[发明专利]基于高浊度事件调查的湖泊粘性泥沙输移模型建模方法

说明书

本发明涉及基于高浊度事件调查的湖泊粘性泥沙输移模型建模方法，应用底泥调查、粘性泥沙沉降实验、原位观测手段，对一个大型浅水湖泊的高浊度事件开展了综合调查，并基于综合调查情况建立湖泊粘性泥沙输移模型。该模型能够精确模拟2020年原位观测期间4个站点的悬浮泥沙浓度时间变化(r≥0.9)，且其模拟的悬浮泥沙浓度场比MODIS反演场在描述底泥悬浮导致的悬浮泥沙浓度空间分布变化上更值得信赖。WCCM‑CSTM计算的悬浮泥沙浓度空间分布精度取决于与底泥理化性质相关的τ_ce的空间分布。本发明综合调查改进了对浅水湖泊粘性泥沙运移特征的理解，实现高精度粘性泥沙传输数值模型的构建。

技术领域

本发明属于水环境及数值模拟技术领域，具体涉及基于高浊度事件调查的湖泊粘性泥沙输移模型建模方法。

背景技术

湖泊表层底泥是湖泊生态系统的重要组成部分，与波浪作用有关的高浊度事件是浅水湖泊的一个特征(Chung et al.,2009；Valipour et al.,2017)。悬浮沉积物在营养盐和污染物的生物地球化学循环中扮演重要角色(Bao et al.,2020；Carpenter,2005；Scheuet al.,2015；Sterner et al., 2017)。在湖泊高浊度事件中发生的沉积物迁移过程可以概括为：当湖床受到波浪或水流引起的剪切应力时，泥沙可能被夹带(即沉积物侵蚀)；然后悬浮沉积物通过水动力过程(平流和扩散)进行迁移；随着风的消退，悬浮沉积物又沉降到沉积床(沉积)。近年来，泥沙再悬浮的过程受到了极大的关注(Gibbs et al.,2016；Schwabet al.,2006；Troud et al.,2019)。然而，与已经研究了两个多世纪的河道环境(河流)中的沉积物迁移相比( et al.,2020)，由于泥沙特性和环境条件的变化带来的复杂性，人们对湖泊中的泥沙迁移仍然知之甚少。

湖床沉积物是水、粘土、有机物、淤泥和沙子的混合物，当细粒成分质量(粒径小于62.5μm) 的百分比大于10％时，通常被称为粘性泥沙，这是沉积物运输行为从无粘性到粘性变化的临界值(Mitchener and Torfs,1996)。细粒度的成分可以大大增加床面泥沙的抗剪应力，并影响床面沉积物侵蚀的开端0(Mitchener and Torfs,1996； et al.,2020)。它们也通过絮凝作用影响悬浮沉积物的沉积(Berlamont et al.,1993；Hamiltonand Mitchell,1996；Ji,2008)。除了泥沙的特性外，侵蚀和沉积都取决于湖泊中水动力引起的剪切应力。风浪会导致浅水湖、风口湖的高浊度事件(Jin and Ji,2004；Kelderman etal.,2012；Luettich et al.,1990；Niu et al.,2018)。因此，这些湖泊中的粘性泥沙经常经历一个重新悬浮和沉淀的快速循环(Luettich et al.,1990； Scheffer,2004；Wu etal.,2019)。

由于粘性泥沙运动是高度依赖于环境条件的，因此原位研究是弄清湖泊粘性泥沙运动机理的根本方法。已有的湖泊粘性泥沙动力学研究以实验室研究为主，但是基于实验室的方法 invariably给出不准确的现场估计(Douglas et al.,2010；Liu et al.,2019；Mitchener and Torfs, 1996)。一方面，在实验室中实现与自然水体一致的水动力重建、絮凝物形成和化学属性是非常困难的；另外一方面，从采集、运输和测量过程将无可避免对粘性泥沙的质地、化学和生物条件产生影响。因此，许多泥沙学者均强烈推荐采用原位观测方法研究粘性泥沙运动 (Douglas et al.,2010；Li and Amos,2001；Scheu et al.,2015；Valipour et al.,2017)。不过，由于风场是决定湖泊粘性泥沙运动的关键因素，湖泊中显著的高浊度事件多与强风事件相关，而两者均具有间歇性和快速变化的性质。这对原位观测湖泊粘性泥沙动态提出了挑战。幸运的是，近年来的无线传感器和通信技术的发展为大风事件中湖泊环境要素变化原位观测铺平了道路 (Hipsey et al.,2019；Soulignac etal.,2017)。