基于光谱特征的长江口细颗粒泥沙絮凝体投影表面积和沉速分析

2009年5月23日-6月2日在长江口南槽九段沙水域,利用便携式地物光谱仪和现场激光粒度仪分别测量了水体光谱反射率和细颗粒泥沙絮凝体现场特性以研究两者之间的关系,测量时同步采集了水样测量悬沙浓度（ssc）。研究显示：①水体光谱反射率随絮凝体投影表面积（PSA）的增加而增大,光谱曲线在350-950nm波段间存在两个明显反射峰,分别以690～720nm和810nm波长为中心;②絮凝过程改变细颗粒泥沙的水体反射光谱特征,导致SSC与光谱反射率的相关性低于PSA与光谱反射率的相关性。PSA与波长〉715nm波段光谱反射率的相关性r〉0．7,p〈0．01;⑧可选择常用卫星遥感可见光、近红外通道范围,且PSA与光谱反射率相关性较高的波段,建立PSA与单波段光谱反射率和多波段光谱反射率组合比值的拟合关系式,其中单波段860nm（r=-0．9227,p〈0．001）和860／670多波段组合（r=0．9373,p〈0．001）的指数方程预测效果均最优;④构建了光谱反射率与絮凝体沉速间的幂函数拟合关系式（r=0．8337,p〈0．001）,为监测长江口大尺度区域絮凝体PSA和阢的空间分布和动态变化提供了一种新的方法。     

河口水体泥沙浓度的水面光谱统计模式分析

现场测量长江口Ⅱ类水体的反射高光谱,并同步获取水样、测量流速,在实验室中对所获水样的泥沙浓度进行测定。通过对试验数据的分析发现,水体反射光谱随泥沙浓度不同而发生变化,在黄绿光波段(560～720nm)和近红外波段(810nm)出现两个明显的反射峰。波长大于650nm光谱反射率和表层泥沙浓度的相关性较好,特别在690～900nm波段两者的相关系数大于075,对泥沙浓度变化较为敏感。基于最小二乘法,建立了单波段反射率与泥沙浓度关系以及波段反射率比值与泥沙浓度关系的回归方程。结果表明,670nm和715nm处单波段反射率的指数方程相关系数较高,而基于810/690波段反射率比值的二次多项式拟合方程对泥沙浓度的预测精度好于其它比值组合形式的模型。     

长江口深水航道海域悬浮泥沙光谱特性研究

 长江口深水航道治理和维护的核心问题为泥沙问题。对长江口深水航道 7 个浮标所在海域进行了不同浓度含沙水体的反射光谱测量,并且结合“长江口深水航道水文、泥沙、波浪自动遥测系统”遥测数据和野外现场取样数据,对其光谱特性进行了分析,发现这些海域悬浮泥沙的敏感波段在 730 ～ 930 nm 之间,并且 731 nm 附近的一阶微分与悬浮泥沙浓度相关性较好。在对其光谱特性进行分析的基础上,分别建立了悬浮泥沙光谱反射率、光谱反射率均值和反射率一阶微分的指数反演模型和二次反演模型,结果显示 900 nm 波长的指数模型可以较准确地定量反演出悬浮泥沙浓度。     

长江口浑浊带絮凝体特性

2005年1月,在长江口浑浊带所在的南槽水域,利用现场激光粒度仪(LISST-100),在不扰动天然细颗粒泥沙絮凝体的情况下,定点连续测量了涨落潮变化过程中表层水体细颗粒泥沙絮凝体的级配谱;并用OBS-3A和ADP同步测得表层水体的含沙量、盐度和流速.数据分析表明,在长江口浑浊带水域存在明显的粘性细颗粒泥沙絮凝现象,絮凝体的形成和破碎过程非常明显:水流动力条件直接导致絮凝体的破碎,盐水则促进絮凝体的形成;水流流速和盐度的变化分别造成了絮凝体的四分之一日和半日周期的变化,在长江口浑浊带水域盐度对粘性细颗粒泥沙絮凝的影响比水动力条件的影响更大且更快;粘性细颗粒泥沙发生絮凝现象的临界粒径为32.5μm左右.这为长江口浑浊带形成机制及长江口粘性细颗粒泥沙动力沉积过程的研究提供了依据.     

黄河高含沙水体光谱特性研究

根据野外实测资料进行的高含沙水体光谱特性研究得出:随着水体含沙量增大,光谱反射率增大,其峰值向近红外波段移动;当水体含沙量为10~(-1)公斤/米~3量级时,泥沙粒径大小对光谱反射率的影响比较显著。如泥沙粒径大于10微米的粉粒和沙粒所占比例增大时,产生非选择散射。泥沙粒径小于10微米的软泥和粘粒所占比例增大时,产生米氏散射,使400～600毫微米波段光谱反射率增大。水体含沙量在10~0～10~2公斤/米~3量级时,泥沙粒径对光谱反射率的影响为水体高含沙量本身的影响所淹没;含沙水体光谱反射率R(%)与水体含沙量(S)有较好的对数关系;分析表明:波长600～800毫微米是研究黄河高含沙水体的较好波段,900～1020毫微米(或Mss_7波段)更是判别含沙量在10~2公斤/米~3以上的高含沙水体的重要波段。     

长江口最大浑浊带表层水体悬沙粒径对离水光谱反射率的影响

利用长江口最大浊度带2008年3月和2009年5月的现场测量光谱和悬浮泥沙参数,讨论了引入悬浮泥沙粒径因子的反演模式,并尝试将絮凝体粒径参数引入模式,分析悬浮泥沙室内粒径与现场粒径对长江口表层水体离水光谱反射率的影响。结果表明,从理论分析来看,粒径对光谱产生影响的机理很明确,但采用平均粒径和中值粒径作为参数,引入经验模型,模型的精度反而降低。絮凝体粒径受到水动力和盐度影响,短周期性更强,与光谱反射率的相关关系更低。这可能与粒径分布的影响相对悬沙浓度对光谱反射率的贡献要小很多,粒径分布对光谱的影响信息极容易被掩盖掉有关。建议采用更有效的粒径描述方式,比如絮凝体投影表面积参数等以获得更好的结果。     

AlCl3、MgCl2、CaCl2和腐殖酸对高浊度体系细颗粒泥沙絮凝的影响

以细颗粒泥沙为主的河口区往往存在最大浑浊带,对高浊度体系细颗粒泥沙的絮凝研究有助于了解最大浑浊带的形成机制。本文通过实验研究AlCl3,MgCl2,CaCl2和腐殖酸四种絮凝剂对长江口细颗粒泥沙浊度变化的影响,从絮凝率、絮团粒径和Zeta电位变化三方面综合分析了四种絮凝剂对泥沙絮凝的作用机理。结果表明:1)随着金属离子浓度增大细颗粒泥沙絮凝率逐渐增大,粒径增大,而电位绝对值变小;随着腐殖酸浓度增大细颗粒泥沙絮凝率降低,粒径增大,电位绝对值增大;2)各絮凝剂单独存在时的絮凝机理与多组分复合絮凝作用机理有明显不同,C-P-OM复合絮凝模式能够较好地揭示长江口高浊度区细颗粒泥沙絮凝体的形成机制。     

粘性细颗粒泥沙絮凝沉降的初探

粘性细颗粒泥沙的絮凝与沉降问题,牵涉的生产问题比较广泛,如河口海港的淤积等.由于颗粒周围的水中存在电介质,如遇到海水,就产生絮凝团加速下沉.细泥沙产生絮凝的影响因素是很多的,但主要是颗粒表面的电化学作用.根据电化学理论,细泥沙产生絮凝的条件有二个:(i)颗粒间碰撞机率的大小,(ii)吸引势能大于排斥势能.促使悬浮泥沙颗粒间的碰撞的机理有二种:(a)布朗运动,(b)重力沉降.因为本文只分析静水的絮凝沉降,而长江口等泥沙中值粒径大于0.001毫米,属于重力沉降范畴.我们将布朗运动颗粒凝并的理论应用到重力沉降中,导得细泥沙初期絮凝时颗粒凝并数目的计算公式,从而求得凝并前与后的泥沙粒径比值和凝并后的沉速计算公式.利用连云港泥沙试验资料进行计算,与试验值比较,在含盐量较小时比较符合,并导出捕获系数比与含盐量的关系式.又利用长江口泥沙试验资料计算不同含盐量的沉速,与试验值也基本吻合.     

利用LISST观测絮凝体粒径、有效密度和沉速的垂线分布

2003年6月,利用B型现场激光粒度仪LISST_100在长江口徐六泾站定点连续观测了洪季大潮垂线细颗粒悬浮泥沙的实有粒径、体积浓度,利用OBS-3A测量现场悬沙浓度。计算了现场絮凝体有效密度和沉速。观测结果显示现场细颗粒泥沙絮凝体的平均粒径从表层到底层逐渐增大,表层为30～60μm,中层为50～80μm,底层超过90μm。絮凝体有效密度受水动力条件控制,从表层到底层逐渐减小,有效密度在532～1456kgm3之间;絮凝体的现场沉速从表层到底层逐渐加大,沉速变化范围在070～562cms之间。     

电解质对细颗粒泥沙絮凝影响的试验研究

在影响泥沙絮凝的因素中,电解质的影响是主要的,也是复杂的。为了研究电解质对泥沙絮凝的影响,取用长江口的细颗粒泥沙置于不同阳离子浓度的天然海水、人工海水、NaCl溶液和MgCl₂溶液中,并测量泥沙Zeta电位,分析其沉降速度,研究电解质种类和浓度与细颗粒泥沙絮凝的关系,并利用扫描电子显微镜观察絮凝体,从微观角度进一步验证实验结论。研究发现,电解质种类和浓度均会影响泥沙颗粒的Zeta电位,而且细颗粒泥沙Zeta电位绝对值越小,其絮凝现象越明显。     

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。     

重力坝加高结合部位粘结性能试验研究

针对水库重力式大坝加高加固问题进行试验研究,对后帮式、前帮式、外包式以及戴帽式加高方式建立实验模型评价新旧混凝土结合面的粘结性能。抗折强度试验和微观电镜试验结果表明,四种类型的加高方式,外包式的结合面最大,抗折强度最高,粘结性能最强。采用水泥砂浆处理后增多了结合面的纤维状C-S-H凝胶,增强了新旧混凝土之间的粘结性能,合理的加固方式加上结合面处理有利于提高坝体的安全性能。     

桥梁对水流的影响分析

根据哈尔滨水文水资源勘测总站实测水下地图及水文资料,针对桥梁上、下游浅滩变化,分析桥梁对水流的影响。     

稳定河床水位流量关系单值化原理

采用数理计算方法建立流量与综合落差、稳定流流量计算公式，从而使受洪水涨落和变动回水影响的非单元值的水位流量关系单值化。为精减测次、简化外业洲验，水文预报、水文及整编工作电算化提供了新的分析手段。     

In the Central Committee of the Communist Party of the Soviet Union and the Council of Ministers of the USSR

Power Technology and Engineering -     

小浪底地下厂房围岩稳定计算地质模型的研究

根据工程勘探资料,在分析小浪底枢纽地下厂房区主要结构面的分布规律及其特征的基础上,建立了几何传真概化地质模型,并采用不连续介质有限元离散化计算模型,模拟计算地下厂房围岩的应力应变。计算结果表明,所建立的概化地质模型符合实际地质状况,计算的应力分布与实测的变形特征相吻合,这与目前按常用的其它模型及连续介质计算的结果有明显不同。