定常风场下的太湖风生流水动力特征研究

太湖的主要流动类型为风生流,本文采用数学模型模拟了四种定常风场作用下的太湖风生流水动力特征,总结了风向对太湖风生流分布的影响。研究结果指出：东南风与西北风作用下太湖主湖区存在西部环流、中部环流和北部环流三个大尺度环流,北风与南风作用下太湖主湖区仅存在西部环流和中部环流两个大尺度环流。东南风和西北风作用下,太湖北部竺山湾东北部、梅梁湾东南部和西北部及贡湖湾东北部存在大尺度环流。东风与南风作用下,竺山湾西部、梅梁湾东南部和中部南北两岸及贡湖湾东部存在大尺度环流。定常东南风作用下,太湖表面流向与风向相同,底层流向与风向相反,流向拐点一般出现在相对水深hc=0.8处。     

太湖风生流特征的数值模拟研究

该文基于对太湖地形和水动力特征的分析,建立了沿垂向平均的太湖二维浅水动力学模型,给出了模型参数和模型的数值求解方法.通过对太湖风生流的模拟,分析了太湖风生环流的基本形态特征,并得到了实测流场的良好验证.进一步对盛行风场下的太湖流场和水动力特征进行数值研究表明,太湖风生流的形成主要由风场、湖泊边界及湖底地形决定;得到了不同湖区的流动规律和水动力特征,并揭示了不同湖区流动差异的形成原因.     

三维水动力学方程模拟太湖风生流

运用垂直方向分 3层、时步为 1 2 0s、水平网格距离为 1km的三维水动力模型 ,计算了 8种风向下的风生流。选取典型风向比较分析不同风向下的太湖风生流的结构特征 ,得出结论 :湖区风场决定太湖风生流流型及方向 ,且对峙方位风场形成的风生流流向几乎相反 ,与现有成果的结论基本一致     

太湖风生流及污染物输移扩散数值模拟

建立高精度的太湖三维风生流数值模型和风生流-污染物耦合数值模型,分析了盛行风作用下的太湖风生流特征和风生流驱动下的太湖污染物输移特征。结果表明:稳定后的太湖风生流场,表层流速大于底层流速,表层流向基本上同风向一致,底层流向则与表层大致相反,具有补偿流的特征;风向能显著影响太湖风生流的形态和结构;在垂向扩散作用下,太湖污染物质量浓度沿水深方向上近似均匀分布;在定常风作用下,太湖北部的湖湾区出现多个小尺度闭合环流,不利于污染物的输移扩散,对太湖水环境会产生不利影响。     

大型浅水湖泊风生流场的数值模拟研究

针对大型浅水湖泊水平尺度远大于垂向尺度,水力参数在垂直方向变化要小于水平方向变化,符合浅水流动的特点,采用水深平均的紊流模型模拟大型浅水湖泊的风生流场.在非结构化网格上采用有限体积法离散控制方程,提高了计算精度和效率,运用SIMPLEC算法进行数值求解,克服了为简化计算对二维物理机制常采用-维化数值处理的缺陷,使计算的流场更符合实际流场,并模拟分析了不同风向,风速下博斯腾湖大湖区水流运动特性.     

风应力拖曳系数选取对风生流数值模拟的影响

在风生流的形成中风应力起决定性作用,风应力拖曳系数决定了大气与湖泊间的动量传输率.风应力拖曳系数随风速而变化,与水面粗糙度有关.本文采用五种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行水槽风生流和太湖风生流的数值模拟,与将其视为常数情况相比较,发现风应力拖曳系数取为和风速有关的表达式时,计算结果的精度有较明显提高.对比各表达式模拟结果,采用Large and Pond给出的风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好.     

太湖梅梁湾水源地通过生态修复净化水质的试验

通过在太湖实施的试验研究,发现富营养化水体营养盐浓度的增加会导致附着在水生植物上的附着生物增加,对水生植物(主要是沉水植物)的光合作用造成胁迫,从而说明草型湖泊生态系统的恢复,首先必须降低营养盐浓度,因此,通过恢复水生植物来净化水质是不现实的。与营养盐浓度相比,风浪、光照、鱼的牧食等都不是根本的影响因素。根据调查,示范区夏季盛行偏南风,吹程长,风浪较大,导致沉积物悬浮,影响水环境质量,而蓝藻水华易于在此堆积,这些都是影响该水域水质的主要因素。为此,在生态净化方面,以恢复漂浮植物和浮叶植物为主来净化水质,在工程净化措施方面,提出了消浪和控藻等工程措施,以及布设人工介质(渔网)富集附着生物来净化水质等措施。经过3年的实施,示范区的水质改善已经取得初步成效。     

太湖典型风场作用下的水位特征研究

水位是关系太湖流域水安全问题的核心水动力参数.风场是太湖水位的决定性因素,但是两者间的相互关系尚不明确.本文基于原型观测试验采集的风场和水位数据,分析了SE和NE两种典型风场持续作用24h情况下,太湖6处水位站点的水位分布特征,总结了太湖水位对不同风速的响应关系.研究结果表明:地理位置决定了太湖水位站点的相关性,湖区北部犊山闸站和大浦口站间和南部洞庭西山站、小梅口站和吴溇站间的相关关系均较为显著;SE风向作用下,太湖水位分布特征与风速有关. 9m/s风速作用下,太湖水位随风程增加而增加. 5m/s左右风速作用下,太湖水位分布特征并不严格符合这一规律;NE风向作用下,太湖水位基本符合随风程增加而增加的规律,水深相同情况下,风速与环湖水位差正相关,风速相同情况下,水深与环湖水位差负相关.     

包气带垂向渗透系数的原位试验研究

野外试验测定包气带渗透系数对于研究非饱和带水分运移过程、植物根系吸水特征及产汇流规律具有重要意义。本文采用Inverse Auger法在毛乌素沙地开展了原位包气带垂向渗透系数测定实验。通过实验数据分析表明:①为获得较可靠的垂向渗透系数,野外实验时,需要重复注水过程,使包气带应尽可能湿润,消除水平吸渗对垂向入渗的影响;②采用Porchet推导的计算公式计算包气带垂向渗透系数时,应对获取的数据进行统计分析,放弃不符合实验物理背景的数据。在上述分析基础上,计算得到实验介质平均垂向渗透系数为2.23 cm/h。上述原位实验数据的分析方法和实验结果对相关实验研究具有一定的借鉴意义。     

固液两相流中颗粒受力及其对垂向分选的影响

在不同颗粒浓度条件下，通过考虑颗粒之间的相互作用，对固液两相流中的颗粒受力进行了分析。采用拉格朗日方法对颗粒在一维两相流中垂向运动过程进行了模拟。根据两相流中颗粒分选达到准稳定状态时的分选特征，探讨了作用于颗粒的各种力对颗粒的各种力对颗粒运动和分选结构的影响。推导出颗粒受力与颗粒分选机理之间的关系。     

Approximate bottom contribution to remote sensing reflectance in Taihu Lake, China

Remote sensing is a fundamental tool for the analysis of spatial and temporal trends in lake ecosystems. A major challenge in using these approaches is determining the possible influence of reflectance from submerged vegetation or the lake bottom. In the present study, we examine the water leaving radiance measured in a large number of sites in Taihu Lake, a large shallow lake in southeast China. Due to the high concentrations of suspended sediment and phytoplankton biomass, a majority of the lake can be considered optically deep (i.e. bottom reflectance could be ignored). However, optically shallow waters were present in the shallow bays on the eastern side of the lake. In these areas, submerged vegetation was present. To explore the contribution of the lake bottom and submerged vegetation on remotely sensed reflectance, we compared two modeling approaches (Hydrolight and the LEE). The results show that differences in optical and physical characteristics of the lake bottom strongly influence the spectral characteristics of the measured reflectance. The resulting impact on the estimate of chlorophyll-a concentrations was tested using datasets with and without sites where bottom effects may occur. A significant improvement in the predictive capacity of the reflectance based estimated of phytoplankton biomass was made when areas with bottom influences were removed from the calibration procedure.     

Maintaining healthy rivers and lakes through water diversion from Yangtze River to Taihu Lake in Taihu Basin

On the basis of the Taihu water resources assessment, an analysis of the importance and rationality of the water diversion from the Yangtz,e River to Taihu Lake in solving the water problem and establishing a harmonious eco-environment in the Taihu Basin is performed. The water quantity and water quality conjunctive dispatching ＇decisi＂ofi-makifig support system, which ensures flood control, water supply and eco-aimed dispatching, is built by combining the water diversion with flood control dispatching and strengthening water resources monitoring and forecasting. With the practice and effect assessment, measures such as setting the -integrated basin management format, further developing water diversion and improving the hydraulic engineering projects system and water monitoring system are proposed in order to maintain healthy rivers and guarantee the development of the economy and society in the Taihu Basin.     

太湖沉积物空间分布的风生流输送机制分析

摘要：基于无锡、宜兴和东山3个气象站1997—2007年10年风速的平均值,及太湖站1997—2001年风向统计频率权重,利用非结构有限元的近海海洋环流模型,计算了太湖湖流的辐合区及垂直速度的空间分布。 结果表明：太湖流场的主要辐合区集中在北部湾区、西部沿岸、东太湖湾区的北部及平台山以南的区域。东部沿岸福合区相对比较分散;该分布与中下层的下沉运动分布基本一致。流场辐合区及下沉区的分布与太湖沉积物厚度分布非常吻合,表明风场驱动下的流场辐合及下沉运动是决定太湖沉积物空间分布的关键因子。     

太湖底泥的生态疏浚工程

指出:①太湖底泥是湖体水生态系统的基本要素,也是重要的内污染源.②在湖泊外源污染得到一定控制后,以减少内源污染负荷为目的的生态疏浚是控制内源污染效果较为明显的工程措施.③太湖底泥疏浚属水生态整治工程,以最大可能取走污染物、改善水生态环境为控制目标,生态疏浚是局部的薄层精确疏浚.经采用生态调查方法,查明太湖底泥总蓄积量为19亿m3.主要疏浚范围是底泥厚且污染重的重点功能湖区,如梅梁湖、贡湖等.依据太湖底泥的污染特性,疏浚深度以40～50cm为宜,并应为后续生物修复技术介入创造必要的生态环境条件.密闭无扰动抽吸式头部掘进是关键,冬初至春末为最佳施工期.排泥场防渗、尾水处理达标后排放、淤泥安全处置和资源化利用是生态疏浚的环保要求.     

太湖梅梁湾、贡湖套网格风生流数值模拟

对太湖梅梁湖、贡湖湖流进行套网格数值模拟。根据1998年8月太湖富营养化水质监测水文物理资料,绘制出梅梁湖、贡湖各站点位置分布图和其流速大小和方向。模拟计算与实测结果吻合较好,证明其套网格数值模型的建立是合理和有效的。分析结果表明,太湖各水域流速相差很大,近岸区域流速高于远岸区域,存在明显的近岸流。但流速值不大,即梅梁湖、贡湖和大太湖的水体交换量不大,通过流场分布可初步判断污染物质在水体中的扩散与迁移情况。     

Numerical simulation of wind-driven circulation and pollutant transport in Taihu Lake based on a quadtree grid

In this study,a two-dimensional flow-pollutant coupled model was developed based on a quadtree grid.This model was established to allow the accurate simulation of wind-driven flow in a large-scale shallow lake with irregular natural boundaries when focusing on important smallscale localized flow features.The quadtree grid was created by domain decomposition.The governing equations were solved using the finite volume method,and the normal fluxes of mass,momentum,and pollutants across the interface between cells were computed by means of a Godunov-type Osher scheme.The model was employed to simulate wind-driven flow in a circular basin with non-uniform depth.The computed values were in agreement with analytical data.The results indicate that the quadtree grid has fine local resolution and high efficiency,and is convenient for local refinement.It is clear that the quadtree grid model is effective when applied to complex flow domains.Finally,the model was used to calculate the flow field and concentration field of Taihu Lake,demonstrating its ability to predict the flow and concentration fields in an actual water area with complex geometry.     

湖底地形对风生流场影响的数值研究

本文利用三维水动力学模型，对定常风条件下，几种典型湖底地形浅水湖泊的风生流场进行了数值模拟，比较了几种典型地形的风生流的垂向平均流场与各分层流场的差异。结果表明：在风场等外部条件相同的情况下，湖底地形将决定湖泊风生流场的基本形态和环流流速，碟形底和斜形底的湖泊所形成的垂向平均流场有明显差异。湖底地形的变化对稳定状态的湖泊次表层、中间层和次底层流场有较大影响，而对表层流场影响不大。湖中有无岛屿将形成截然不同的两种风生流场。     

长荡湖、滆湖、竺山湾藻类功能群结构组成与环境因子的关系

为研究太湖流域上游长荡湖、滆湖、竺山湾三大典型浅水湖泊藻类功能群结构组成与环境因子的关系,基于2019年2月至2020年10月水文、水质及浮游植物数据,采用Q指数、香农-维纳多样性指数、TLI综合富营养化指数分析了3个湖泊的水质状况,采用非度量多维尺度变换(NMDS)分析了浮游植物群落结构组成特征,采用冗余分析探讨了浮游植物功能群与环境因子的关系。结果表明：长荡湖和滆湖水质整体属于轻度富营养化,竺山湾除冬季外,均属于中度富营养化;长荡湖、滆湖、竺山湾分别有浮游植物7门61属96种、8门75属129种和6门53属124种,分别划分为9、10和11个优势功能群;3个湖泊藻类功能群变化的共同环境因子是水温、高锰酸盐指数和总磷,而总氮和氮磷比对3个湖泊功能群结构变化的作用并不明显。