浅水湖泊紊流猝发强扰动下水-土界面营养盐动态响应机制及释放机理
结题报告
批准号:
51809102
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
27.0 万元
负责人:
唐春燕
依托单位:
学科分类:
E1007.环境污染治理与修复
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋捷、任秀文、王一舒、王文才
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中文摘要
浅水湖泊近底波流紊动结构引起的沉积物再悬浮是内源释放的主要途径,但其逐级动态驱动机制尚不清楚。本项目通过野外原位观测,从微观角度研究紊流猝发强扰动下水-土界面营养盐动态响应机制及释放机理,主要研究内容为:(1)采集或反演太湖不同湖区水体剖面和近底高频多参数时间序列,获取波流紊动作用下水-土界面沉积物再悬浮营养盐动态交互过程,揭示沉积物再悬浮对紊流猝发事件的迟滞响应过程,明确紊流相干结构对沉积物再悬浮、内源暴发性释放的逐级动态驱动机制;(2)评估不同时间尺度下太湖水-土界面紊流猝发过程对沉积物再悬浮及内源释放通量的影响;(3)参数化或函数化近底层沉积物再悬浮通量及内源释放率,估算不同水动力作用下湖泊沉积物营养盐释放通量。研究成果以期为揭示太湖富营养化的发生机理及湖泊长效管理提供科学依据。
英文摘要
In large shallow lakes, the internal nutrients release is mainly induced by sediment resuspension triggered by the turbulence from wave and current at the water-sediment interface. Therefore, it is imperative to obtain systematic understanding of the cascade driving mechanisms relevant to turbulence structure, sediment resuspension, and nutrients release. In this study, the dynamic interaction process between nutrient release and sediment resuspension under the turbulence from wave and current will be elaborated based on data collected from the in-situ field observation. Firstly, the dynamic processes of sediment resuspension and nutrients release at the water-sediment interface through collecting or inversion from the high-resolution observed multiple parameters. The time-lag response of sediment resuspension to turbulence bursting events will be analyzed. The cascade driving mechanisms will be studied relevant to turbulence structure, sediment resuspension, and nutrients bursting release. Secondly, the impact of turbulence bursting events on the fluxes of sediment resuspension and nutrients release will be assessed in the different time scales. Finally, the sediment resuspension flux and nutrient release rate will be parameterized for eutrophication model in Lake Taihu. Additionally, the sediment and nutrient flux will be assessed under different hydrodynamic scenarios. The results will provide guidance to decision-makers and lake managers in order to mitigate water quality deterioration when adopting nutrient management strategies, especially for internal nutrients.
浅水湖泊水-土界面波流紊动结构引起的沉积物再悬浮是内源释放的主要途径。本研究统筹考虑岸线、水深、水动力、水环境、水生植物等,选取太湖四个点位(拖山、湖心区、太湖站和东太湖),开展原位高频、连续、多参数观测,包括风场、流场、波浪场、浊度、悬浮物及营养盐浓度,探讨风浪流多动力因素对太湖沉积物再悬浮及内源释放的驱动机制。主要结论如下:.(1)风场(风速和风向)是沉积物再悬浮的关键驱动因素,并呈现出明显的空间异质效应。敞水区悬浮物浓度变化受风速影响为主,风向影响为辅,但是湖湾区悬浮物浓度对风场的响应不敏感。敞水区悬浮物浓度与底切应力存在明显的指数关系,并可将泥沙起悬分为四个阶段,获取三个临界动力值;湖湾区悬浮物浓度则更易维持在低浓度范围,对近底切应力变化不敏感。.(2)紊流猝发在各监测站点处的紊动信号序列中时间占比仅有20%左右,却对动量沉积物扩散通量分别贡献了约65%和80%以上,紊流间歇性猝发是沉积物再悬浮及内源释放过程的主要动力来源。沉积物颗粒对紊流相干结构具有三种响应模式:即时响应、滞后响应、受多次猝发组合影响。相同的风速背景下,风浪区的猝发强度和泥沙交换要大于湖流区,风浪区主导猝发行为是喷射、扫掠,湖流区主导猝发行为是摆动、上举。.(3)近底层沉积物再悬浮通量及内源释放率与底切应力存在指数关系。近底层再悬浮通量大于中表层通量值,在底泥模块中应采用近底层沉积物再悬浮通量及底泥释放率,否则会低估沉积物再悬浮的环境效应。此外,某些紊动猝发的瞬间,沉积物湍扩散通量会比利用均化参数得到的再悬浮通量大一个量级左右(有时甚至为两个量级)。研究成果可为揭示太湖富营养化的发生机理及湖泊长效管理提供科学依据。
期刊论文列表
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专利列表
DOI:10.3390/w12030702
发表时间:2020-03-01
期刊:WATER
影响因子:3.4
作者:Fan, Zhongya;Wang, Zhong;Zeng, Fantang
通讯作者:Zeng, Fantang
The influence of ship wave on turbulent structures and sediment exchange in large shallow Lake Taihu, China
船舶波浪对太湖大型浅水区湍流结构和泥沙交换的影响
DOI:10.1016/j.jhydrol.2020.124853
发表时间:2020
期刊:Journal of Hydrology
影响因子:6.4
作者:Wei Jin;Li Yiping;Chen Dong;Nwankwegu Amechi S.;Tang Chunyan;Bu Minsheng;Zhang Shuangshuang
通讯作者:Zhang Shuangshuang
Diverse responses of hydrodynamics, nutrients and algal biomass to water diversion in a eutrophic shallow lake
富营养化浅湖水动力、营养物和藻类生物量对调水的不同响应
DOI:10.1016/j.jhydrol.2020.125933
发表时间:2021-02
期刊:Journal of Hydrology
影响因子:6.4
作者:Tang Chunyan;He Chao;Li Yiping;Acharya Kumud
通讯作者:Acharya Kumud
DOI:--
发表时间:2021
期刊:湖泊科学
影响因子:--
作者:朱雅;李一平;唐春燕;李荣辉;魏尧;陈刚;郭晋川;罗凡;程一鑫;潘泓哲
通讯作者:潘泓哲
Targeting Remediation Dredging by Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Lake Sediment: A Case Study of Shitang Lake, China
通过湖泊沉积物重金属生态风险评估进行有针对性的修复疏浚:以中国石塘湖为例
DOI:10.3390/su11247251
发表时间:2019-12-02
期刊:SUSTAINABILITY
影响因子:3.9
作者:Fan, Zhongya;Wang, Wencai;Zeng, Fantang
通讯作者:Zeng, Fantang
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