悬浮颗粒物粒径分布的幂律模型研究——以黄渤海为例

为了准确地描述悬浮颗粒物粒径的分布特征,探索高精度的悬浮颗粒物粒径分布模拟,本文基于2014年11月黄、渤海的现场悬浮颗粒物粒径数据,研究了幂律模型在黄、渤海的适用性;同时,参考粒径作为幂律模型的重要参数,影响着幂律模型的斜率(颗粒粒径分布斜率)和模拟精度,因此对不同参考粒径下幂律模型的斜率变化情况以及模型模拟精度也进行了分析。结果显示:黄、渤海区域颗粒粒径分布斜率在0.46~7.53(均值:4.09),其中84.2%的斜率在3.2~4.5范围内;当参考粒径小于7.33μm时,颗粒粒径分布斜率变化大(均值为5.60±1.09),颗粒粒径分布模拟误差大,平均相对误差绝对值在20%~85%范围内,平均相对误差绝对值的平均值为48.2%;当参考粒径为7.33~19.8μm时,颗粒粒径分布斜率为4.08±0.29,颗粒粒径分布模拟的平均相对误差绝对值在5%~25%范围内,平均相对误差绝对值的平均值为9.8%;当参考粒径大于19.8μm时,颗粒粒径分布斜率为3.87±0.25,颗粒粒径分布模拟的平均相对误差绝对值在2%~10%范围内,平均相对误差绝对值的平均值为6.0%。误差分析表明:参考粒径取值大于19.8μm,幂律模型对颗粒粒径分布的模拟效果较好,最优参考粒径可选为122.0μm,此时模拟误差最小(平均相对误差绝对值的平均值为4.79%±1.78%)。     

长江口及其邻近海域悬浮颗粒物浓度和粒径的时空变化特征

长江口是典型的高浊度河口,长江口及其邻近海域悬浮颗粒物（suspended particulate matter,SPM）浓度跨度大,泥沙过程活跃、复杂。2015年7月9-20日（洪季）和2016年3月7-19日（枯季）,使用OBS和LISST分别测定了该区域99个和89个站位的SPM浊度、光衰减系数、总体积浓度、平均粒径和粒径谱等参数;同时通过现场过滤测定了各站位表、中、底3层的SPM质量浓度以及典型站位SPM中颗粒有机碳（particulate organic carbon,POC）的δ13C、颗粒氮（particulate nitrogen,PN）的δ15N以及POC/PN摩尔比值。结果表明,浊度、光衰减系数、总体积浓度等3个参数均与SPM质量浓度显示出了显著的正相关关系。研究区域SPM平均粒径一般表层大于底层、枯季大于洪季;长江淡水端元输出的SPM粒径枯季也明显大于洪季。具有相似粒径谱特征的SPM可以通过测定δ13C和δ15N值来进一步区分其来源和组成。SPM质量浓度和总体积浓度等参数结合还可以计算SPM有效密度,用以了解研究区域SPM的沉降过程。结果表明两个季节SPM有效密度和粒径之间显示出了显著的负相关关系,说明枯季长江输出的SPM由于粒径大、密度小、沉降速度低,加之强烈的垂直混合和口门拦门沙附近的再悬浮,随着环流可能到达研究区域北部的最东端;而洪季长江输出的SPM由于粒径小、密度大、沉降速度高,在口门附近快速沉降。     

西北太平洋春、秋季悬浮颗粒物的粒径变化与物质组分

为了解日本以东的西北太平洋200m以浅上层水体悬浮颗粒物的粒径变化与物质组分,分别于2015年5月和9月在该海区应用LISST-100X型现场激光粒度仪进行了悬浮体粒径分布的测量,并采集悬浮体水样采用扫描电镜及能谱分析悬浮颗粒物的物质组分.结果表明,研究区的悬浮颗粒物主要由大粒径颗粒(大于133μm)组成,并在100m以浅的上表层集中分布,其余层位颗粒含量较少.秋季悬浮体浓度远高于春季,但大粒径颗粒所占的比重明显降低,中等大小的颗粒(36~133μm)所占比重相应增加,中等粒径颗粒和细小粒径颗粒(小于36μm)在200m水层以浅分布较均匀,并有随着粒径的增大悬浮体浓度逐渐增加的趋势.悬浮颗粒物组成成分主要为单矿物碎屑、生物碎屑、絮凝体,主要来源于海洋浮游生物和陆源输入.悬浮体浓度及粒径分布特征主要受生物生长、大陆风尘和洋流输送等因素的影响.     

浙江近岸海域悬浮颗粒物中磷的赋存形态及分布特征研究

磷元素是海洋基础营养盐之一,其赋存形态及分布直接影响海区的初级生产力,是海洋生物地球化学循环的重要驱动力。但大河河口与近海等重要的水生关键带水动力循环过程复杂,导致悬浮颗粒物(SPM )中磷元素的赋存形态和分布特征变化多端,亟须深入研究。根据2016年春季(4−5月)、夏季(7月)和秋季(9−10月)对浙江近岸海域的调查结果,本研究分析了浙江近岸海域SPM中总磷(TPP)、无机磷(PIP)和有机磷(POP)的含量水平、空间分布特征和影响因素。结果表明,浙江近岸海域SPM中TPP含量范围为0.13～66.13 μmol/L,均值为3.35 μmol/L;PIP含量范围为0.03～34.19 μmol/L,均值为1.97 μmol/L;POP含量范围为0.06～31.94 μmol/L,均值为1.39 μmol/L。PIP是浙江近岸海域水体中TPP的主要存在形式,占52.3%。春季浙江近岸海域表层TPP含量占总磷(TP)含量的19.3%～97.7%。春、秋季的SPM中,TPP、PIP和POP含量空间分布相似,均呈现由内湾向外海逐渐降低的变化趋势。PIP、POP与SPM呈显著的正相关性,表现出高SPM含量的海区有着较高的颗粒态磷含量,说明其受陆源输入的影响。春季盐度大于28且SPM含量小于20 mg/L的外侧远海海域,POP与Chl a的相关系数和斜率均明显高于PIP与Chl a的相关系数和斜率,说明该区域浮游植物是POP的主要贡献来源。     

茂名海域水体表层悬浮泥沙浓度时空分布特征的遥感分析

利用Gorden关系式,从茂名海域的多时相卫星影像定量反演了表层悬浮泥沙浓度的时空分布特征。经近期该海域实测悬沙资料验证表明,茂名沿海水体表层悬浮泥沙浓度偏低,一般低于200 mg/L;表层悬浮泥沙浓度在空间尺度上由岸向海呈带状分布,并逐渐降低,其中-1 m以浅区悬沙浓度最高,一般可超过100 mg/L,-10 m以深区浓度最低,一般低于20 mg/L。此外,沿海水体表层悬沙浓度往往在冬季高于夏季,大风天气高于平常天气。     

青岛近海秋末冬初悬浮颗粒物中部分金属元素的组成与影响因素研究

2008年11月末在青岛近海和胶州湾11个站点采集表层和底层海水中的悬浮颗粒物(SPM)样品,经消解后用等离子体发射光谱法测定了Al、Ca、Fe、Mg、Mn、Ti和Ba、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Sr、V、Zn共15个金属元素以及P的含量,结合SPM和元素含量聚类分析的结果探讨了秋末冬初青岛近海SPM的来源以及金属元素组成的影响因素.SPM含量范围在1.7～16.1mg/L之间,平均为7.9 mg/L;SPM来源以陆源风化产物为主,生物生产有较小的贡献.SPM中Ti、Fe、Mn、Mg、Al、V、Co、Sr和Ni的含量相对恒定,且主要受陆源输入的控制;Ca和P除受陆源影响外,生物生产亦有附加贡献.离陆地相对较远的区域表层海水SPM中Pb、Zn和Ba、Cr、Cu的含量较高,特别是Pb和Zn的富集因子较大,可能受到了潜在的污染影响.Ti的恒定性以及与SPM的良好相关性代表着在青岛近海可用Ti作为颗粒物陆源指示元素,且优于Al.     

黄河利津水文站不同粒径悬浮颗粒物中有机碳含量的研究

估算不同粒径TSS中POC的入海日通量,对黄河利津水文站悬浮颗粒物(total suspended solid,TSS)样品,采用基于stokes原理的沉降法分为Ⅴ级,对分级后的样品测其有机碳(particulate organic carbon,POC)含量和粒度组成。在此基础上,用多元线性回归法对数据进一步处理,准确得到样品中不同粒径TSS中POC的含量。研究表明,黄河口淡水端水体TSS,<8μm的粘土和极细粉砂、8~16μm的细粉砂中,POC的含量为0.600%和0.400%左右;16~32μm的中粉砂中,POC的含量不足0.200%;而32~63μm的粗粉砂和>63μm砂中POC含量仅为0.050%和0.004%左右,80%以上的POC主要集中在<16μm的TSS中,而<32μm的TSS承载了95%以上的POC。     

厦门湾上屿附近海域悬浮颗粒物中若干元素的时空分布特征

本文测定了在厦门湾上的屿附近海域定点站６个航次所采集悬浮颗粒物中Ｆｅ,Ｍｎ,Ａｌ,Ｔｉ,Ｂａ和Ｃａ６种金属元素的含量,并结合相关要素,探讨了该海域悬浮颗粒物的化学组成及其生物地球化学特性。对悬浮颗粒物中Ｆｅ,Ｍｎ,Ａｌ,Ｔｉ,Ｂａ和Ｃａ等元素的垂直分布与时间变异研究发现,它们多数与悬浮颗粒物关系密切,沉积物再悬浮作用是控制水体尤其是底层水悬浮颗粒物时空变化的主要因素。     

2013 年夏秋季黄、渤海悬浮颗粒物粒径分布特征

悬浮颗粒物及粒径是水质重要参数,研究其分布特征有助于加深对海洋生态环境的了解。利用2013年6月和2013年11月LISST-100观测数据,研究了黄、渤海区域悬浮物粒径和浓度的分布情况,浓度分布整体上近岸高远岸低,粒径分布呈现近岸细远岸粗的特征,季节分布特征明显。通过典型断面分析发现,悬浮物粒径和浓度随着水深变化明显,连续站数据分析结果表明,大风对底层颗粒物的再悬浮作用显著,潮流对悬浮物的时空分布有着重要影响;水体衰减系数随着体积浓度变化明显。此外,还研究了悬浮颗粒物粒径Junge分布在黄、渤海区域的适用性。     

次生悬浮颗粒物与海域生命元素的内循环

重点讨论近岸海域海洋资源开发过程中所诱发产生的次生悬浮颗粒物的产生机制，及其对近岸海域水体中生命元素的生物地球化学的行为，过程和内循环等诸环节的效应。该物质很大程度上决定了海域水体中的生命元素的存在形态，含量水平。因此，可能成为近岸水体富营养化的潜在威胁。     

粤西及琼东北海区悬浮体浓度及海水浊度特征分析

通过对粤西及海南岛东北部海区现场调查,取得了大量悬浮体浓度及海水浊度数据,分析后发现调查海区悬浮体浓度值普遍较低,绝大部分海域为清洁海域。对悬浮体浓度及海水浊度平面图及断面图分析后发现,春夏季粤西悬浮物主要来源于珠江口及琼州海峡,且两处悬浮物在电白外海存在明显的分界,琼东北海域悬浮物主要来自于海南岛及外海。近岸及底层悬浮体浓度及海水浊度具有较好的相关性,浊度能够很好地反映悬砂含量,但是不能反映生物活动及分布状况,如琼东上升流区的生物活动较剧烈,虽然其悬浮物浓度值偏高,但其浊度值并没有明显升高。     

Determination of suspended sediments particle size distribution using image capturing method

Suspended sediments deposition at estuary affects marine life in coastal ecosystem. Particle size distribution (PSD) is used to find settling velocity of suspended sediments. In this study, a new image capturing system for size analysis (ICS4S) method using digital camera-based image capturing technique for determining PSD is proposed and validated. Image of suspended sediments is acquired using a low-cost setup developed, and ImageJ software is used for image processing. The PSD results obtained using ICS4S method is well correlated with hydrometer test and the Shen method. The proposed ICS4S method is easy to understand and implement both in laboratory and field.     

Short-term variability of the size spectra of suspended particles in a rapidly changing environment

Analysis of suspended matter collected in the lower St. Lawrence estuary indicated short-term variabilities in both the structure and dynamics of the particles. Variations with time and depth were ascribed to fluctuation of particle concentrations within the size ranges of the major peaks of concentration. A deterministic pattern was found for the temporal succession of the spectra when total particle concentrations were high. This was due to combinations of three factors that act in one of two ways, either (i) high current velocity—spring tide—stratified waters, or (ii) lower current velocity—neap tide—mixed waters. In the first case, the current effect prevailed, while the tide effect was dominant in the second one. A random pattern occurred in the succession of the spectra when lower particle concentrations and patches of smaller dimensions were present in well mixed water bodies. Successions of spectra were not always in phase at different depths within the water column.     

长江口特大洪水浑浊带悬沙粒度分布特征

2020年长江流域发生了历史第二大洪水,大通站洪峰流量达到84 500 m3/s。本文基于2020年7月长江口特大洪水期间最大浑浊带多站位的水沙观测数据,重点分析了悬沙粒度组分的时空分布特征,并与常态水文条件下的粒度数据进行对比。结果表明：（1）最大浑浊带悬沙垂向平均中值粒径为10.4μm,变化范围为6～27μm,以黏性细颗粒泥沙为主;其中核心区南槽、北槽及北港的中值粒径分别为8.4μm、7.6μm和8.5μm,过渡区分别为7.2μm、16.4μm和14.5μm。（2）悬沙中值粒径垂向分布受不同组分影响,核心区底层中值粒径为8.8～9.6μm;底层黏土含量在28%～31%之间,粉砂含量在61%～64%之间,中值粒径主要受黏土及粉砂组分影响;过渡区北港和北槽垂向平均砂组分高达19%,南槽砂组分平均仅占5%,中值粒径主要受砂组分影响。（3）对比2013年洪季浑浊带数据,2020年粒径整体增大5.4μm,核心区黏土含量相较2013年减少12.7%,砂增加6.3%;过渡区北槽与北港平均粒径增大10μm。     

椒江河口洪季最大浑浊带核部的悬沙分选机制

以实测悬沙粒径、流速、含沙量资料为基础,通过悬沙不同粒级组分、中值粒径以及粒度参数的统计,分析椒江河口最大浑浊带核部悬沙粒径分布变化特性。研究表明,悬沙粒径分选主要受物质来源、潮流动力作用下底部部分物质再悬浮和絮凝沉降3个因素的影响。其中第二个因素起主导作用,大潮期比小潮期显著,第三个因素的作用主要发生在涨落憩前后低流速期,并在表层较近底层的水体明显。     

夏季台湾浅滩周边水域悬浮物质浊度和叶绿素a荧光分布特征

2004年7~8月在台湾浅滩周边水域进行了两个断面的水体悬浮物浊度、叶绿素a荧光调查,通过对该区域夏季悬浮物质浊度、叶绿素a荧光的分布变化特征研究,结合水文相关要素分析,初步揭示了该区域海洋沉积和再悬浮过程对悬浮体浊度、叶绿素a荧光分布的影响.悬浮物质浊度在近岸与陆架外缘主要受再悬浮作用影响,而浅滩区再悬浮作用不明显;在陆架外缘区浮游植物的聚集作用对浊度有一定的贡献作用,而近岸区则不明显.     

A model of turbidity maximum maintenance in the Irish Sea

A two-dimensional model has been developed in order to improve understanding of the processes which interact to maintain the sediment concentrations at an isolated turbidity maximum in the Irish Sea throughout the year. The model comprises two interchangeable populations of particles with different diameters, one of fine cohesive material, the other made up of flocs. Both populations are slow settling, and subject to horizontal diffusion, resuspension, settling, aggregation and disaggregation.The equations used to describe the processes of aggregation and the break-up of flocs in response to sediment concentration and turbulent shear have been developed by the tuning of the model to observations. Due to high turbulent shear at the turbidity maximum, the particles are predominantly fine, while the sediment in the surrounding water is made up of larger flocs. Diffusion of small particles out of the turbidity maximum balanced by the diffusion of aggregated material towards it provides a mechanism for its maintenance. The modelled sediment concentrations at the turbidity maximum can be reproduced year-on-year, with no loss due to diffusive processes. This is achievable with a limited, exhaustible source of material which is not replenished once resuspended.Through comparison with satellite imagery the correlation of the modelled sediment concentrations with observations is investigated, both spatially and temporally. The seasonal cycle is reproduced well by the model with winter and summer concentrations matching those observed. Spatially the model also performs well in both turbid regions and those where the surface sediment load is low.