长江口枯季水动力悬沙特征与再悬浮研究

2004年2月13~22日枯季大小潮期间在长江口北港、口门及口外进行了水动力、悬沙浓度和盐度的全潮观测,并对数据进行分析,同时对研究区域的再悬浮/沉降通量进行计算,进而讨论长江口枯季水动力和再悬浮特征.结果表明,长江口外以潮流作用为主,但流速、悬沙浓度和盐度的分布和变化仍与径流作用有关,观测期间再悬浮现象不显著.北港内及口门处,径流作用较强,盐度较低,落潮流速大于涨潮流速,当流速较大时,底部再悬浮作用显著.计算结果表明,再悬浮通量的数量级为10-3~10-6kg m-2s-1,沉降通量为10-9~10-10kg m-2s-1.     

水体泥沙污染物起动再悬浮释放的物理过程和影响因素

水流流动、泥沙运动与污染物迁移转化之间存在较强的相互作用,形成了一个彼此紧密联系的综合环境系统.复杂水动力条件使得沉积底泥和悬浮泥沙对水环境的影响体现为一种动态耦合的综合效应.采用室内水槽实验研究了污染物通过底泥的静态扩散释放、泥沙起动再悬浮释放以及随悬浮泥沙的紊动释放3种主要方式进入水体的物理过程.结果表明,底泥沉积物可以依据颗粒特征分为泥质和沙质两种不同的底质;颗粒粒径、孔隙率和初始污染物浓度是决定底泥-水界面污染物静态释放特性的主要因素,并由此建立了沉积物中污染物总量的衰减公式,其衰减时间与污染层厚度、密度以及污染物分配系数正相关.泥沙污染物起动再悬浮释放过程大致上可以分为起动初期,悬浮沉降交替期和悬浮沉降平衡期3个阶段,在后两个阶段水体中污染物固液分配比值先增加后减小.基于质量守恒推导了底泥再悬浮污染物释放量的经验公式,和实验结果对比表明污染物的吸附解吸性质一定程度缓解了其释放的速率.水体中污染物的浓度分布和水流流速分布以及悬浮泥沙浓度分布密切相关,呈现出一致的变化规律.泥沙污染物的分布随着流速的增加在水体垂向上差异也变大,而水体的含沙量越大,泥沙污染物的分布反而越趋向于均匀.     

典型潮汐水道悬沙浓度的潮控机理模拟分析

根据南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室2012年在南黄海辐射沙脊群西洋水道所获的全潮水文观测数据,分析了流速、悬沙浓度以及近底部切应力的时间变化序列.应用均衡态条件建立了悬沙浓度特征值模型,探讨了各个相关参数变化对悬沙浓度均衡态的影响.结果表明:(1)本研究区潮周期内的大部分时间近底部切应力大于沉积物临界起动切应力,再悬浮作用活跃;(2)给定初始悬沙浓度、沉降速率等参数,经过若干潮周期后悬沙浓度会达到均衡态,此时大小潮周期内侵蚀通量和沉降通量的总量相等,此后各个潮周期内悬沙浓度时间序列随潮相发生变化,但在相同潮相的情况下悬沙浓度显现出相同的时空分布;(3)若改变悬沙沉降速率大小而固定其余参数不变,则沉降速率越大,达到均衡态时的悬沙浓度特征值越低;(4)若改变再悬浮系数大小而固定其余参数不变,则再悬浮系数越大,达到均衡态时悬沙浓度特征值越高.因此,潮汐环境中的悬沙浓度特征值不仅受控于潮流的强弱,同时也受控于表层沉积物本身的性质(粒度和粘性,它们决定了沉降速率与再悬浮系数的大小).     

基于FDS格式的长江镇扬段水沙数值仿真

基于镇扬江段河势变化剧烈、感潮特性明显、水沙运动复杂的特征,建立了二维非稳态水流、水质及泥沙耦合数学模型,在有限体积法框架下应用通量差分裂(FDS)格式计算模型中各跨单元边界的数值通量,基于实测数据对模型进行了率定验证.运用所建模型对洪季、枯季镇扬江段水沙过程进行数值仿真,结果表明:(1)镇扬江段汛期流速约为0.72-1.98m/s,枯水期流速约为0.33-1.24m/s,汛期平均流速约比枯水期增加了40.6%;(2)汛期水动力条件较好,沿河排污口最大污染带长度约1550m,枯水期总污染带长度约2800m,比汛期增加了46.2%;(3)汛期镇扬江段平均含沙量为0.12-0.20kg/m3,枯水期平均含沙量为0.07-0.11kg/m3,汛期含沙量较枯水期增加了40%;汛期,泥沙浓度从上游至下游沿河长方向基本呈现递减趋势;枯水期,由于径流、潮流双重作用明显,泥沙浓度沿程变化较小.     

闽江下游感潮河段城市排污规划对饮用水源水质影响研究

以闽江下游福州城区感潮河段为研究区间,分析了福州城市取水、排污布局规划和水源地水质情况,采用二维水动力～水质耦合模型预测了闽江下游南北港枯水期城市排污规划对水源地水质的影响。结果表明,城市排污布局和强度对闽江下游福州段南北港水质影响总体可接受,各排污口附近约有4hm^2的水域超过《地表水环境质量》（GB3838-2002）Ⅲ类标准;闽江口潮汐作用导致洋里和连坂排污口附近形成高浓度污染团,在东南水厂～马尾水厂备用水源地之间回荡,并随着潮汐作用逐渐向下游逐渐缓慢输移;感潮河段排污存在明显的污染物上溯现象,北港排污上溯的影响距离接近西北区水厂水源地二级保护区边缘;洋里和连坂排污口对东南区水厂水源地水质影响最为显著,枯水期高潮时刻氨氮增量将达约0．15mg／L,叠加环境本底值后超过Ⅲ类水质标的概率大于90％,建议优化调整闽江下游排污和取水口布局,逐步将取水口向城市上游淮安段转移,更换取消东南区水厂取水口。     

钦州湾三墩作业区排污阈值的数值模拟研究

排污容量的研究对海洋生态环境保护有重要意义。随着钦州湾茅尾海污染呈逐渐严重趋势,为改善水质状况,钦州市将排污口外迁至三墩作业区,因此,研究该区域的排污阈值可为决策提供科学依据。本研究通过一阶降解系数的物质对流-扩散模型模拟钦州湾三墩区不同排污口的扩散情景,选出最优排污口并计算排污阈值。研究表明:不同排污口排放的物质扩散方向基本为SW-NE向,同时西南端排污口的污染物扩散范围小于东北端排污口的污染物扩散范围,因此三墩作业区的最优排污口位置位于西南端(21.601 101°N,108.670 364°E);CODCr、TN和TP分别执行≤60 mg/L、≤40 mg/L和≤0.5 mg/L标准时,相应的排污阈值依次为76 845.25,1 581.7和150.2 t/a。     

NF-RO组合膜处理大豆乳清废水

采用芳香聚酰胺纳滤膜和反渗透膜处理模拟大豆乳清废水,研究溶液浓度、操作压力、膜面流速、pH等对渗透通量与截留效果的影响,并探讨蛋白污染膜的清洗条件。研究结果表明:在一定操作压力下,渗透通量随着料液浓度的增加而减小,随膜面流速的增加而增加;对一定浓度的原料液,在操作压力小于0.7 MPa时,渗透通量随压力的增大而增大,当操作压力大于0.7 MPa时,渗透通量不再随压力的增大而增大;大豆乳清废水的等电点pH为4.5,当pH大于等电点时,渗透通量和截留率随pH的增大而增大;芳香聚酰胺反渗透膜对纳滤透过液的NaCl截留率在90%以上;蛋白污染纳滤膜经pH=10的NaOH溶液清洗后,通量可完全恢复。     

不同土岩比地表沉陷特征数值模拟分析

为了探讨土岩比变化较大情况下地表移动变形规律,本文结合某真实矿区岩层状况,建立不同土岩比组合情况下的数值模型,并对其进行模拟分析,得到了不同土岩比条件下地表移动变形规律.随着松散层厚度的增加地表最大下沉与位移值先成对数增长,当达到巨厚松散层厚度后该值成线性趋势,并趋于稳定.随岩层厚度的增加,地表的沉降和位移在不断减小,沉降区域逐渐平缓,当岩层厚度达到某一数值时,地表位移与沉降数值会发生小幅度的上涨说明了岩层中阻止松散层沉降的控制层在整个沉降过程中的重要作用.该规律为土岩比变化较大的矿区的沉陷预计提供参考依据.     

衣藻增殖、悬浮与沉降过程对水-泥 界面磷素动态的影响

为阐明水华过程藻群动态对水-泥界面磷素变化的影响,采集太湖梅梁湾水样和泥样,以莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)为对象,通过室内模拟实验(76 d),研究藻体增殖、悬浮与沉降过程水-泥界面不同形态磷素含量及碱性磷酸酶活性(APA)的变化。结果表明:衣藻快速增殖与悬浮导致水体pH与DO含量明显升高,总磷和无机磷浓度迅速降低,但底泥有机磷含量平均高出无藻处理1.5倍。此外,衣藻沉降期底泥水溶性磷含量明显降低,这是由于部分沉降在底泥表面的藻体继续存活并吸收利用了水溶性磷。上覆水APA在藻体大量沉降后平均高于增殖和悬浮期1～3倍。相比较而言,底泥APA在藻体快速增殖与悬浮期达到最高,此后,APA降低,但仍高于无藻处理2倍以上。因此,衣藻水华过程加速了水-泥界面磷素的释放,部分沉降至底泥表面的存活藻体吸收利用磷素进而增殖和再悬浮,这可能是富营养化水体水华反复和多次暴发的重要原因之一。     

近临界弯曲比率水槽水流与近床剪应力特性

床面剪应力诱发了水流垂向上流速分布不稳定性,压力和向心力不均则促使水流形成了弯道二次流.通过试验,研究了近临界弯曲比率(R/B=3)条件下,小宽深比(B/H=2)水槽中水流变化及泥沙输移特性.研究结果表明:二次流强度最大值出现在弯顶区域,床面剪应力最大值出现在弯顶偏凸岸一侧.弯道床面附近,不同层面上的剪应力最大值,从上游到下游先增大后减小;不同平面动力轴线随层面的高度增加而向凹岸偏离.二次流在不同断面形成不同的涡核,在弯道入口附近产生分离而在弯道下游逐步发展,涡核合并,二次流强度在弯顶区达到最大值.最后对二次流和床面剪应力作用下的床面形态结果进行分析.     

江苏辐射沙洲海域悬浮泥沙输运分析

根据辐射沙洲邻近主水道和中心沙洲滩面水道33个站点的水深、潮流和水体含沙量同步实测资料,运用悬沙输移机制分解方法,计算了各站位所在水道断面全潮平均单宽悬移质通量、涨潮平均单宽悬移质通量、落潮平均单宽悬移质通量大小及其方向;并对相应悬沙输移的基本路径进行了分析。对各断面潮平均悬沙通量进行了估算,确定了辐射沙洲腹地邻近水道的悬沙净进入断面和净输出断面;辐射沙洲悬沙输移具有以辐射沙洲条子泥滩地为中心的辐聚辐散运移规律;悬浮泥沙净输移在沙洲腹地有逆时针循环运移特征。从东南过来的东海前进潮波潮流携带的泥沙主要沿条渔港水道以及向条子泥腹地输移,并在条子泥沙脊附近与其他方向的来潮来沙相汇,因此条子泥沙滩存在着淤长的动力因素和泥沙条件。     

柳河流域悬移质泥沙颗粒特征分析

为了探索流域悬移质泥沙变化特征及其与含沙量问的关系，选用柳河流域水文站泥沙观测数据进行分析。结果表明，由于沙源不同，非汛期悬移质泥沙粒径一般大于汛期，在流域上、下游d50随含沙量分别表现出增大和减小的趋势。在泥沙的分选沉降作用下悬移质泥沙粒径一般为上游大于下游。在上游，d50、大于0．05mm沙重百分数随含沙量的增大而减小，后又增大，小于0．01mm沙重百分数情形相反。在下游也可得出类似变化关系，但d50、大于0．05mm和小于0．01mm沙重百分数随含沙量变化的转折点不同。     

Remobilization of heavy metals during the resuspension of Liangshui River sediments using an annular flume

The release and transport of heavy metals(Ni,Cr,Cu and Pb) from Liangshui River sediments into the overlying water column during the resuspension event were determined using an annular flume with a velocity ranging from 0.15 to 0.35 m/s.It is shown that the suspended particulate matters(SPM) increased as much as nearly 25 times from 165 to 4220 mg/L as the velocity increased.Heavy metals showed an increase in dissolved phase as the velocity increased due to their desorption from the SPM.Acid-soluble heavy metals increased as the velocity increased,indicating that part of the heavy metals transformed from stable phase to labile phase during resuspension.Heavy metal concentrations in the SPM on volume normalization increased by approximately 2-6 times.However,on the mass weighted basis they decreased,approaching the bulk-sediment contents at high velocity,due to the "particle concentration effect".The distribution coefficients(K D) of heavy metals were higher at slower velocity during the sediment resuspension,which could be attributed to the decrease of fine particles(silt/clay fraction) during resuspension.     

黄河泥沙含量对磷迁移过程的影响研究

磷是我国河流主要污染物质之一,泥沙含量对磷的迁移过程具有重要影响,但针对磷在沉积物-水界面的迁移机制理解尚不完全．黄河作为典型的高含沙量和高磷负荷河流,对于磷在河流介质的迁移过程具有重要研究意义．在2019 年10 月份选取黄河沿程18 个水样采集点位和2 个沉积柱采集点位,对水样含沙量、总磷含量（TP）和沉积物样磷形态含量（Ca-P、Fe/Al-P、OP）进行测量,结合2000—2019 年黄河主要水文站实测输沙量、含沙量、泥沙粒径数据进行分析．从时空尺度上,尽管中游河段输沙量近20 年呈显著下降趋势,但下游输沙量仍保持稳定,下游前段水体含沙量呈上升趋势．将水体含沙量与TP 含量进行协同分析,下游河段水体含沙量同TP 含量呈相反变化规律．对泥沙粒径进行分析,冲刷作用导致较大粒径沉积物再悬浮,这一过程对磷的迁移具有重要影响．对沉积物磷形态进行分析,IP 为黄河流域沉积物磷主要赋存形态,Ca-P 是IP 的主要赋存形态．研究认为,当流速慢时,水体泥沙含量低,沉积物再悬浮作用弱,Fe/Al-P 在沉积物-水界面迁移. 当流速快时,水体泥沙含量高,沉积物再悬浮作用强,下游地区沉积物和悬浮颗粒物成为磷汇．      

水坝拦截对新安江沉积物中磷、氮形态的影响

以新安江水库及其相关河段为研究对象, 对沿程上游河段、库区河段、中心库区及坝后河段沉积物中的磷、氮地球化学形态、含量及分布特征进行了研究. 结果表明: 受上游颗粒物的沉积作用和水产养殖的影响, 库区河段的总磷(total phosphorus, TP)、总氮(total nitrogen, TN)分别比上游河段增加了37.3%, 34.2%. 受到大坝的拦截作用, 库区和坝后河段中的磷、氮含量明显降低, 坝后沉积物中的TP, TN分别比坝前降低了39.5%, 74.1%. 在磷的各形态中,钙结合磷(Ca-P)(13.8%∽31.9%)和铁结合磷(Fe-P)(11.5%∽26.2%)在TP中所占比例仅次于有机磷(organic phosphorus, OP)(48%∽69%). 受水库蓄水顶托的作用, 大量沉积的有机磷逐渐矿化降解, 并向铁结合磷转化, 导致坝前、坝后沉积物中的磷形态组成发生了明显改变. 有机氮(organic nitrogen, ON)为TN的主要形态, 在上游河段中ON含量较低, 但在库区河段迅速升高, 而在下游河段迅速降低, 而氨氮(NH⁺₄ -N)含量变化较小. 研究结果表明, 水库对磷、氮具有明显的拦截效应, 并改变了营养元素之间的化学计量比.     

悬浮物特征对砂加载混凝沉淀处理高悬浮矿井水实验的影响

高悬浮物矿井水高效快速处理是解决西部六省区煤炭资源化合理利用的关键。关于原水中悬浮物特征对石英砂加载混凝沉淀效果的影响则很少有系统的研究,影响机制也不清晰。为此,选用石英砂加载混凝处理陕西小保当煤矿典型高悬浮矿井水为研究对象,分析矿井水中悬浮物的粒径、煤岩比和初始负荷大小对石英砂加载混凝处理高悬浮物矿井水效率的影响。矿井水中悬浮物的粒径、煤岩比和初始负荷大小对石英砂加载混凝处理高悬浮物矿井水效率和沉降速度的影响明显。通常,混凝沉淀的去除效率和沉降速度随矿井水中悬浮物的粒径而显著升高,但当悬浮物的粒径过低(小于0.075 mm)后,沉降速率和去除效率明显降低。矿井水悬浮物的初始负荷过高(高于10 000 NTU)和过低(低于500 NTU)都会降低混凝去除效率和沉降速度。矿井水悬浮物中煤粉质量含量越高,砂加载混凝处理效率越低。该结果为有效提升砂加载混凝工艺的运行成效,缓解中国西部矿区水资源短缺的矛盾,同时对中国煤炭行业的绿色发展和矿区生态文明建设也具有重要的意义。     

我国河流输沙对海岸和大陆架沉积的影响

我国现代海岸跨越构造沉降带和隆起带。据统计,在沉降带海岸入海的河流,其输沙量占我国人海河流输沙总量的90%以上,而在隆起带沿岸入海者,其输入量不足10%。沉降带沿岸以潮坪沉积为主,并出现巨厚的第四系沉积层;隆起带沿岸主要为海滩砂砾质沉积及与之相伴生的风成沉积,只在大河细粒物质沿岸运移所及之处,才形成潮坪沉积,且第四纪沉积层较薄,原地沉积物呈斑块状分布。东海和南海所接受的河流输沙量较少,异地沉积虽占据相当的范围,但原地沉积分布较广,并构成连续的沉积带。大河输沙通过海洋因素的搬运而沉积于相邻的小河口内,并构成堆积体,这是通过海、河泥沙交换,河流沉积物影响海岸沉积的另一个重要途径。在我国沿岸尚未发现主要由大陆架直接来沙产生的河口海岸沉积体。     

Sedimentation rates and provenance analysis in the Southwestern Okinawa Trough since the mid-Holocene

As a high-sedimentation rate depocenter along the path of the Kuroshio Current, the southwesternmost part of the Okinawa Trough is a key area to understand the Kuroshio history and sediments transpor-tation. A 34.17-m-long sediment core was obtained by the advanced piston corer of Marco Polo/IMAGES XII MARION DUFRESNE during the May 2005 from the Southern Okinawa Trough at site MD05-2908. The recovered sediments were analyzed by AMS ¹⁴C dating, coarse size fraction (>63 μm) extraction and moisture content determination in order to study its sedimentation flux and provenance. The depth-age relationship of core MD05-2908 was well constrained by 17 ¹⁴C dating points. The sediments span across the mid-Holocene (6.8 ka B.P.) and have remarkablely high sedimentation rates between 1.8 and 21.2 m ka^-1, which is well consistent with the modern observations from sediment traps. We identified five 70―200 a periods of abnormally rapid sedimentation events at 6790―6600 a B.P., 5690―5600 a B.P., 4820―4720 a B.P., 1090―880 a B.P., and 260―190 a B.P., during which the highest sedimentation rate is up to 21.2 m/ka. In general, the lithology of the sediments were dominated by silt and clay, associated with less than 5% coarse size fraction (>63 μm). As the most significant sediment source, the Lanyang River in northeastern Taiwan annually deliver about 10Mt materials to the coastal and offshore region of northeast Taiwan, a portion of which could be carried northward by currents toward the study area. Therefore, we concluded that the 5 abnormally rapid sedimentation events may be related to intensified rainfall in Taiwan and thus increased materials to our study area at that time. However, a few ex-treme-rapid sedimentation events cannot be explained by normal river runoff alone. The large earth-quakes or typhoons induced hyperpycnal discharge of fluvial sediment to the ocean may also act as a potential source supply to the Okinawa Trough.     

北海近岸海域化学需氧量分布特征及其影响因素研究

【目的】系统分析北海近岸海域化学需氧量(COD)的平面分布特征及季节变化,探讨不同环境要素对COD分布的影响。【方法】根据2010年6月~2011年3月期间在北海近岸海域4个航次20个站位的生态环境调查数据,采用标准指数法、相关性系统法等对该海域的COD时空分布及其环境影响因子进行分析讨论。【结果】COD高值区及超标的站位主要位于河口附近海域,其余大部分海域COD标准指数均1,处于一类海水水质范围。除夏季外,调查海域各个季节COD浓度与温度之间的相关系数均为正值,且大于0.45;各季节COD浓度与盐度之间的相关系数普遍高于0.5,两者之间呈较好的负相关关系;春、夏及秋季COD与叶绿素之间的相关指数均较高;COD与悬浮物含量呈正相关性,除夏季较小相关系数为0.596外,其余季节的相关系数均在0.7以上。【结论】各季节调查海域表层海水COD的平面分布特征基本一致,主要表现为近岸高、外海低,由沿岸向离岸方向呈逐渐降低的趋势。COD主要来源于陆源输入,尤其是河流输入。     

Coral record of increased sediment flux to the inner Great Barrier Reef since European settlement

The effect of European settlement on water quality in the Great Barrier Reef of Australia is a long-standing and controversial issue. Erosion and sediment transport in river catchments in this region have increased substantially since European settlement, but the magnitude of these changes remains uncertain. Here we report analyses of Ba/Ca ratios in long-lived Porites coral from Havannah Reef--a site on the inner Great Barrier Reef that is influenced by flood plumes from the Burdekin river--to establish a record of sediment fluxes from about 1750 to 1998. We find that, in the early part of the record, suspended sediment from river floods reached the inner reef area only occasionally, whereas after about 1870--following the beginning of European settlement--a five- to tenfold increase in the delivery of sediments is recorded with the highest fluxes occurring during the drought-breaking floods. We conclude that, since European settlement, land-use practices such as clearing and overstocking have led to major degradation of the semi-arid river catchments, resulting in substantially increased sediment loads entering the inner Great Barrier Reef.