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。     

黄东海悬浮泥沙输运结构及其形成机制

选取典型的水色遥感反演得到的悬浮泥沙浓度资料,并配合同期海表面温度遥感资料,对特定年份黄东海冬季悬浮泥沙的平面分布及其动力成因进行了分析,得出了黄东海冬季悬浮泥沙的平面分布主要是由本海域的环流结构所决定的结论;同时利用悬浮泥沙浓度和海表面温度的相关性得出了东中国海冬季清晰的环流结构,并给出了各主要环流分量的悬浮泥沙浓度特征值和温度特征值.利用1998-2002年表层悬浮泥沙浓度的月平均资料,结合卫星风场资料,研究了南黄海和东海北部悬浮泥沙浓度与局地风速在季节尺度上的相关关系.得出在季节变化尺度上,悬浮泥沙浓度与风速的关系密切并存在一定的时间滞后,约1-2个月;悬浮泥沙浓度季节内变化与风速的关系不明显.     

长江口浑浊带近底泥沙浓度变化

基于近底边界层四角架系统观测的水沙过程完整资料,对近底悬浮泥沙浓度的变化及其动力响应关系进行了分析.结果表明:1)近底悬浮泥沙浓度变化过程的特征是多峰性.在一个潮周期内,一般会出现四次明显的悬浮泥沙浓度峰值;2)水体中始终存在一个背景含沙浓度;3)流速的大小并不是决定近底悬浮泥沙浓度大小的唯一决定性因素.潮流加速度、憩流阶段形成的背景泥沙浓度以及床面可供起动的泥沙量同样起重要的作用;4)泥沙浓度变化和动力的响应关系可以归为四类:第一类正响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的增大而增大)、第一类负响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的增大而减小)、第二类负响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的减小而增大)和第二类正响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的减小而减小).综合分析紊动扩散作用、泥沙的起动和沉降作用及床面泥沙的供应率,对近底层悬浮泥沙浓度和动力响应变化的四个过程进行了详细的解释.     

长江口非均匀细颗粒粘性泥沙扬动流速

泥沙的扬动流速是指泥沙颗粒跃起后不再回落到床面,而是悬浮于水中,并随水流运动前进时的临界流速.在4次野外调查的基础上,基于扬动流一般公式,对长江口区流向稳定时期同步观测的垂线平均流速、底部悬沙粒径、水深和泥沙沉速等数据进行回归分析,拟合长江口区非均匀细颗粒粘性泥沙杨动流速公式,相关系数达0.85以上.经该公式计算的长江口非均匀细颗粒粘性泥沙扬动流速值大于已有公式计算值.     

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。     

长江口悬浮泥沙遥感信息处理和分析

遥感悬浮泥沙定量模式的研究为应用卫星数据定量监测河口泥沙运移、变化奠定了基础。本文用实测数据对一些常用模式进行了精度比较,选择了适合于长江口水域的对数定量模式,同时,将卫星数据输入数字图像计算机系统,根据对数定量模式,计算、处理、转化卫星数据成悬沙分布状况图。进而定量分析长江口丰水期和枯水期的悬沙浓度、扩散方向、扩散范围等。     

强潮河口悬浮泥沙浓度垂向结构分析——以杭州湾乍浦水域大潮期为例

利用在强潮河口--杭州湾乍浦水域大潮期的现场实测水文、泥沙资料,分析了悬浮泥沙浓度的垂向结构.结果表明,在涨落潮周期内,除落憩前后较短的一段时间外,由于强潮河口强烈的水动力造成水体垂向混合均匀,研究区域悬浮泥沙浓度的垂向分布符合Rouse公式;如用六点法实测的底层悬浮泥沙浓度来代替近底悬浮泥沙浓度,会造成较大的误差;根据Rouse公式拟合,选取合适的近底距离,可求出对应的近底悬浮泥沙浓度,这比利用实测的底层悬浮泥沙浓度代替更为准确和合理;实测的底层悬浮泥沙浓度对近底悬浮泥沙浓度影响很大;实测的底层流速对近底悬浮泥沙浓度垂向分布的影响较大.     

长江口滨外区表层沉积物粒度特征对比分析

三峡大坝的成功截流,必将对流入河口地区的水沙条件有所影响,进而改变河口区悬浮泥沙的基本特性.长江口南岸历来是泥沙堆积区域,对上游来水来沙条件改变的响应也更敏感.2007年7月份在长江口滨外区三个测量站点分别在大潮和小潮采集了海底表层样,室内利用Malvern2000型激光粒度仪进行粒度分析,并采用Folk和Ward公式计算粒度特征值,分析了该地区沉积物的粒度特征和大小潮情况下沉积物粒度特征的对比,结果表明:调查区内沉积物以黏土质粉砂等细颗粒物质组成为主,从口门往海方向粒度逐渐变小,在靠近河口区沉积物粒度变化大,并对比了不同潮相情况下的粒度特征,对原因进行了初步分析.     

黄河三角洲附近海域悬浮泥沙浓度估算

基于黄河口附近海域水体悬浮泥沙浓度及光谱信息同步测量数据,设计了使用MODIS Band1波段反射率进行悬浮泥沙浓度定量反演的模型.以MODIS产品MOD09GQ陆地反射率数据为数据源,进行了黄河三角洲附近海域悬浮泥沙浓度反演,获得了2009年夏季黄河入海口悬浮泥沙浓度分布图,结果表明:悬浮泥沙浓度分布的基本趋势是由岸向海逐渐降低,但在黄河入海口南北两侧浓度梯度表现出较大差异;浓度大于300 mg/L的悬浮泥沙主要分布在清水沟流路以南的莱州湾西岸,而黄河清8汊以北区域仅在特定潮流及天气情况下在河口以外区域有较宽分布;浓度为10 ～ 300mg/L的中、低浓度悬浮泥沙主要分布在入海口南侧莱州湾中部海域、高浓度悬浮泥沙分布区以外;浓度小于10 mg/L的极低浓度悬浮泥沙主要分布在上述区域之外远离岸线的地区.     

高浊度河口颗粒态重金属对泥沙运动的指示作用

作者根据1994年6月长江口、杭州湾的水质调查资料，分析了这类高浊度河口颗粒态重金属的分布规律。研究表明，在长江口和杭州湾内，悬沙和表层沉积物中Cu、Pb、Cd分布特征相似，尤其在杭州湾中部水域，二者重金属含量呈趋同的态势。细颗粒泥沙是颗粒态重金属的主要载体。在高浊度河口，动力沉积过程为控制颗粒态重金属分布和输移的主要因子，颗粒态重金属的分布对泥沙运动具有指示作用，悬沙和表层沉积物中重金属元素的分布反映了长江口泥沙向杭州湾输移的事实。     

一维河网非恒定流及悬沙数学模型的节点控制方法

本文的一维河网非恒定流及悬沙数学模型，是根据以一维圣维南方程组，悬沙非平衡输运方程及水位、含沙量节点控制法而建立。首先，利用单一河流有限差分方程组转换形式和节点处质量、能量守恒性，写出所有节点的水位控制方程组。求解此不规则稀疏矩阵方程组得到得有节点的水位，再由单一河流非恒定流的求解方法可获得所有单一河流的断面水位和流量。基于水注的节点水位控制法，本文提出了节点悬沙控制法。假设节点处冲刷或淤积较小，所有节点的含沙量控制方程组可通过输沙量守恒方程用矩阵形式写出。求解此不规则稀疏矩阵方程组，得到所有节点处的含沙量。所有单一河流断面处的含沙量通过单一河流悬沙输运的求解方法获得。本文介绍的模型适用于各种河网类型。作为检验，该模型成功地应用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值计算。     

颗粒态和溶解态磷浓度计算公式的推导与验证

河流水体中的含磷营养物质与较细颗粒的悬移质泥沙发生吸附作用,将对水质循环过程产生影响。基于拟合磷与泥沙颗粒吸附过程的Langmuir方程和修正Langmuir方程分别推导了计算颗粒态磷(PP)和溶解态磷(DP)的计算公式。并采用香溪河泥沙样品的磷吸附实验数据和野外观测数据验证了推导公式,计算结果与实测值符合良好。研究结果表明:当悬移质泥沙浓度较低时,可采用线性吸附方程近似计算颗粒态和溶解态磷浓度,但当悬移质泥沙浓度较高时,需要采用本研究推导的计算公式,特别是解吸和吸附现象并存时,需要使用基于修正的Langmuir模型推导的计算式。研究成果可用于水质或水生态模型建模。     

非黏性沙级配对浊度法测量含沙量的影响

利用浊度仪测量水流含沙量时,泥沙颗粒级配和矿物成分是影响浊度仪标定结果的主要泥沙因素。采用黄河原型非黏性沙配制不同粒径、不同含沙量浑水水体,开展固定粒径、粗细沙、混合沙等多组次试验研究,对黄河天然沙粒径及级配对浊度仪输出浊度的影响进行定量分析和机制探讨。结果表明:固定含沙量条件下,非黏性泥沙粒径对水体浊度的影响特征符合Mie散射定律;含沙量变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10～10²,泥沙颗粒粒径变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10^-1～1;相同含沙量条件下,悬沙比表面积与浊度仪输出浊度符合线性分布。建立了考虑非黏性沙级配影响的含沙量与浊度关系模型,能够较准确地反映非黏性沙粒径及泥沙浓度对水体浊度的影响,可为浊度与含沙量关系的准确率定及测量结果的校准提供可靠依据。     

Ⅱ类水体悬移质泥沙含量遥感反演综述

悬移质泥沙是水环境的重要参数之一,其含量的变化对流域生态环境有着多方面的影响。传统研究方法能够实现悬移质泥含量的精确分析,但存在布点有限、时效不足等问题,而遥感技术可弥补传统研究方法的不足,实现大面积水域的同步观测。基于悬移质泥沙含量遥感反演的4类模型:物理模型、半分析模型、经验模型、人工智能算法模型,总结了Ⅱ类水体悬移质泥沙含量遥感反演的研究进展,探讨了反演研究中存在的离水辐亮度提取难度大、混合像元不易分解等问题,并针对我国内陆山区河流,提出山区Ⅱ类水体悬移质泥沙含量遥感反演发展面临的关键问题。     

悬浮泥沙对陈行水库原水COD_(Mn)衰减速率系数的影响

针对悬浮泥沙与长江原水CODMn的关系开展试验研究,发现悬沙对CODMn衰减存在明显的促进作用,随着水温和悬沙浓度的上升,原水CODMn衰减速率系数增加;原水中悬沙颗粒粒径分布直接影响CODMn衰减过程,细颗粒含量越高,CODMn衰减速率系数越大.现场研究显示,沉淀作用和悬沙表面的生物降解作用是陈行水库原水CODMn改善的主要原因.     

珠江三角洲河网与河口夏季水沙通量的模拟

本文利用一、三维水动力与泥沙耦合模型,计算珠江三角洲河网与河口夏季水沙通量,构建其收支模式,并分析水沙迁移路径与泥沙沉积特征。研究表明,西江为最主要的水沙输入源,磨刀门为最主要的水沙输出口门,蕉门次之。夏季泥沙以淤积为主,上游汇入的泥沙,有39.4％沉积于河网区,其余60.6％经八大口门输入珠江口后,有59.5％发生沉积,另外1.1％输入外海。河网区的水沙输送由径流控制,而河口区则由径流、潮汐、季风等因素控制。河网区各区域的沉积特点因动力条件的差异而呈现不同的规律,大量泥沙在西江干流、虎门水道淤积。珠江口中以内伶仃洋与磨刀门海域的沉积量最大,泥沙在西滩周边和磨刀门海域快速沉积,其中磨刀门海域淤积最为强烈。     

Estimating Sediment Budget at a River Basin Scale Using a Process-Based Distributed Modelling Approach

The paper presents a process-based distributed modelling approach for estimating sediment budget at a river basin scale with partitions of suspended and bed loads by simulating sediment loads and their interactions. In this approach, a river basin is represented by hillslopes and a network of channels. Hillslopes are divided into an array of homogeneous grid cells for modelling surface runoff and suspended sediments. Channels are defined by incorporating flow hydraulic properties into the respective hillslope grids as sub-grid attributes for modelling both suspended and bed loads. Suspended sediment transport is modelled using one dimensional kinematic wave approximation of Saint-Venant’s principles of conservation of mass and momentum. Transport capacity of runoff or streamflow is used to set the limit of suspended sediment transport rate. Bed load in channels is estimated based on the instantaneous water and hydraulic parameters. Fractional interchange between suspended load and bed load is then back calculated. The performance of the model was evaluated through a case study application in a large river basin in Japan. The model satisfactorily calculated the sediment transport and total sediment budget in the basin. The simulated bed load was found to be reasonable and consistent with the water flow and suspended sediment flux. The results showed the bed load can be expressed as a linear function of the suspended load. The fractions of different sediment loads also exhibit linear relationships with water discharge for the rising and recession limbs of the flood hydrographs. The case study has demonstrated that the process-based distributed modelling approach can efficiently describe the basin-scale sediment budgets with due consideration of the suspended and bed loads and their interactions in the hillslopes and channels.     

汕头湾悬移质石英含量与含沙量的关系及显损含沙量年出现率推算

根据广东汕头湾泥沙实测资料的分析，石英百分含量随含沙量增大而减小，绝对含量却随含沙量增大而增加，并与含沙量有很好的相关关系，原因是随着含沙量的增大，细颗粒泥沙的含量增加较快，其使悬沙的平均粒径减小，而粗颗粒泥沙的百分含量变化正好相反。通过建立石英含量与含沙量和水位上涨率(或下降率)与含沙量之间的相关关系式，本文就汕头湾显损含沙量的年出现率及含沙量和石英含量的特征值进行了推算。     

长江中下游水沙通量变化规律

采用水文学、泥沙运动力学与数理统计学相结合的研究方法，对宜昌和大通两个测站近五十年的实测水文、泥沙资料进行分析，以探究长江中下游水沙通量的变化规律。研究表明，水量由中游向下游沿程递增，但各测站的年均增幅不明显；长江中下游泥沙主要来源于长江上游地区的金沙江和嘉陵江。其次是汉江、洞庭湖和鄱阳湖等水系；长江流域来沙主要以悬移质形式下泄，悬沙通量由中游向下游沿程递减，同时各测站悬移质输沙量也逐年呈阶梯性递减趋势；长江中下游水沙通量有明显的季节性变化，洪季通量值明显高于枯季；悬沙颗粒主要由极细砂和粉砂组成，自中游向下游，泥沙颗粒逐渐细化；由于江阴河段附近边界条件的限制，该区域的悬沙粒径明显小于其上下游河段。     

Effect of Timber Harvest on Physical Water Quality Characteristics

The effect of 11% thinning on selected stream water properties in an oak-beech forest ecosystem in the Belgrad Forest of Istanbul, Turkey was studied with a paired catchment experiment. Regression equations for some physical properties of the stream water were developed between control (W-I) and treatment (W-II) watersheds for calibration (with their 95% confidence limits) and treatment periods. The study discovered significant linear regressions between control and treatment watersheds for color, turbidity, air and water temperatures, suspended sediment concentration, pH and electrical conductivity in the calibration period but not turbidity and suspended sediment concentration in the treatment period. The impact of the timber removal was calculated as the difference between measured and predicted values derived from calibration equations. Results showed that timber harvest caused significant decreases in the color, turbidity, temperature, pH, and electrical conductivity values of the stream water and air temperature under the canopy but did not affect the suspended sediment concentration in the stream water.