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。     

长江口细颗粒泥沙絮凝问题研究综述

为了给长江口区的综合整治工作提供科学依据,系统地梳理了国内外近年来有关细颗粒泥沙絮凝的研究成果,并着重于有关长江口细颗粒泥沙絮凝问题研究成果.从细颗粒泥沙絮凝的机理、絮凝的特性、絮凝沉降的动力模式以及长江口泥沙数学模型中絮凝影响因素的处理等几个方面进行了阐述.建议下一阶段工作应重点放在对泥沙动力特性的研究上,继续开展长江口泥沙絮凝沉降动力学模式的研究工作和完善考虑泥沙絮凝影响因素的泥沙计算数学模型.     

长江口细颗粒泥沙基本特性研究

本文较系统地阐述了长江口细颗粒泥沙的粒度、矿物、电荷与絮凝的基本特笥，综合分析结果，提出了以３２策米作为粗颗粒泥沙与细颗粒泥沙划分的界限，以利推动我国细颗粒泥沙研究的深入。     

长江口细颗粒泥沙过程

本文对长江口细颗粒泥沙过程研究进行了总结,并提出了今后重点研究方向1）长江口细颗粒泥沙是非均匀沙，其运动机理究竟如何？2）大规模水利工程究竟如何影响长江口最大浑浊带?3）在长江口细颗粒泥沙过程的数学模拟中,如何考虑河口波、流相互作用(耦合)及其对近底细颗粒泥沙输移的影响?4）整个长江口水域瞬时、连续的水深、含沙量、地形变化资料的获*粒泥沙过程数学模拟的精度。5）长江口悬沙以拉格朗日模式输运,而过去大多悬沙观测调查是在欧拉模式中进行，如何进行欧拉和拉格朗日模式对比研究?6）风暴潮、台风等对长江口细颗粒泥沙运动的影响。     

单颗粒泥沙沉速公式的对比研究

结合大量的相关研究成果,简要总结了国内外泥沙沉速的研究现状,就单颗粒泥沙在静止水体中的沉降情况对各家泥沙沉速公式进行了分类,并进行了对比分析.结果表明,单颗粒泥沙的沉降特性已基本明确,其中Raudkivi、Cheng和Wu泥沙沉速公式的计算准确程度较高.     

基于絮凝动力学的泥沙絮凝沉降规律研究

泥沙絮凝是一个极为复杂的过程,与泥沙浓度、颗粒表面化学性质和水环境密切相关。而现有的泥沙絮凝沉降动力学模式多采用一级模式,其絮凝速率系数往往通过实验数据拟合得到,缺乏一定的理论基础。基于DLVO理论的絮凝发生条件及胶体理论中的絮凝动力学原理,推导出静水条件下泥沙絮凝动力学方程和絮凝速率系数,由此得到絮凝过程的半衰期及絮凝平均沉降速度等参数。实验数据验证表明：推导的絮凝动力学方程计算结果与实验数据较为吻会,且影响因素考虑较为全面,推导出的絮凝速率系数表达式中将扩散系数、泥沙含沙量、离子浓度、分形维数和颗粒粒径等相关物理参数关联起来,更能体现絮凝的实质。     

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。     

长江口粘性细泥沙有效沉速与相关因素的关系

利用20世纪70年代至今不同时期、不同测点的长江口泥沙垂线分布和流速资料,用Rouse公式拟合法计算得到相应的长江口悬沙有效沉速.计算分析结果表明:①长江口悬沙有效沉速主要集中为1.0～10.0 mm/s;②含沙量和切应力是影响悬沙有效沉速的主要因素;③悬沙有效沉速和含沙量的关系为Wf=4.94C0.87;④悬沙有效沉速和切应力的关系为Wf=2.96τ0.59;⑤在河口地区,悬沙有效沉速比理论沉速和实验室模拟沉速都要大一个数量级左右.在分析大量实测资料基础上为长江口泥沙输运及沉积研究提供了更接近于实际情况的悬沙有效沉速公式.     

刚性植物条件下静水中粗颗粒泥沙沉速研究

为了探求水生植物对泥沙沉速的影响,本文在总结泥沙颗粒在水体中沉降的影响因素及阻力系数规律的基础上,在静水中设置不同直径、不同排列密度的不锈钢圆柱细杆模拟水体中不带分叉的刚性植物,分别测定粒径为0.1cm~0.45cm的沙粒沉速,并与没有植物条件下的沉速进行对比。研究结果发现,在试验粒径范围内,含植物水体中泥沙沉速随泥沙粒径、植物密度增大而减小,通过修正阻力系数,推导出考虑植物杆径及植物密度排列的泥沙沉速公式。     

基于电解质浓度参数的泥沙沉速公式研究

电解质含量是影响黏性细沙絮凝现象及絮凝体清浑水交界面沉速的主要因素。基于黏性细沙沉降试验,引入Image-Pro Plus图像处理软件与MATLAB编程软件,采用自动定义阈值与盒计维数计算方法,得到了不同泥沙浓度及电解质浓度下的絮凝体孔隙率ε与分形维数D;结合吸附等温方程,建立了含有电解质浓度参数的黏性细沙絮凝体的沉速公式,并用实测沉速值对公式进行了验证,结果表明,计算值与实测值符合良好。     

蓄泥库泥沙群体静水沉降速度研究

本文通过数模对蓄泥库泥沙群体静水沉降速率进行了研究，并得到实验验证结果。这一分析结果最后表明：建立的浓度-沉速时程关系是合理的；考虑浓度变化的泥沙群体沉降过程可分为加速、匀速、减速三个阶段；泥沙粒径、泥沙密度、悬液初始浓度对沉速影响较大，而悬液初始深度影响较小。本文建立的沉速与浓度关系对生产实践具有一定的参考价值。     

絮凝剂作用下黏性细沙絮凝沉降规律研究

细颗粒泥沙广泛分布于河流、水库、河口及海岸水体中,其絮凝沉降及输移规律是泥沙运动力学中一个重要课题。采用自制沉降实验装置,实验观测了不同絮凝剂浓度、不同浓度黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程,分析研究了黏性细沙絮凝沉降规律。结果表明：聚合氯化铝(PAC)絮凝剂比较稳定,PAC溶液浓度对不同泥沙浓度絮团沉速的影响均较小,最佳投放浓度可统一采用0.08 g/L。阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)絮凝剂对泥沙浓度的反应最为敏感,絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为3个稳定段和2个敏感段,稳定段CPAM最佳投放浓度分别为0.08、0.10和0.12 g/L,敏感段CPAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为2个稳定段和1个敏感段,稳定段APAM最佳投放浓度不随泥沙浓度的变化而变化,分别为0.08和0.10 g/L,敏感段APAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。絮凝剂APAM的絮凝效果最好,絮凝剂CPAM的絮凝效果次之,絮凝剂PAC的絮凝效果较差。     

长江口外海滨典型断面悬沙通量计算

长江河口的口外海滨地区是河流和海洋之间的过渡区域和长江人海泥沙扩散、堆积的主要场所，也是与杭州湾、江苏海域等邻近水域进行水、沙交换的过往之地。本文运用目前较为成熟和可靠的机制分解法和等面积时变网格法分别对口外海滨地区典型断面的悬沙通量进行了估算，两种方法计算得到的通量结果方向一致，量级相同。结果表明，长江流域来沙出口门后，大约27％向南进入杭州湾，向东人海的有20％左右，还有9％左右的泥沙向北进入江苏海域，剩余的大约44％的泥沙在水下三角洲地区沉积下来。就各输沙项而言，平流作用输沙贡献最大，潮泵作用输沙量次之，垂向净环流和垂向潮振荡切变项的相对贡献较小。     

泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究Ⅱ：沉降速度计算

泥沙生长生物膜后相应的物理特性会发生改变。本文主要探讨泥沙颗粒在微生物生命活动的影响下沉降特性的改变情况。将官厅水库的泥沙分为6组,使用天然水和营养液的混合液对泥沙进行培养,用来模拟富营养水体中泥沙颗粒特性的发展变化情况。对于生长生物膜后的絮体颗粒在各个不同培养时间的沉降运动,实验采用先进的图像采集观测系统进行拍摄采样,并利用图像分析测量颗粒大小和沉速的变化,推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式。研究表明生物膜极大地改变了颗粒的表面特性,使得颗粒下沉阻力增大,与同等大小无生物膜黏连的泥沙颗粒相比沉速明显减小。     

长江口北支沉积物粒径趋势及泥沙来源研究

本文以长江口北支沉积物的粒度分析资料为根据, 运用Gao-Collins粒径趋势分析模型对该区域进行分析处理, 获得采样区沉积物粒径趋势矢量分布. 结果表明: 长江口北支青龙港以上河段的沉积物有向下游搬运的趋势; 而青龙港以下的河段, 沉积物的搬运方向是从下游指向上游; 长江口北支口外海域的沉积物有向长江口北支运移的趋势. 在此基础上, 本文还探讨了导致长江口北支不断淤积的物质来源: 北支以口外海域来沙为主, 上游也有少量泥沙直接进入北支; 北支口外海域来沙以长江口南支入海泥沙扩散倒灌为主, 苏北沿岸泥沙供给很少.     

NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降动力学模式的影响

细颗粒泥沙的絮凝沉降对泥沙输移、土壤渗透性以及污染物迁移有重要作用。在泥沙初始浓度为5g/L、10g/L、20g/L时，作者用吸管法研究了不同浓度NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降的影响，认为细颗粒泥沙相对浓度随时间的变化符合双曲线型动力学模式，泥沙絮凝沉降越快，研究发现泥沙中值沉速（中值粒径）随泥沙初始浓度和NaCl浓度的增大而增大，但泥沙初始浓度和NaCl浓度较高时渐趋缓慢；细颗粒泥沙絮凝度与分散粒径呈幂函数关系，细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0．0245mm。     

长江口南支边滩悬沙级配的现场与室内观测结果的比较分析

根据2005年6月在长江口南支边滩的现场悬沙级配观测数据和悬沙水样的室内粒度分析数据,对分散状态与未分散状态下的悬沙级配的时空分布特征、絮团对悬沙级配的影响及其现场含量等进行了研究。室内粒度分析结果表明,在颗粒分散条件下,悬沙组成较细,以粉砂和粘土为主,悬沙级配的时间和空间变化较小;悬沙级配有明显的垂向分布规律,平均粒径等在垂向上呈线性分布。现场观测结果显示,在颗粒未分散条件下,悬沙组成较粗,粒径大于63μm和4~63μm的颗粒是悬沙的主要成分,悬沙级配在潮周期内变化显著。对比表明,悬沙级配的现场与室内观测结果差异显著,前者明显粗于后者,絮凝作用是造成差异的主因,絮团在现场悬沙中的含量估计超过60%,絮凝作用能够使参加和不参加絮凝作用的泥沙颗粒在絮凝前、后的体积含量发生明显改变。絮团与流速和悬沙浓度的关系复杂,在潮周期内的部分时段里,悬沙平均粒径与流速和悬沙浓度存在较好的线性关系。     

NaCl对细颗 粒泥沙静水絮凝沉降动力学模式的影响

细颗粒泥沙的絮凝沉降对泥沙输移、土壤渗透性以及污染物迁移有重要作用. 在泥沙初始浓度为5g/L、10g/L、20g/L时, 作者用吸管法研究了不同浓度NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降的影响, 认为细颗粒泥沙相对浓度随时间的变化符合双曲线型动力学模式, 泥沙絮凝沉降越快, 研究发现泥沙中值沉速(中值粒径)随泥沙初始浓度和NaCl浓度的增大而增大, 但泥沙初始浓度和NaCl浓度较高时渐超缓慢; 细颗粒泥沙絮凝度与分散粒径呈幂函数关系, 细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0.0245mm.