪强度、剪胀效应和临界状态行为,以及高应力状态下的颗粒破碎行为。因此,准确地重构砂粒的三维形态,并量化计算其形态表征参数是研究砂粒形态效应的前提工作。借助于高精度的CT扫描技术和图像处理技术,获得近海石英砂和风化花岗岩残积砂这两类砂土颗粒的三维形态信息。采用球谐函数序列实现两种砂颗粒三维形态的准确重构,并通过球谐函数分析计算砂土颗粒的体积来验证该方法的有效性。基于球谐重构的三维砂粒表面,提出了实用性的方法来计算砂粒的表面积、表面曲率和三维尺寸等,进而计算砂粒的三维球度、圆度和伸长率等形态表征参数。结果表明,当球谐函数阶达到15时,其重构的砂粒基本形状和表面纹理均与真实砂粒非常接近;近海石英砂在水流搬运和磨蚀的作用下颗粒形态较为规则和圆滑,球度和圆度较大,而风化花岗岩残积砂则在物理风化和剥蚀作用下颗粒形态较为复杂和粗糙,球度和圆度较小;而这两种地质作用对砂土颗粒的伸长率则没有明显的影响。     

钙质砂抗剪强度特性的环剪试验

珊瑚礁沉积的钙质砂与石英砂的物理力学性质有较大差别。对取自南海岛礁的钙质砂进行了单次往返环剪试验以分析钙质砂的抗剪强度特性,试验中考虑了相对密实度和竖向应力对结果的影响,并与相同级配和试验条件下的石英砂进行对比分析。结果表明：钙质砂正向剪切时应力-位移曲线为软化型,具有明显的残余强度特性,而反向剪切时则表现为硬化型,正向和反向剪切强度基本一致;石英砂正向剪切和反向剪切均表现为软化型。钙质砂正向剪切和反向剪切残余强度与峰值强度的比值在0.75～0.93之间;石英砂正向剪切和反向剪切残余强度与对应峰值强度的比值在0.89～0.96之间。相同级配和试验条件下,钙质砂残余强度均大于石英砂,且强度比值基本保持在1.05～1.3之间。在100、200 kPa竖向荷载作用下,钙质砂0.5～2.0 mm的颗粒发生了破碎,破碎率分别为4%和6%。