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鄱阳湖水文节律变化与生源物质耦合影响下洲滩植被带状分布规律研究

申报人:傅宇 申报日期:2024-04-06

基本情况

2024
鄱阳湖水文节律变化与生源物质耦合影响下洲滩植被带状分布规律研究 学生选题
创新训练项目
工学
水利类
教师科研项目选题
一年期
鄱阳湖湿地是国际重要湿地,拥有丰富的生物资源。近年来,由于气候变化和人类活动等多方面因素影响,鄱阳湖的水文节律和水动力特性正发生重大变化,进而引发水环境承载力下降、湿地植物退化等一系列生态环境问题。在此背景下,揭示水文节律变化和生源物质迁移转化耦合作用下洲滩植被分布规律,是亟待解决的科学问题和技术难题。本项目以鄱阳湖典型洲滩植被为研究对象,综合运用资料收集、现场观测、理论分析、数值模拟和室内实验等研究方法,主要研究内容包括:1)气候变化和人类活动影响下鄱阳湖水文节律演变规律;2)洲滩湿地生源物质迁移转化对鄱阳湖水文节律的响应机制;3)鄱阳湖洲滩植被带状分布对水文节律与生源物质迁移转化的响应机理。本研究可以为鄱阳湖湿地管理提供理论参考和对策依据,具有重大的现实意义和学术价值。
已参与基于人工智能的水生态环境监测与水安全预警等课题2;已发表EI会议论文两篇,申请发明专利4项,实用新型专利2

1.平原河网水动力优化再构理论体系与方法,国家重点研发计划-课题,2022.11-2026.10,主持

2.大型过水型浅水湖泊数字孪生关键技术研究-以洪泽湖为例,江苏省水利科技项目,2022.06-2024,主持

3.长江流域典型通江湖泊水生态环境演变规律及水库群优化调控方法研究(U2040205),国家自然科学基金委员会, 国家自然科学基金-长江水科学研究联合基金,2022.01-2024.12,参与

4.基于人工智能的水生态环境监测与水安全预警(2019YFEO109900),中华人民共和国科学技术部,国家重点研发计划-课题,2020.12-2022.11,主持

5.河流水沙界面生源物质迁移转化过程及规律(51679065),国家自然科学基金面上项目,2017.01-2020.12,主持

6.平原河流水沙运动对污染物输运作用机理及环境调控(51239003),国家自然科学基金重点项目,2013.01-2017.12,课题负责人

7.滨海盐沼水动力机制和物质传输特征多维实验和数模研究(51279056),国家自然科学基金,2013.01-2016.12,第二负责人

8.长江中游通江湖泊江湖关系演变及环境生态效应与调控(2012CB417000),第五课题:江湖关系变化的湖泊和洲滩湿地生态效应,国家重点基础研究发展计划(973计划),2012.01-2016.08660万,专题负责人

9胶体在河流中潜流交换机制及沉积分布特征51109059),国家自然科学基金青年项目,2012.01-2014.12,主持

10.胶体在地表水-地下水界面潜流交换过程研究(2011585612),国家重点实验室专项经费资助项目,2011.05-2013.12,主持

确认项目的研究内容,研究意义以及研究的技术路线和方法。指导实验的设计和开展,为实验开展提供必要的软硬件环境,指导将试验成果转化为专利和学术论文。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
傅宇 大禹学院 土木、水利与海洋工程 2022 项目负责;申报书撰写;监督实验流程;现场观测实验;财务管理;专利申请;论文撰写
胡倩菡 港口海岸与近海工程学院 港口航道与海岸工程(大禹) 2022 申报书撰写;室内实验操作;项目申报及接替准备
杨哲瑞 电气与动力工程学院 电气工程及其自动化(大禹) 2022 申报书撰写;实验数据处理;协助搭建预测模型;撰写研究报告
李泽坤 水文水资源学院 水文与水资源工程(大禹) 2022 申报书撰写;项目申报及结题准备;撰写研究报告
孙梦泽 水利水电学院 水利水电工程(大禹) 2022 申报书撰写;现场观测实验;实验装置设计;室内实验操作;数值模拟模型搭建;论文撰写

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
金光球 大禹学院

立项依据

鄱阳湖是我国第一大淡水湖,也是国际重要湿地,为整个长江流域乃至全球的水循环、物质能量交换和物种多样性保护提供了重要场所。鄱阳湖作为过水型、吞吐型、季节性的湖泊,受到长江干流和湖泊众多支流的共同影响,具有“洪水一片,枯水一线”的特征,其周期性水文节律造就了洲滩湿地植物群落梯度分布格局和空间分布差异。然而近年来,受气候变化、人类活动等多方面因素影响,鄱阳湖水文节律和水动力特性正发生重大变化,出现了枯水期提前和枯水期持续时间增长的状况,引发水环境承载力下降、生源物质迁移转化规律出现较大改变。在水文节律和环境变化的共同驱动下,鄱阳湖湿地生态系统也产生了诸多变化,洲滩平均提前1-2个月出露,湿地植被淹水时长明显缩短,湿地植被分布格局产生剧烈变化。因此,围绕洲滩湿地植被生长与分布状况对水文节律变


1 鄱阳湖地理位置

化和生源物质迁移转化的响应规律展开研究,有利于更加科学地提出湿地生态系统管理、可持续的策略。



2 典型洲滩湿地植被带状分布格局

湿地水文节律影响着湿地植物群落的分布及其生物量、群落稳定性、物种丰度和群落演替。长期演替与进化中,湿地植物种针对淹水时长在生态系统内形成了对应的生长和分布阈值,洲滩湿地植被在水文节律的驱动下表现出明显的带状分布格局。湿地中生源物质的差异也会对湿地植物的类型、数量和质量产生直接影响,关系着区域湿地环境的形成和演替。以往的研究中,主要关注水文节律或生源物质迁移转化对洲滩湿地植被群落的分布的单独影响,忽略了水文节律与生源物质迁移转化耦合作用下洲滩植被分布规律的研究,不利于湖泊湿地的科学管理。

因此,本团队以鄱阳湖典型洲滩湿地植被为研究对象,围绕“水文节律变化-生源物质迁移转化-洲滩植被分布”之间的关系展开系列研究,以期能够揭示环境因子驱动下鄱阳湖洲滩湿地植被生长分布内在机制的新视角,为外界环境快速变化下的鄱阳湖湿地管理提供理论参考和对策依据。

本项目交叉融合水力学、水文学、环境科学、生态学等学科知识,综合运用资料收集、理论分析、数值模拟、室内实验和现场观测等研究方法。项目拟分为三个层次展开研究:

气候变化和人类活动影响下鄱阳湖水文节律演变规律

针对长江-鄱阳湖-“五河”系统,基于长期水文水动力资料,分析鄱阳湖天然水文节律年内年际变化规律,研究上游“五河”水库群和三峡水库联合调度对鄱阳湖水文节律的影响,探究极端干旱条件下鄱阳湖水文节律演变规律,为进一步揭示鄱阳湖水文节律对生源物质迁移转化的影响机制提供基础。

洲滩湿地生源物质迁移转化对鄱阳湖水文节律的响应机制

依据鄱阳湖水文节律演变规律,采用数值模拟和室内实验的研究方式,分析洲滩湿地生源物质沿断面分布特征,研究生源物质分布对水位波动的响应机制,阐明水位波动下生源物质迁移转化过程,为研究水文节律变化和生源物质共同影响下的洲滩植被带状分布提供条件。

鄱阳湖洲滩植被带状分布对水文节律与生源物质迁移转化的响应机理

基于上述研究规律和响应关系,结合历史数据和野外观测情况,分析鄱阳湖洲滩植被带状分布特征,研究洲滩植被带状分布对水文节律与生源物质迁移转化的响应机理,建立鄱阳湖水文水动力-生源物质耦合作用下洲滩植被群落分布格局演变的预测模型。

本团队首先从鄱阳湖碟形湖出发,总结了前人对碟形湖水文节律演变规律的研究;然后针对鄱阳湖季节性水动力变化对溶质迁移及洲滩湿地土壤成分的影响研究现状进行了深入的探讨,最后总结了“水文节律变化-生源物质迁移转化-洲滩植被分布”间响应机理的研究现状。主要研究进展如下:

鄱阳湖碟形湖水文节律演变规律研究现状

在三峡大坝建成、鄱阳湖湖体核心保护区设立等一系列举措实施后,鄱阳湖的水文节律发生了一定的改变,以往的模型不再适用。针对鄱阳湖水文节律演变,国内众多学者采用不同方法进行研究,如基于黄土的季节趋势分解法,MK检验、累计偏离等计算方法及遥感观测,分析了近50年鄱阳湖和长江不同站点的长期观测水位,得出年湖泊水位的累计变化、季节性湖泊水位的变化、每日湖水位分布变化等时空变化分析[1-3]郝莹莹从生态学角度入手,运用遥感和地理信息系统的手段,对不同时相的鄱阳湖景观面积进行了提取和分析,结合鄱阳湖星子站30多年(1980-2016 年)来的水位数据,发现2003 年以来,鄱阳湖水位整体水位值低于2003年前,具体表现为:鄱阳湖丰水期“高水不高”、退水期退水加快、枯水期提前的水情[4]但针对于鄱阳湖的水位时空变化模型,国内外研究还未深入开展。

其他大多数研究侧重于鄱阳湖的水沙交换情况,香天元[5-7]等综合运用M-K法和累积量斜率变化分析法,确定突变点——1968-1970年、1998-2000年前后。划分基准期和变异期,在计算气候变化和人类活动对泥沙的影响贡献率的基础上进行了归因分析,并建立了研究区域鄱阳湖湖口站水沙模拟模型,得出人类活动对同期鄱阳湖湖区淤积沙量的影响贡献率则呈现先降后升的趋势,从88.87%下降到84.66%,再上升到88.38%

综上所述,现有研究主要以鄱阳湖的入湖水沙量分析和多年水文变化情况为主,虽然有部分研究季节性水文周期性变化及水文节律日变化,但其主要研究旱雨季而非按植物四季生长分布的水文节律。在此基础之上,本团队将建立鄱阳湖的季节性水文节律模型,进而得出鄱阳湖湖水的四季溶质变化规律。

鄱阳湖季节性水动力变化对溶质迁移及洲滩湿地土壤成分的影响研究现状

基于上述鄱阳湖季节性水动力变化规律,通过水槽实验、数值模拟可得出鄱阳湖碟形湖中的溶质迁移路径,进而推算鄱阳湖州滩湿地的土壤条件。

对于水动力变化规律对溶质迁移的影响,黄冬凌等[8]做了鄱阳湖基于湖泊与出入湖水质关联性研究,由不同水期的水质得出水流流向对湖水溶质分布的影响;张中天[9]针对水位波动条件下鄱阳湖沉积物-水界面氮元素迁移转化规律,采用数据分析、室内实验和数值模拟等研究手段,研究了鄱阳湖的水位、总氮时空演变规律以及碟形湖典型剖面的氮元素迁移转化过程。

而溶质对土壤条件的影响方面,张广明[10]通过室内循环水槽实验和上覆水-孔隙水耦合模型,得出沉积物-水界面底栖生物洞穴的存在对溶质迁移及界面通量有促进作用。还利用数值模拟方法对洞穴内穴居生物的生物引灌作用进行了模拟,明晰了不同类型洞穴下生物引灌作用对溶质在沉积物-水界面迁移的影响,即生物引灌作用越大,溶质迁移的有效深度和净迁移量越大。郭宇菲等[11]通过S形取样法获取鄱阳湖州滩湿地的关键环境因子,并进行一元二次多项式拟合,获得土壤铵态氮、总磷拟合结果。琼任等[12-13]利用主成分分析(PCA)发现地下水位的升高也会改变土壤养分,相关性分析结果证实了鄱阳湖湿地土壤细菌真菌群落的多样性和丰富度与土壤WC显著相关。此外,水位和植被类型也显著影响了土壤微生物群落的结构。PCA结果表明,水位对土壤细菌和真菌群落的影响高于植被类型,不同水位下细菌和真菌群落的变化相反。由于土壤WC的变化,水位主要影响微生物群落,最终引起有机碳特性的变化,改变土壤的养分结构。

综上所述,国内学者在水动力对鄱阳湖溶质迁移规律的影响方面和其他湖泊如君山湖、洱海等的水质变化导致土壤成分做了丰富的研究,研究方法和研究思路都较为完备[14-15]。在溶质分布对鄱阳湖湖盆州滩土壤中无机盐、氮、磷及土壤含水率的影响方面所做研究较少,多侧重于土壤本身的环境因子分布或是研究某一因素对二者互相作用的影响而非溶质造成的土壤成分改变。在由水动力推出溶质迁移,再由溶质迁移规律获得州滩湿地土壤条件后,就可以参考对其他湖泊的研究搭建模型,由水文站获得的数据模拟得出鄱阳湖碟形湖州滩湿地的环境因子分布,从而大大便利鄱阳湖碟形湖湿地的生态修复工作。

鄱阳湖洲滩植被带分布对溶质迁移、水文节律变化的响应机理研究现状:

水文节律是湿地生态系统最重要的、最基本的调控因子,洲滩湿地植被群落组成、初级生产力和空间分布等受湿地水文状况所驱动。有大量的研究证明了这一点。如Barrett[16]研究了澳大利亚东南部Murray河附近的21块洪泛平原湿地,发现植物群落结构在不同的湿介于湿干之间”水文情势历史阶段具有明显的差异;刘扬等[18]针对鄱阳湖灰化薹草群落物种多度分布格局进行研究时,指出湿地水文条件变化是引发分布改变的主因[17]。水淹作用是湿地水文对湿地植物发挥作用的最基本形式。一方面,水淹能够通过塑造湿地内部环境条件进而制约湿地植物种子的萌发[19],限制湿地植物分布。另一方面,水淹也能够引起湿地中植物种对其产生适应性或胁迫性的生长响应[20-21],驱动湿地植物的分布。一般认为植物能够与湿地水淹条件之间表现出明显的对应关系[22]。对于能够适应水淹的湿地植物而言,其往往生长分布于湿地中地势较低、水文状况变换较为频繁的区域;而对于对水淹反应较为敏感的湿地植物而言,其往往生长分布在水淹较少、水文状况不活跃的区域[23]。因此在长期的演化过程中,不同湿地植物形成了不同的耐淹水时长阈值[22],呈现出不同的分布特点。而在淡水湿地中,湿地植物沿淹水时长梯度分布的现象尤为明显[24]。可见,水淹是湿地植被群落生长与分布相关研究中必须考虑的驱动因素。

就洲滩湿地植被而言,大量的科学事实与研究表明,其总是沿着某一环境梯度而表现出明显的条带状分布特征[25-26]。但是,相比于其他湿地类型如滨海湿地,洲滩湿地的带状分布格局存在明显不同,淡水沼泽植物类型间的交替不存在明显界限,而是逐渐变化的,可认为是非典型带状分布[27]。因此,淡水湿地植被的生长与分布相关的机制可能更加复杂。在以往的研究中,发现洲滩植被的分布受多方面环境因素制约,为植被与水文、气候、地貌等要素综合作用的结果[20,28]。其中,最主要的非生物因素是水文因子[27],而主要的生物因素包括物种适应和生源物质,这些因素在湿地植物生长和分布中发挥极其重要的作用[29]

生源物质能够直接影响洲滩湿地植被根系的发育、生物量和无性繁殖等生长活动[30],进而控制植物在湿地中的扩张与分布。国内外大量研究论证了地址养分特征与湿地植物生长分布之间的关联性。如Feng等在对瑞士纳沙泰尔湖湖岸带不同高程的湿地植物群落分布特征进行调查时,发现底质氮、磷能够在不同水文条件下对植物生长产生不同的限制作用,驱动湖岸带植物群落的分异[31];纪昌品等在对鄱阳湖湿地植物进行研究时也有类似发现,即鄱阳湖湿地底质有机碳、全氮含量具有显著的生态梯度,在鄱阳湖湿地植物的生长与分布中发挥了关键作用[32]

综上所述,鄱阳湖洲滩植被的生长与分布相关的机制比较复杂,受多方面环境因素影响,其中生源物质如底质氮、磷在水文节律下对植被带状分布有着一定的影响。从生源物质迁移方面入手,直接研究其与洲滩湿地在植被分布间的关系有助于进一步了解湿地植物生长和分布机制。

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开展考虑动水头和界面过程的平板式水槽示踪实验。以往关于水情影响下物质的迁移转化过程研究大多采用柱状实验,而本研究采用课题组自主开发的平板水槽实验系统,针对鄱阳湖典型剖面的界面过程开展深入研究,通过在水槽两端分别设置有水位控制装置,实现左右两侧动水头条件的设置,利用图像观测和孔隙水抽样检测,分析示踪剂在床沙中的迁移动态过程和特征,揭示鄱阳湖水文节律影响下生源物质的迁移转化过程。

实现鄱阳湖水文水质的原位高频实时观测。选择典型洲滩,采用基于人工智能的野外监测设备,开展地表水文过程、地下水动态变化和土壤-植被中水分的原位高频实时观测,包括洲滩群落垂向动态变化与演替、湖泊湿地植物群落的种类组成和分布状况等,并通过对观测区域水质、水环境方面的监测,尽量去除由于局地水环境变化对植物生长带来的影响,对群落优势种群进行多种尺度的遥感数据分析。

探究鄱阳湖水文节律与生源物质迁移转化耦合作用下对植被分布的影响机理。本团队以鄱阳湖典型洲滩湿地植被为研究对象,对鄱阳湖水文节律与生源物质迁移转化耦合作用影响机制展开研究,以期能够揭示水文节律和环境因子驱动下鄱阳湖洲滩湿地植被生长分布内在机制的新视角,为外界环境快速变化下的鄱阳湖湿地管理提供理论参考和对策依据。

技术路线:

针对项目研究目标,综合运用资料收集、理论分析、数值模拟、室内试验和现场观测等研究手段,开展鄱阳湖水文节律变化与生源物质耦合影响下洲滩植被带状分布规律研究,主要包括气候变化和人类活动影响下鄱阳湖水文节律演变规律、洲滩湿地生源物质迁移转化对鄱阳湖水文节律的响应机制与鄱阳湖洲滩植被带状分布对水文节律变化与生源物质的响应机理三方面的研究,研究技术路线如图3所示:


3 项目研究技术路线

具体研究方案如下:

历史数据收集:

建立相关基础数据集,包括长江-鄱阳湖-“五河”系统水文数据等数据集。收集鄱阳湖站水质季度检测资料和鄱阳湖近十年来洲滩植被调查数据等。对所收集历史数据进行整合、分析,探究洲滩湿地的生态变迁。建立一套鄱阳湖水文节律演变过程及生态环境变化过程数据库。

现场观测:

a.典型洲滩剖面定位观测

依托鄱阳湖湿地观测研究站,根据鄱阳湖的水文、地貌特征,在鄱阳湖典型洲滩湿地各建立3个湿地水文、生态的综合定位观测断面,开展水文、湿地生态要素的野外定位动态监测,获取湿地水文、土壤、植被等综合要素数据,开展湿地水文水动力、植被对水文水动力的响应与反馈研究。

b.典型洲滩植被样方调查

选择代表性洲滩湿地,采用随机样方和固定样线法,布设3-5个平行观测断面,洲滩植被生长发育期(春草期与秋草期),采用样方(1m×1m)和样线法相结合的方式,沿观测断面调查各典型植被群落物种构成与数量,以及每种植物的高度与盖度,观测优质种垂向分布范围;获取各典型植物种的综合优势度比与群落物种多样性指数,结合洲滩水文变化特征,探讨鄱阳湖典型洲滩植被群落分布格局与演变对洲滩水文情势的响应。

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4 植被样方位置及布设

室内实验:

a.平板式水槽示踪实验

实验采用平板式示踪实验装置系统作为实验装置:河海大学水生态环境模拟中心拥有自主研制的平板式示踪实验装置系统,采用80cm 高度、2cm厚度和80cm长度。由于厚度仅为2cm,因此该系统可以看作二维实验装置。实验将通过在两端设置一定的水位差,在平板内部实现恒定均匀流。


5 平板式示踪实验装置系统

实验使用染色泥沙作为示踪剂,通过示踪图像来分析在恒定流速条件下,泥沙在多孔介质中的迁移和沉积机制,确定泥沙在迁移过程的有关参数;于平板系统的背面6排取样孔进行抽取床沙中的孔隙水,监测生源物质浓度在床上中时空分布,进而分析生源物质的迁移特性。每次实验时,在指定位置,15s内注射20ml 泥沙。利用该装置可通过直接观测图像和孔隙水的检测,分析泥沙和污染物在床沙中的迁移动态过程和迁移特征,揭示泥沙和生源物质在床沙中输运机理。

本实验以水槽的左侧控制地下水水头作为定值,在右侧输入周期性水位,并在碟形湖或主湖区投入BBMB作为示踪剂,本研究设计有工况如图6所示,即在碟形湖内投入非吸附性示踪物质,且碟形湖和主湖区有水力连通。工况于碟形湖投放示踪剂,设置地下控制水位40.7m,主湖区平水位38.3m,主湖区水位振幅3.5cm,通过水槽地形铺制调整、图像记录系统布置、溶质投放、孔隙水取样测量、实验数据分析等完成实验。

数值模拟:

a.水槽实验数值模型模拟

数值模拟拟使用基于有限单元法、专业进行多物理场耦合的数值模拟计算软件COMSOL Mutiphysics。选取Richards方程(Richards Equation)和多孔介质稀物质传递模块进行耦合,模拟鄱阳湖典型剖面的水动力和生源物质迁移转化过程。

对于Richards方程模块,其边界条件的设定如图7a所示。水槽的最底部设置为无流动边界;左侧地下水设为定水头边界;右侧竖直边界与洲滩的最高点到主湖区最低点设为周期性水头边界1,从洲滩的最高点到碟形湖内部一直向左延伸为周期性水头边界2,分别由实验实测得出。

针对多孔介质稀物质传递模块,其边界条件的设定如图6b所示。左右两侧的数值边界以及底部均为无通量边界;碟形湖表面和主湖区上表面均为开放边界,分别为开放边界1和开放边界2



6 数值模拟物理场和边界条件示意图

(a)孔隙水流场;(b)溶质迁移场

b.数据整理及分析

基于以上研究规律和相应关系,结合历史数据整理以及野外观测的情况,分析鄱阳湖洲滩植被带状分布特征,分别以水文节律变化和生源物质迁移转化作为两组特征值变量,采用Pearson相关性分析的方法相应衡量两个连续性随机变量间的线性关系强度与方向,研究洲滩植被带状分布对水文节律变化与生源物质迁移转化的响应机理,建立卷积神经网络,以上述端干旱下鄱阳湖水位波动特征演变规律以及数值模拟所得生源物质分布数据作为训练集,对水文节律变化与生源物质迁移转化进行耦合,建立鄱阳湖水文水动力-生源物质耦合作用下洲滩植被群落分布格局演变的预测模型。

 

拟解决的问题:

a.阐明鄱阳湖洲滩植被带状分布对水文节律与生源物质迁移转化的响应机理

b.建立鄱阳湖水文水动力-生源物质耦合作用下洲滩植被群落分布格局演变的预测模型

预期成果:

a.完成关于鄱阳湖洲滩植被带状分布对水文节律与生源物质迁移转化的响应机理的研究报告1

b.申请“平板水槽溶质连续性检测仪”发明专利1

c.投稿高质量学术论文1-2


20241-20245

阅读文献,实地考察,学习相关技术,完善实验方案,设计实验装置。

20245-20247

搜集相关数据,模拟鄱阳湖天然水文年内年际变化

20247-202410

进行生源物质迁移转化规律研究室内实验,结合鄱阳湖水文节律演变规律,对生源物质迁移转化进行数值模拟,阐明水位波动下生源物质迁移转化过程

202410-20251

基于上述研究规律和响应关系,结合历史数据和野外观测情况,分析鄱阳湖典型洲滩植被分布特征,研究洲滩植被带状分布对水文节律与生源物质迁移转化的响应机理。

20251-20253

结合上述研究结论,建立鄱阳湖水温水动力-生源物质耦合作用下洲滩植被群落分布格局演变的预测模型

20253-20255

总结实验,完成实验中的数据、过程、结论的汇总与报告,撰写高质量论文和发明专利。为参加“挑战杯”、“互联网+”等重大赛事做出安排,进行更为进一步的打算

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

a.鄱阳湖洲滩地区植被分布现场调研

针对鄱阳湖洲滩地区植被分布情况,团队前往常湖池洲滩地区进行植被样带调查,采用样方法的调查方法,分别设置样带,并在每个样带断面布设样方,观察植物种类、株数、均高、干重、湿重等要素。


7 团队进行常湖池植被样带调查

b.生源物质迁移规律研究预实验的进行

团队以平板水槽实验系统作为实验装置,进行相关预实验以探索实验条件、确定实验方法,确定了平面水槽实验所需的部分实验参数,并完成对进行生源物质迁移规律研究实验方案的设计。

8 团队成员进行预实验

a. 水槽实验数值模型的初步构建及模拟

团队成员已熟练掌握 Comsol multiphysics 软件完成多物理场耦合模拟,已完成对于水槽实验数值模型的初步构建及流场和溶质场的模拟。数值模拟基本参数设定如表1,构建模型图像如图10

1 实验尺度数值模拟基本参数

参量

CaseA

CaseB

CaseC

参数来源

渗透系数(K

4.35×10-3m s-1

4.35×10-3m s-1

4.35×10-3m s-1

实测

孔隙率(θ

0.457

0.457

0.457

实测

水密度(ρ

1000Kg m-3

1000Kg m-3

1000Kg m-3

文献

纵向弥散度(αL

0.001m

0.001m

0.001m

文献

横向弥散度(αr

0.0001m

0.0001m

0.0001m

文献

有效分子扩散系数(D*

10-9m2s-1

10-9m2s-1

10-9m2s-1

文献

VG模型参数(α

1.9m-1

1.9m-1

1.9m-1

文献

孔径分布参数(n

2.68

2.68

2.68

文献

土壤残余含水量(θr

0.1

0.1

0.1

文献

定水头边界

40.7cm

40.7cm

40.7cm

实验设定

周期性水头边界1均值

38.3cm

38.3cm

38.3cm

实验设定

周期性水头边界1振幅

3.5cm

3.5cm

3.5cm

实验设定

周期性水头边界2均值

40.3cm

40.3cm

40.3cm

实验设定

周期性水头边界2振幅

1.6cm

1.6cm

1.6cm

实验设定

溶质初始浓度(C0

7mg L-1

7mg L-1

7mg L-1

实验设定

 

9 模型的初步构建及模型

根据预实验结果,本模型较好地模拟了“水文节律变化-生源物质迁移”间响应机理,证明了本实验方案的可行性。

已具备的条件

1.学校设有水灾害防御全国重点实验室,有利于学生开展水体检测的相关实验

2.为学生提供野外实验的条件、高性能计算工作站

3.已有平板式玻璃变坡水槽4条,有利于学生开展水头条件实验。


4.导师团队与江西省水文监测中心保持长期科研合作,能为本项目提供鄱阳湖现场试验条件以及历史水文数据。


10 激光流速仪                   11  粒子图像测速

尚缺少的条件及解决方法

尚缺少条件:

缺少洲滩湿地阶梯土壤生源物质含量、植被带分布范围等野外观测数据。

对于模拟软件掌握仍不熟练,如对Comsol软件中物理场边界条件设置仍存在问题;

解决办法:

多次跟随导师团队进行野外观测实验,获取相关数据。

针对已有模拟案例进行相关学习,提高对于模拟软件的掌握程度。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 12500.00 8200.00 4300.00
1. 业务费 10500.00 6200.00 4300.00
(1)计算、分析、测试费 400.00 测试数据 200.00 200.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 4800.00 外出调查 2800.00 2000.00
(4)文献检索费 300.00 论文查新 200.00 100.00
(5)论文出版费 5000.00 出版专利、论文 3000.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 500.00 购置仪器 500.00 0.00
3. 实验装置试制费 500.00 购买装置 500.00 0.00
4. 材料费 1000.00 购买材料 1000.00 0.00
结束