淡水侧向冰水界面融化现场测试和能量平衡模型

在融冰期的淡水冰层上挖凿开敞水域,连续观测气温、水温、辐射和风速风向等,采用触点测量设备监测冰-水侧向界面的融化量,获得冰-水侧向界面融化速率。根据冰层内的热量平衡过程分析冰-水侧向界面的形状变化和影响融化速率的因素。侧向融化速率受水温影响明显,风速、气温和辐射对侧边界摩阻速度和显热潜热比例具有一定的影响。黄河开河期周边的河迹湖,冰-水侧向界面热通量远大于底部热通量,从而影响区域水环境。     

盐度对冰-水侧向融化过程影响的试验研究

通过在低温实验室内开展的三组恒温实验,对不同盐度海(盐)水的冻融过程进行观测,获得了盐度与平均侧向融化速率的影响关系,明确了融化过程中水体的温-盐梯度情形。试验结果表明,海水盐度的升高促进冰的侧向融化。基于三组纯热力学试验条件下的侧向融化占比(15%～25%)结果,建立了融化速率与盐度在同等温度条件下的定量关系(R²=0.88),优化了自动观测相关试验技术,为模拟北极实际情形的海冰试验提供了有效参考。     

湖冰侧、底部融化现场观测与热力学分析

为深入了解湖冰在弱水动力条件下消融的热力学过程,在融冰期对乌梁素海湖开敞水域处冰层开展侧、底部消融的原位测量,并观测了太阳辐射、气/冰/水/泥温和风等气象及水文要素。观测结果表明冰层侧壁随深度增加逐渐向内侧倾斜融化,冰层厚度逐渐减薄;开敞水域处水温和冰温均呈分层变化,上层水温和冰温日变化幅度较大。通过分析冰层侧、底部融化速率与气象及水文要素之间的变化关系,建立了用净太阳辐照度和水温来表达融化速率的参数化模型。冰底热通量是一项重要的热力学参数,基于冰底薄层的能量平衡,利用观测数据确定了开敞水域处冰层的平均冰底热通量,为11.47~135.61W·m~(-2),表明冰下水体不断向冰层传递热量。     

城市合流排水管道水-沉积物界面污染研究进展

城市合流排水管道中水-沉积物界面物质在雨水径流的冲刷作用下会将其中的污染物重新释放排入受纳水体,成为水体面源污染的重要来源。综述国内外对水-沉积物界面物质的组成、污染特性及模型模拟方面的研究进展。将水-沉积物界面污染物分成有机层、近床固体层和流动泥沙层，其中有机层和近床固体层有较高的有机物含量和含水量,流动泥沙层含有较多的挥发性物质。研究表明：水-沉积物界面物质抗侵蚀性微弱,含水量是影响其剪应力的最重要因素；已有水-沉积物界面的模型模拟研究主要集中在利用模型预测近床固体对初期冲刷的污染贡献、有机层的污染物侵蚀量和近床固体层的生物降解量等。认为今后应加强对水-沉积物界面污染特性的研究，建立适合本地的水-沉积物界面污染贡献模型。     

沉积物-水界面磷负荷控制材料研究进展

原位覆盖技术广泛应用于沉积物-水界面磷等营养物质的阻控,而磷负荷控制材料是决定原位覆盖抑制磷释放效果的关键因素。从沉积物-水界面磷负荷控制材料的分类比较、改性方法分析、性能状况表征及效果评价4个方面,全面梳理磷负荷控制材料的研发与应用进展,并尝试从材料的功能优化、效率提升及工程实践等方面,探讨提出沉积物-水界面磷负荷控制材料的发展方向建议,旨在为新型高效多功能可回收沉积物-水界面磷负荷阻控材料的研发及应用提供参考。     

摇蚊幼虫扰动对沉积物-水界面结构特征的影响

以摇蚊幼虫为研究对象,通过对不同时段摇蚊幼虫扰动下沉积物的测定,探讨生物扰动下沉积物-水界面含水率和烧失量的变化规律以及粒径垂向分布规律。结果表明:在实验初期,摇蚊幼虫的扰动改变了沉积物的含水率,到了实验的中后期,摇蚊幼虫的活动趋于稳定,含水率变化较小;摇蚊幼虫的扰动增加了沉积物的有机质质量百分比;摇蚊组实验前后沉积物颗粒的粒径变化较大,其中黏粒分布变化最大。     

现代沉积物-水界面营养盐迁移模拟实验的最佳取样深度优选

现代沉积物-水界面处营养盐的迁移转化规律是当前富营养化水体防治研究的热点,在室内、外模拟实验中,最佳取样深度的确定是一个关键环节。文中采集滇池现代沉积物和水体作为实验对象,通过室内柱状试筒的模拟实验,以确定不同约束条件下统一的最佳取样深度。通过对4次历程实验采集水样中各种形态的氮、磷浓度的对比分析,发现各编号试筒第一次水样（即取样深度为水面以下15cm和7．5cm）中各种形态氮、磷浓度均为各次取样中的最大浓度,误差控制效果最佳。对于水样中各种形态的氮、磷含量而言．编号为I1、I2、I3、I5、I6试筒水面以下15cm的水样浓度值最具代表性;编号为I4试筒水面以下7．5cm的水样浓度值最具代表性。提出在此后的模拟实验中,水面以下10cm处是最佳取样深度。经后续实验证明,该深度代表性较好。     

分层小水库沉积物-水界面热交换时空变化特征

通过对分层小水库沉积物和上覆水温度剖面的7次监测,计算沉积物-水界面的热交换通量,探讨沉积物与水之间热量交换的时空变化特征。结果表明:沉积物-水界面热交换通量具有明显的季节变化,在春夏季库水升温分层以及秋季降温混合时期由库水向沉积物传递热量;冬季由沉积物向库水释放热量。浅水区水温的日变化促使沉积物-水热交换具有明显日变化特征。库区内由于水深不同,热交换特征也存在空间差异,与坝前相比,水库中心水深较浅,春季热交换方向转变的时间早;水库中心夏季由水传向沉积物的最大热通量(106. 6 W/m2)高于坝前深水区(23. 8 W/m2)。夏季当水体透明度较高时,沉积物直接接受太阳辐射引起热交换方向改变为由沉积物向水传递。     

基于涡动相关法的沉积物-水界面氧通量与水动力条件响应关系

沉积物-水界面是物质参与环境地球化学循环和生物耦合的"热区",水动力条件是沉积物-水界面物质交换的关键影响因素。溶解氧作为常用的水质评价指标,对调节生物化学进程有重要作用,因此本文采用涡动相关法这种非侵入式通量测量技术开展室内试验研究,探究沉积物-水界面氧通量与水动力条件的响应关系。结果表明:随着水体紊动增加(采用Batchelor尺度表征),扩散边界层厚度减小,氧通量增大。分析室内试验和相关研究中水动力条件、扩散边界层厚度及氧通量的关系,发现扩散边界层厚度与Batchelor尺度呈正相关关系,拟合结果表明可以用Batchelor尺度近似表示扩散边界层厚度;氧通量与扩散边界层厚度呈负相关关系,且当扩散边界层厚度小于0.5 mm时,扩散边界层厚度变化对氧通量影响更强烈,当厚度大于0.5 mm后,氧通量基本保持稳定。     

乌梁素海重金属在冰-水介质中迁移的微观机理

为探究乌梁素海重金属在冰-水介质中迁移的微观机理,对冰封期乌梁素海不同重金属(Fe、As、Cr、Cu、Zn、Mn、Cd、Hg、Pb)水样进行室内单向结冰模拟,总结重金属在冰体和冰下水体中的分布特征,并根据第一性原理进行结合能计算,从结合能的角度分析其微观机理。结果表明：各重金属与水体的结合能均大于与冰体的,表明重金属在水体中比在冰体中更稳定,驱使重金属从冰体向冰下水体迁移。     

水塘静水冰生消过程及冰盖演变的原型试验

为研究静水冰生消过程及冰盖演变规律,于2014年11月中旬至2015年3月中旬对内蒙古自治区托克托县南湖水塘的冰情变化进行原型试验,研究不同时段气温、不同水深对静水冰生消过程、冰盖演变及水温分布、冰面温度的影响。试验结果表明:气温是影响静水冰情的主要因素,在冰盖增长期,冰厚与累积日均负气温线性相关;冰盖不稳定变化期和消融后期,冰厚及冰盖增长率主要受时段气温影响;水深对最大冰厚和冰融化消失时间有影响,对冰盖演变过程的影响不明显;气温变化对表层水温的影响较大,对深层水温的影响相对较小;冰面温度与气温变化同步。     

抚仙湖水温与气象因子的关系研究

结合抚仙湖水温观测资料,探讨了水温与气象因子的相互关系。通过研究水温与自然环境因子的关系,发现其与气温、相对湿度、风速等气象要素关系密切,最终建立了三者之间的函数方程式,提出了一种利用气象因子估算抚仙湖表层水温的公式。     

二维流冰消融数学模型

本文采用水深平均κ－ε以方程紊流模型与流冰扩流体模型首次推出了适合于天然实际工程水域复杂条件的紊流流冰消融数学模型。模型还利用离散型动态边界拟合坐标变换系统以适应天然水域的不规则边界与复杂流态，对天然流场中常出现的露滩、断流、动态水边界及几何曲率影响等特殊数值计算问题的处理颇有实效，具有较大的实用价值。本文以丹东电厂温排水缓冰工程为例验证了数学模型。     

Modeling of thermodynamics of ice and water in seasonal ice-covered reservoir

A width-averaged 2-D numerical model for simulating vertical distributions of flow and water temperature in reservoirs with an ice cover is developed. In this model, the 2-D flow and water temperature distributions are solved by the finite volume method with the k-? turbulent model. The heat conduction in the ice cover is modeled by the vertical heat transfer and the heat exchanges through the air-ice and ice-water interfaces. The model is applied to a 153 km long reservoir in Songhua River and the simulated results are in a good agreement with the field data of both the vertical water temperature and the ice thickness. The simulated results show that the ice cover thickness in the reservoir is not uniform, the maximum thickness appears in the middle reach, the outflow temperature has an obvious variation as compared with the natural temperature, and a buoyant flow occurs in the reservoir surface at the freeze-up and break-up periods. The model can effectively simulate the water temperature and the ice conditions of large reservoirs in cold regions.     

糯扎渡水电站叠梁门试运行期实测水温与数值模拟水温对比分析

为尽量发挥分层取水措施的生态效益和电站的经济效益,将糯扎渡水电站叠梁门试运行期实测水温与数值模拟水温进行对比,发现:(1)2015年、2016年4—8月坝前库区实测的表层水温与数值模拟的表层水温有-16%~29%的偏差;(2)糯扎渡电站坝前库区实测水温分层状况和数值模拟结果一致,属全年分层型,但试运行期间水温分两层的时段约为4个月,水温分层厚度与数值模拟的分层厚度存在差异,而且4—8月中、上层的实测水温高于数值模拟水温;(3)数值模拟预测过高地预判了电站汛期水库蓄水位,从而过高地估计了4—8月的下泄水温影响,过低地预测了分层取水措施的升温效果;(4)设计推荐的叠梁门运行调度方案总体可行,但可能偏保守。根据上述对比分析结果,建议充分利用实测水温数据,对叠梁门设计进行效果评估,进一步优化分层取水措施设计并完善叠梁门运行调度方案。     

冬小麦冠气温差及根层土壤含水量的频谱分析

本文用频谱分析的理论和方法，对冬小麦冠气温差和根层土壤含水量进行了分析，分析表明，作物冠气温差在田间一个方向为平稳随机过程，且有某种周期变化的特征。通过信号检测发现，作物冠气温差可用５个频率的周期函数表示，并得知，作物冠气温差与根层土壤含水量之间存在某种相关关系，根层土壤含水量可用作物冠气温差的线性滤波函数描述。     

渡槽水体的热交换及水温和含冰率的时空变化

渡槽是一种高架空中的输水建筑物,冰期易于形成产冰场,可能导致下游发生冰塞灾害。考虑渡槽外壁与大气的热交换,包括太阳辐射、外壁和大气的长波辐射、地表的长波辐射和反射及对流等因素,提出了渡槽外壁温度及水体与渡槽热交换的计算模型。建立了冰期渡槽水温时空变化的一维数学模型,采用特征线方法得出水温随时间和离开渡槽进口距离的增加呈指数规律变化的重要结论。在此基础上,导出了渡槽含冰率与负水温成正比的理论公式。算例表明,如果忽视水体与渡槽的热交换,则可能导致计算冰情远远偏离实际情况的结果。     

太阳辐射和地温对冰盖下水温的影响

太阳辐射可以透射穿过雪盖和冰盖与地温一起影响冰下水温的变化,加剧冰盖底部的融解和冲蚀,使得冰盖更易于崩溃开河。基于现有理论和原型观测研究成果,建立了描述太阳辐射在雪盖、冰盖和水体中的透射和吸收规律的数学模型;利用观测数据回归分析的方法,提出了太阳辐射可见光在水体中消光系数的参数化模型;然后研究了冰下水温的变化与太阳辐射和地温的函数关系。研究证实,冰下水温随太阳净辐射和地温的增加而升高,随雪厚和冰厚的增加而下降,并且与水体与冰盖的热交换系数成反比。此外,太阳辐射的透射可能使得开河期冰盖糙率不是减小,而是增大。     

南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究

南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理,是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。本文基于2011—2023年中线干渠连续12个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料,分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律,明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素,针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。分析表明：通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短,冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段,冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段,多年平均冰厚15 cm,历史极端冰塞厚2.9 m,冰凌壅水最高值0.73 m;干渠冬季水温由南向北递减,依次出现岸冰、流冰和冰盖,日均气温转负后相应的断面平均测量水温在2.5、1.0和0.25 ℃左右,且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关,即增大输水流量可减缓水温下降速度;影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速,典型年如2016年的严重冰情与1月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关,漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。基于上述分析,未来可考虑结合气象、水情、冰情实时监测和智能预警预报,建立水温-水量-水力协同调控和动态调度技术体系,重点从缩短冰期输水时长、降低冰情影响范围、优化关键控制指标和挖潜渠道防冰塞性能等多方面全面提升南水北调中线工程冬季输水能力。