太湖湍流特征及其对表层沉积物起悬机制的影响

太湖是一个典型的浅水大湖泊且富营养化严重,动力扰动引起的水-土界面沉积物起悬与太湖蓝藻水华的暴发有密切联系。基于声学多普勒流速仪、OBS浊度仪、pH-ⅡHandheld手持式气象站等仪器监测得到的原位高频气象、水动力、水质同步数据,分析了湖泊水-土界面悬浮物浓度与风速、切应力及湍流特征的关系。研究结果表明:观测期间,湖心区底泥沉积物再悬浮过程中由波切应力起主导作用,观测的切应力临界值为0.08 N/m~2,临界风速为4 m/s。底泥再悬浮主要是由拟序结构中短时内间歇性猝发引起的,短时大振幅事件对底泥垂向扩散起关键作用。研究结果可为进一步研究与湍流密切相关的太湖内源释放发生机制提供参考。     

太湖湖流、波浪、沉积物的三维数值模拟

运用ECOMSED模拟风速为6.5 m/s定常东南风作用下太湖流场及波浪场,对模型的适用性及可靠性进行验证;在此基础上进行波流共同作用下沉积物再悬浮数值模拟,得出沉积物-水界面切应力及水体中悬浮物浓度分布。结果表明:太湖有效波高范围在9~29 cm之间,有效波高的空间分布与风速、风向和水深有很大的关系,同时波浪对切应力会产生很大影响,而切应力的分布决定了悬浮物浓度的分布,风浪及地形要素是导致太湖悬浮物浓度变化的重要因子。模拟结果与现有实验成果较吻合,说明运用该模型模拟太湖沉积物再悬浮的结果可靠。     

潮汐作用对通江湖泊重金属镉的三相分布特征影响

为研究不同水动力扰动下金山湖重金属的三相迁移转换机制,采用环形水槽模拟湖内水流过程,进行重金属迁移模拟试验,并利用二维水流、悬浮物、重金属耦合水环境数学模型分区模拟金山湖一个全日潮镉迁移过程。结果表明:中高扰动强度下,水深越小,沉积物起悬强度越大;水深一定时,扰动强度增加,沉积态镉与溶解态镉均呈现下降趋势,悬浮吸附态镉则呈现上升趋势;低扰动强度时,镉的三相交换规律不明显,但沉积态镉较为稳定。在每个湖区内部,三态浓度大致呈两波峰两波谷趋势;从全湖来看,沉积态镉与溶解态镉变化趋势相近,且与悬浮态镉变化趋势相反。研究成果对于进一步揭示通江湖泊重金属迁移运输机制具有参考价值。     

水动力作用下太湖底泥的再悬浮通量

对太湖梅梁湾水体开展了两次野外实验,利用沉积物捕获器收集沉积物,研究了太湖悬浮物的沉降特征,计算了悬浮物的沉降通量和再悬浮通量,并建立了其与风速的关系。结果表明：太湖无机颗粒沉降是悬浮物沉降的主要形式。太湖平均风速在8m/s以内时,总悬浮物、有机物颗粒和无机物颗粒的沉降通量和再悬浮通量均呈现随风速增大而增大的特性,风速大小直接影响悬浮物在垂向的分布及垂向的沉降通量分布,并且相关性较好。该结论说明Gansith公式法适合于计算太湖再悬浮通量。     

调水工程对过水性湖泊中污染物迁移转化的影响

调水工程是缓解水资源时空分布不均以及用水供需矛盾的主要工程措施，也是生态环境的重要修复手段。但调水工程的介入会对沿线过水性湖泊产生复杂的物理、化学、水文、微生物等影响，进而对湖泊污染物迁移转化机制造成影响。综述了不同引调水方案对过水性湖泊水体水动力、理化性质(悬浮颗粒(SPM)、透明度(WT)和溶解氧(DO))以及污染物(营养盐、重金属和有机污染物)迁移转化规律影响的研究进展。结果表明：调水工程的介入通常会增强过水性湖泊的水动力条件，且调度流量越大、湖泊水体越浅，则流速梯度和水流切应力越大。同时，增大的流速和切应力会影响上覆水体中SPM的形态特征，并增大SPM浓度、DO及小型湖泊中的WT。此外，引调水虽然能减小湖泊平均水龄，促进湖泊水体循环，但也会刺激湖泊营养盐、重金属和有机污染物的内源释放。因此，引调水工程可作为紧急情况下的应急措施，但并不能成为解决湖泊富营养化问题的根本措施。研究结果可为全面评估调水工程对湖泊水生态的影响以及制定更合理的引调水方案提供参考。     

武汉城市湖泊汞的迁移与富集

对武汉远郊、城乡结合部和市区3种环境中6个湖泊的水、界面水、沉积物和生物(鱼)进行调查采样,用离心机离心出沉积物中的孔隙水,用原子荧光光谱仪进行汞含量测定。以土壤—水—界面水—孔隙水—沉积物—生物为轴线,探讨了汞在研究区土壤—沉积物系统、湖水—沉积物系统和湖水—界面水—孔隙水系统中的分配以及湖泊鲢鱼肉中汞与沉积物和水中汞的关系。建立了武汉城市湖泊汞的迁移、富集理想模式:湖泊水汞经悬浮物吸附沉淀而富集于沉积物中,沉积物中汞经化学转化传输给孔隙水;存在于悬浮物中的界面水汞,经解吸附后向湖水扩散而产生二次污染。湖水汞被鱼吸收而产生生物富集。从而得出湖水—界面水—孔隙水—沉积物、湖水—鱼的两种富集机制。     

水流与壁面间切应力估计方法的比较研究

精确估计水流与壁面间切应力在泥沙输移和水利工程安全方面具有重要意义。通过选取并整理文献数据,对现今七种主要的水流与壁面间切应力的估计方法在不同雷诺数的条件下进行评价和比较,发现总体上湍流动能外推法和雷诺应力外推法估计壁面切应力的可靠性和精确度最高,平均相对误差分别为3.2%和5.2%。湍流能量法、湍流动能法和雷诺应力法次之,以壁定理的精确度最低,但其所需的数据较容易获取。二阶应力法的精确度取决于阻力系数的取值。其中,壁定理和二阶应力法的估计值偏高而更加安全,湍流动能外推法的估计值较为准确,而其余方法给出的估计值偏低。所得结果对不同条件下水流与壁面间切应力估计方法的选择以及直接测量仪器的校准有一定的参考价值。     

风浪对浅水湖泊水质的影响机制

以太湖重要的浅水湖湾——东太湖为例,应用经典风浪经验公式,将风速转化为浪高,以直接体现风浪强度,在分析其与污染底泥卷起、水质指标相关关系的基础上,对风浪影响湖区水质的机制进行进一步探究。结果表明:随着风速、浪高的增加,水体浑浊度增加,偏北风作用下湖区浑浊度更高;DO的质量浓度呈降低趋势,全年浓度呈现冬季偏高而夏季偏低的规律;COD的质量浓度呈增加趋势,全年浓度呈现冬季偏高而夏季偏低的规律;TN的质量浓度与风速相关关系不明显,全年浓度呈现夏季偏高而冬季偏低的规律;浑浊度与COD存在较好的相关性。确定风浪对湖区水质的影响机制,旨在为针对性地制定湖泊水质改善措施提供技术支撑。     

太湖沉积物的分布和动力扰动下最大侵蚀深度的确定

利用 2 0 0 2年对太湖沉积物空间分布的调查数据 ,将太湖划分成 69× 69个网格 ,利用最优插值法对整个太湖的沉积物总量进行了计算 ,得出太湖沉积物的蓄积量大约在 1 8 5 7亿m3左右 ,主要分布在西部沿岸和北部的梅梁湾 ,在湖心和东太湖 ,沉积物覆盖量很小 ,有泥区面积占整个水面积的 47 45 % ,在 60 %的有泥区中 ,沉积物厚度集中在 2 5m以下 ,小于 5 0cm和大于 3 5m的有泥区面积所占比例不大。此外 ,利用Shields方法计算了太湖沉积物上层 1m内不同深度上的临界切应力 ,采用SMB浅水波动模式 ,计算了夏季受东南风和冬季受西北风影响下的波切应力值 ,确定了不同扰动所能引起的最大侵蚀深度。计算结果说明 ,无论上述何种风向情况下 ,能产生悬浮的临界风速大约在 5 0m s左右 ,当风速大于临界风速时 ,悬浮深度随着风速的增加而增大 ,当风速达到 2 0 0m s时所能引起的最大侵蚀深度均在 3 0cm左右。     

湖泊底泥絮凝沉降试验研究

湖泊底泥的运动过程产生了内源污染,加剧了湖泊生态环境的恶化。研究湖泊底泥在风浪作用下悬浮后再沉降的运移规律,可为了解湖泊水质变化成因以及开展生态环境治理提供技术支持。本课题采用有机玻璃制作的沉降桶,在静水条件下对太湖、龙感湖、巢湖的底泥进行了沉降试验,研究3个湖泊的水体在不同初始含沙浓度和不同水深条件下含沙浓度的变化,分析了3个湖泊淤泥的沉降规律,近似代表天然湖泊的底泥运动状态。试验研究表明3个湖泊水体中悬浮泥沙的沉降均为絮凝沉降,其沉降过程和沉速与单颗粒泥沙相比均发生了量和质的变化,悬浮泥沙絮凝平均沉速随沉距、含沙浓度的增大而增大。最后得出3个湖泊底泥的沉降速度,其研究结果可为采用絮凝沉降法改善水质环境提供参考依据。     

湖泊水体营养状态对沉积物好氧氨氧化菌异质性的影响

采用荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction)和末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)方法,对江苏7个湖泊沉积物中好氧氨氧化微生物进行分析,研究湖泊水体营养状态对沉积物好氧氨氧化微生物空间异质性的影响。综合营养指数分析结果表明,23个采样点中,61%的湖区为中营养状态,39%的湖区为轻度富营养状态。荧光定量PCR分析结果显示,每克底泥中氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)amo A基因拷贝数虽然分别从中营养湖泊的3.91×10~6和3.82×10~6上升到轻度富营养湖泊的1.30×107和6.07×10~6,但湖泊水体营养状态并未显著影响沉积物AOA和AOB的丰度。T-RFLP分析结果表明,湖泊水体营养状态对AOA和AOB的优势种属及群落多样性也未产生显著影响。典范对应分析结果表明,湖泊水体营养盐浓度能解释AOA的群落结构差异的56.3%,而仅能解释27.2%的AOB的群落结构差异,TN和NO-3-N浓度是影响沉积物AOA分布异质性的主要环境因子,湖泊水体营养盐浓度比综合营养状态指数更能影响AOA和AOB的群落结构组成。     

太湖长兜港固体悬浮物再悬浮的室内模拟

定量研究浅水湖泊动力扰动与沉积物再悬浮的关系,目前仍是湖泊研究中的难点之一。实验利用再悬浮发生装置,对太湖长兜港沉积物风浪扰动进行室内模拟,建立扰动强度与有效波高之间的关系,定量分析风浪对太湖水体中悬浮物的影响及固体悬浮物在水体中的垂向分布,初步得出风浪对太湖沉积物扰动深度一般在毫米级的结论。     

浅水湖泊沉积物-水界面可交换态氮赋存特征

以可交换态氮(EN)为主的负荷是湖泊水质的决定参数之一。以里下河地区受到不同人类活动方式影响的九龙口、大纵湖、蜈蚣湖和得胜湖4个浅水湖泊为研究对象,通过现场调查采样与实验测试方法,分析其沉积物-水界面中总氮(TN)和EN的分布特征。结果表明,EN的分布受人类活动方式影响明显;沉积物中的生物和微生物活动频繁,上覆水、间隙水和沉积物中的EN含量较低。另外,沉积物-水界面处的氧化还原条件对表层沉积物中EN的分布也有影响。     

环境微界面对湖泊内源磷释放的影响研究

为揭示湖泊内源污染物释放的发生机制,从环境微界面角度出发,研究湖泊水-沉积物界面三相结构模式中磷的界面反应过程。利用微电极系统获取微界面溶氧浓度剖面,并结合Profile模型进行分析计算。计算结果表明：该湖湖心区沉积柱含氧层厚度达5mm,而湖口区则不到3mm,湖心区微界面上氧气消耗主要以自由扩散为主,而湖口区受微界面上微生物活动影响较大。同时利用梯度扩散薄膜技术获取了水-沉积物界面上分辨率高达1mm的可溶性活性磷剖面浓度分布,结果表明,在湖口区沉积物表层2cm处有强烈磷释放现象,而在湖心区则未发现,这可能     

武汉市湖泊中重金属污染状况

鉴于重金属元素的生理毒害作用,选择武汉市区、近郊、远郊六个代表性湖泊水体研究其水、沉积物、鱼样品中主要毒害重金属元素Hg,Cd,As,Pb,Cu,Cr,Ni,Zn的污染状况。采用原子荧光测试样品中Hg含量,其他元素用ICP-MS测试。结果表明:市区湖泊水、沉积物及鱼中重金属含量多数明显高于郊区湖泊,其中水及沉积物中重金属含量与研究区相应环境背景值对比有显著富集,但湖泊水中重金属含量大多可满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质要求,鱼中重金属含量也可满足相应GB 2736—1994《淡水鱼卫生标准》。市区湖泊与郊区湖泊样品重金属污染程度对比而言,市区湖泊明显表现出受到一定人为污染影响。     

环境微界面对湖泊内源磷释放的影响研究

为揭示湖泊内源污染的微界面环境行为及机制，从环境微界面角度出发，研究湖泊水-沉积物界面三相结构模式中磷的界面反应过程。利用微电极系统获取了微界面溶氧浓度剖面，结合Profile模型进行了分析计算。结果发现，玄武湖湖心区沉积柱含氧层厚度达5mm，而湖口区则不到3mm，湖心区微界面上氧气消耗主要以自由扩散为主，而湖口区受微界面上微生物活动影响较大。利用梯度扩散薄膜技术（DGT）获取了水-沉积物界面上分辨率高达1mm的可溶性活性磷DRP剖面浓度分布，结果发现在湖口区沉积物表层2cm处有强烈磷释放现象，而在湖心区则未发现，这可能与含氧层厚度有着密切的联系，这一重要现象在常规尺度下可能被掩盖。     

基于GOCI影像反演湖泊悬浮物和叶绿素a含量的研究述评

悬浮颗粒物和叶绿素a是两个重要的湖泊水质参数,常用来衡量湖泊的富营养化程度。阐述了基于GOCI数据的湖泊悬浮颗粒物和叶绿素a浓度反演的研究现状,分析了几种大气校正方法对于GOCI数据的适宜性,发现基于6S模型的大气校正取得的效果最好。对比了GOCI的几种用于叶绿素a和悬浮颗粒物反演的模型,发现基于经验方法的反演虽然简单易行,但缺乏物理依据;基于分析方法的反演机制明确,但较难实现;基于半分析方法的反演是统计水质参数的光谱特征,建立遥感数据的波段组合与水质参数值之间的定量关系,进而估算水质参数含量,此方法较易实现且有一定物理意义。最后,通过总结现状,对利用GOCI反演水体指标的发展提出了一些自己的见解。     

不同水动力扰动下沉水植物对沉积物重金属释放的影响

在风浪扰动条件下,沉积物再悬浮会造成重金属的二次释放。沉水植物可以有效地改变水流条件并抑制颗粒物再悬浮,从而一定程度地改善水体的生态环境。该文通过室内环形风动水槽模拟实验,利用ADV测流技术与悬浮颗粒物(SPM)浓度表征悬浮量的方法,分析不同水动力条件下沉水植物苦草对水流条件的影响及再悬浮过程8 h内SPM的浓度变化,并测定试验周期(35天)内重金属(Ni、Cd)于上覆水、间隙水及沉积物中的分布情况,研究不同水动力下水生植物对重金属再悬浮的影响规律。结果表明,在风速分别为3.21 m/s(小风)、5.95 m/s(中风)和8.78 m/s(大风)时3种风力的扰动作用下,植物有效高度内流速低且流速梯度小,而冠层至水面高度内流速梯度较大,水流结构以植物冠层为拐点,呈"S"形分布。上覆水SPM浓度与无植物时相比显著降低,沉积物再悬浮率下降量(W)与风速(v)呈对数关系(W=0.2194ln(v)-0.2445)。不同水动力条件下,重金属(Ni、Cd)在上覆水、间隙水及沉积物中分布情况及变化规律相似。试验期间间隙水与沉积物中重金属含量变化整体呈现下降趋势,上覆水重金属含量上升。间隙水重金属释放量与风速呈对数关系,Ni、Cd释放量分别为39.55 ng(小风)/77.91 ng(中风)/110.04 ng(大风),以及1.10 ng(小风)/1.81 ng(中风)/2.80 ng(大风)。     

淡水湖泊微生物硝化反硝化过程与影响因素研究

简述了参与硝化反硝化过程的微生物类型及其影响因素,指出湖泊中底栖动物提高了沉积物中氨氧化菌的丰度,加快了沉积物和上覆水反硝化过程,同时底栖动物的肠道也是反硝化场所并释放N2O。研究淡水湖泊中硝化反硝化微生物群落结构组成及多样性,阐述硝化反硝化的分子生物学机制,探索底栖动物对参与氮循环微生物群落结构与功能影响。     

珠江河口潮流底边界层的湍流特征量研究

通过高频流速仪ADV和声学Doppler剖面仪ADP对珠江河口虎门潮流底边界层进行了一个周日(25h)定点连续观测,利用观测数据计算分析了洪季潮优型河口潮流底边界层内的湍流特征量.结果表明,(1)底边界层内的湍流具有一定的各向异性,脉动分量概率分布为准正态分布;(2)对于半日潮流占优的河口,湍流脉动强度、底床切应力、摩阻流速以及湍动能耗散率等均具有明显的四分之一周日的变化规律;(3)边界层内床底切应力与摩阻流速的变化范围分别为1.8×10-2～3.5×10-1Nm-2和2.2×10-3～1.8×10-2ms-1,湍动能耗散率平均值约为1.9×10-5Wkg-1.