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1.通过研究方法的创新,揭示了浅水湖泊水土界面上物质交换的动力条件,从而为湖泊内源污染问题的解决奠定了基础 |
以往对于湖泊的研究常常是定点定时采样分析,缺少针对某个问题来设计野外调查方案。我们以太湖为典型,在抓风浪过程(无风、小风、大风)中,同步采取水柱中不同深度的水样,分析其中悬浮物浓度及其他化学、生物物质浓度。通过风速、波浪和湖流的同步观测,结合公式计算,获得了太湖湖底作用于水土界面上的剪切力的变化(见图1),令人惊讶的是,作用于水土界面上主要剪切力,不是我们以往一般所认为的湖流,而是波浪,波浪产生的剪切力常常高于湖流产生的剪切力,因此,可以肯定,在浅水湖泊中,导致沉积物的悬浮、底泥中营养盐释放的动力主要来自波浪而非湖流。而不同风浪条件下,悬浮物浓度随风速变化所形成浓度剖面差别非常大(图2)。这在浅水湖泊中是首次揭示这样的现象,因为,在许多人的观念中,浅水湖泊可以看成是上下均匀的一个水层。 |
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图1(点击可放大↑) |
图2(点击可放大↑) |
图3(点击可放大↑) |
图1:2002年太湖梅梁湾中心水域测得的风速(a),波浪的三个要素(b),湖流流速(c)及计算获得的湖流和波浪产生的作用于水土界面上的剪切力(d) |
图2:2003年6月13日在梅梁湾测得的不同风速条件下,悬浮物浓度(SS)随深度的变化
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接下来的问题是多大的风浪条件下,可以导致沉积物的悬浮?为了解决这个问题,我们创造性地把港口海岸工程中常用的水槽试验用到我们的研究中来。下图是水槽的一个示意图(图3),沉积物取自太湖梅梁湾,沉积物放入水槽中,充分搅动,使之悬浮后,静置数周,使得沉积物形成与野外相似的沉积层理和压实度。 |
再通过造波机,叠加波浪过程。波浪过程从弱到强。同时,观测沉积物的启动过程,记录沉积物启动时的波浪强度,同时,取样测定水柱中的悬浮物浓度、营养盐(氮磷)浓度变化。试验结果揭示了太湖沉积物启动的临界启动剪切力为0.038N/m2,这个强度与野外风速6m/s以上相当。 |
上述成果的关键是方法上的创新性。由于使用新的方法,使得浅水湖泊中对透明度和光合作用影响巨大的沉积物悬浮的动力来自何方以及多大的风浪可以导致沉积物悬浮等问题获得了解决。通过上述方法的建立,逐步摸索出一套适合大型浅水湖泊的研究方法,同时,也深化了对浅水湖泊生态环境演化机理的认识。
参考文献:
QIN Boqiang, Weiping Hu, Guang Gao, Liancong Luo. The Dynamics of resuspension and conceptual mode of nutrient releases from sediments in large shallow Lake Taihu, China. Chinese Sciences Bulletin, 2004, 49(1): 54-64.
秦伯强,胡维平,陈伟民等. 太湖生态环境演化的过程与机理. 科学出版社,2004年,北京,1-389。
秦伯强, 胡维平, 高光, 罗潋葱,张金善. 太湖沉积物悬浮的动力机制及内源释放的概念性模式,科学通报,2003, 48(17): 1822-1831.
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