大型浅水湖泊水体对流混合速率分析

湖泊水体的对流混合是最基本的物理过程,其能显著影响湖泊生态系统温室气体等循环,但浅水湖泊水体对流混合的研究鲜有报道.本研究基于太湖(面积2400 km2,平均水深1.9 m)中尺度通量网的原位、高频、连续和多点的观测数据,分析该大型浅水湖泊水体对流混合速率w*的时空特征.结果表明太湖水体w*的均值为2.49 mm/s,因太湖的风速、水温和辐射等物理参数无空间变化,w*也无明显的空间变化.但是研究表明w*呈现显著的昼夜变化和季节变化,且昼夜变化幅度强于季节变化.总体上夜间w*是白天的4倍多,冬季w*(均值1.79 mm/s)明显低于春季(均值2.42 mm/s)、夏季(均值2.91 mm/s)和秋季(均值2.82 mm/s).太湖w*主要受风速和能量收支影响,白天风速是主要驱动因子,夜晚能量收支是主要驱动因子.     

鲫(Carassius auratus)对浅水湖泊水体浊度、营养水平和浮游生物生物量的影响——基于中宇宙模拟实验

鲫(Carassius auratus)是我国各类淡水水体的优势鱼类之一.作为底栖杂食性鱼类,一方面,鲫可以通过排泄和扰动沉积物影响湖泊营养和光照水平,通过"上行效应"促进浮游植物生长;另一方面,鲫也可以捕食浮游动物,通过"下行控制"影响藻类生长以及营养盐循环.对于浅水湖泊,两种途径对于生态系统影响的相对重要性仍有待研究.本研究设计了一个两因素户外中宇宙实验,通过在沉积物表面添加隔网的方式,比较两种情况下(能、否接触沉积物),鲫对水体浊度、营养盐和浮游生物生物量的影响.实验在16个大型钢化玻璃桶(400 L)中进行,持续36 d(2019年8月6日—9月11日).研究结果表明:1)在能接触沉积物的条件下,鲫显著促进了沉积物再悬浮,表现为水体的总悬浮物(TSS)和无机悬浮物(ISS)浓度大幅升高;水体的光衰减系数(Kd)增加,总氮(TN)和总磷(TP)浓度明显升高; 2)在不能接触沉积物的条件下,鲫对水体悬浮物(TSS和ISS)浓度和Kd的影响不明显,但是显著降低了水体TN和TP浓度; 3)在两种情况下,鲫对浮游植物叶绿素a浓度以及浮游动物生物量的影响均不显著.本研究表明鲫只有在能够接触沉积物的条件下,才会显著提高水体浊度和营养水平.因此,在缺乏沉水植被的浅水湖泊中,鲫扰动沉积物产生的"上行效应"可能是其对生态系统产生负面影响的主要途径.     

浅水湖泊湖沼学与太湖富营养化控制研究

自2007年无锡暴发饮用水危机事件以来,太湖经历了前所未有的高强度、大规模治理,各种治理措施累计投资已经超过千亿元.监测显示,在治理初期太湖的氮、磷浓度下降明显,水质有所好转,但最近几年关键水质指标总磷与浮游植物叶绿素α浓度出现了波动,蓝藻水华有所反弹.研究表明,太湖的外源负荷并没有减少,这与城镇用水量增加、污水排放标准偏低、面源污染削减不足有很大的关系;同时,内源负荷也因为蓝藻水华的持续而加重,浅水湖泊水深浅、扰动强的特点强化了磷的循环利用效率,加剧了内源负荷对湖泊富营养化和蓝藻水华的影响.气候变暖叠加营养盐富集的复合效应、流域风速下降以及暴雨事件频次和强度增加等气象水文条件变化,都促进了太湖蓝藻水华的暴发;蓝藻水华的时空分布特征则受湖泊水动力的决定性影响.太湖治理的曲折过程,凸显了大型浅水湖泊湖沼学研究的不断深入与发展,未来需要继续加强多学科交叉研究,特别是基于湖泊-流域系统的气象水文、生物地球化学和生物生态学的学科交叉.对于太湖生态环境的综合治理和管理,既要注重湖泊与流域相结合,更需要重视自然科学和人文科学的有机融合,才能真正达到控制太湖富营养化、维护流域水环境安全与社会经济可持续发展的目标.     

长江中下游浅水湖泊富营养化发生机制与控制途径初探

长江中下游地区是我国淡水湖泊比较集中的地区。该地区绝大多数湖泊为浅水湖泊,所有的城郊湖泊都已经富营养化,其他湖泊的营养状况均为中营养－富营养,处于富营养化的发展中,这些湖泊富营养化的原因同流域上的人类活动有很大的关系。一方面,工业,农业和城市生活污水正源源不断地向湖泊中排放。另一方面,人类通过湖泊围垦、湖岸忖砌,水产养殖等破坏自然生态环境,减少营养盐输出途径。国际上对于浅水湖泊富营养化治理的经验表明,即使流域上的外源污染排放降到历史最低点,湖泊富营养化问题依然突出,其原因与浅水湖泊底泥所造成的内源污染有关。动力作用导致底泥悬浮,,影响底泥中营养盐的释放,也影响水下光照和初级生产力。控制浅水湖泊富营养化,除了进行外源性营养盐控制之外,还必须进行湖内内源营养盐的治理。治理内源营养盐的有效途径是恢复水生植被,控制底泥动力悬浮与营养盐释放。而要进行水生植被恢复,必须进行湖泊生态系统退化机制及生态修复的实验研究。     

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。     

二维水动力模型的并行计算研究

建立了二维水动力并行模型;针对MPI不能实现进程迁移现状,自主开发了并行通讯平台,平台机群负载平衡采用基于蚁群算法的人工智能算法,并根据模型需要制定了相关通讯协议;对长江内江段进行数值模拟,结果表明当网格数一定时,存在一最优客户端数,当客户端数小于最优客户端数时,并行算法所需时间小于串行算法时间,并随着客户端数增加,所需时间也逐渐减少;反之,所需时间则逐渐增大。     

环状河道二维浅水流动的全隐数值求解方法

基于通用河网二维水流模式,采用全隐式矩阵追赶与回代技术,提出了环状河道单元二维数值模拟的通用模型。该模型仿照一维河网的建模方法,通过建立节点水位方程组,能方便地实现全流域二维河网或者一二维河网的隐式耦合求解。通过对长江下游南京八卦洲段分汊河道的数值模拟,表明该方法精度较高,切实有效,能满足实际工程的需要。     

极浅水边界层的沉积环境效应

极浅水环境是水深远小于正常边界层厚度的环境,潮滩滩面和潮水沟就经常处于这种环境之中。来自江苏潮滩的观察资料表明,落潮后期滩面和潮水沟在薄层低速水流作用下可形成浅水波痕、平床和次级潮水沟形态,而边界层内的流速结构仍然得以维持,物质输运强度也与Von Kármán-Prandtl模型所定义的u100数值相一致。涨急时段中潮位附近形成的滩面涌潮是极浅水边界层的另一种动力学行为,它代表薄层高速水流作用下发生的底部边界层系统的崩溃,此时Von Kármán-Prandtl模型所刻画的流速结构不复存在。滩面涌潮高度是系统崩溃的临界水深,它可以定量地表示为Hb=4z0。极浅水边界层过程对潮滩沉积和地貌形成具有独特的作用。     

浅谈摄像测量学

摄像测量学(Videometrics)是由传统的摄影测量学、光学测量与现代时尚的计算机视觉和数字图像处理分析等多学科交叉融合形成的。其主要研究如何利用摄像机、照相机等对动态、静态目标进行拍摄得到的序列或单帧数字图像。结合目标三维信息的