[发明专利]基于突变分析确定浅水湖泊底泥起悬临界切应力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种湖泊底泥起悬临界切应力的方法，具体涉及一种基于突变分析确定浅水湖泊底泥起悬临界切应力的方法。

背景技术

当前湖泊面临着诸多问题，如富营养化、有机污染、西部湖泊咸化、生态环境以及湖泊萎缩、水量减少等，尤其是富营养化，不但制约了湖泊资源的可利用性，而且直接影响到人类的健康生存与社会经济的持续发展。

湖泊富营养化是指由于水体中氮、磷营养物质的富集，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧量下降鱼类及其他生物大量死亡、水质恶化的现象。从富营养污染控制分析，可将污染源分为外源和内源。外源污染包括工业废水、城镇生活污水、固废处置场、城镇地表径流、农牧区地表径流、大气降水等，内源污染指的是入湖的各种营养物、污染物的主要蓄积而成的污染底泥等。湖泊外源污染的控制及治理目前已取得了一定实效。外源得到控制后，内源的影响会变得明显，底泥的释放速率加快，使水体的污染状况持续下去。

沉积物再悬浮是底边界层内频繁发生的动力过程，是实现沉积物与水体物质交换的重要途径，在沉积物与水体的物质交换过程中有着重要作用。水动力引起的沉积物再悬浮会影响到水下光场分布、浊度以及内源释放，进而影响到蓝、绿藻的生长。当水-土界面的底泥受到风浪的频繁扰动时，会发生再悬浮，使得底泥间隙水中高浓度的营养释放出来，进一步加剧了内源的负荷。

众多研究表明动力扰动引起的底泥起悬及内部营养物的释放量远大于浓度梯度的静释放量，在水体生态环境的演变中扮演了重要角色。底泥悬浮深度的大小受控于风浪的扰动强度，扰动越剧烈，水体底部产生的波浪切应力越大，底泥悬浮量越大。

因此，湖泊底泥起悬临界切应力的确定，可为湖泊沉积物再悬浮与内源释放理论研究、湖泊富营养化治理提供可靠依据。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种简单易操作，图像直观清晰的基于突变分析确定浅水湖泊底泥起悬临界切应力的方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于突变分析确定浅水湖泊底泥起悬临界切应力的方法，包括如下步骤：

S1、获取水-土界面处悬浮物浓度与底层切应力的数据；

S2、通过曲线拟合，根据上述数据建立底层切应力与悬浮物浓度的拟合函数，根据拟合曲线划分初步判定临界切应力的范围；

S3、应用非参数Mann-Kendall检验法进行突变分析，确定底泥起悬的临界切应力。

上述步骤S1中水-土界面处悬浮物浓度与底层切应力的数据通过野外监测实验同步获取。测量时，数据应同步测量，且测量采样数据频率保持高频率，以确保数据量充足，且保证分析的精确度。

上述步骤S2中曲线拟合通过SPSS、EXCEL、MATLAB数值分析软件完成。

上述步骤S2中建立底层切应力与悬浮物浓度的拟合函数，具体步骤为：选择回归模型进行数据拟合，通过曲线的拟合优度检验，确定拟合度最佳的函数。

进一步的，上述回归模型包括Linear线性模型、Quadratic二次模型、Compound复合模型、Growth生长模型、Logarithmic对数模型、S型模型、Cubic抛物线模型、Exponential指数模型、Inverse倒数模型、Power幂函数模型、Logistic模型。

进一步的，上述拟合优度检验的方法如下：

定义指数R²，表示误差平方和与均方差的比值，其计算公式为：

式中，Y表示实际值，Y₁表示实际平均值，Y₂表示拟合曲线所求得的理论值。

若误差平方和与均方差的比值越小，则说明实际观察值与估计值越接近，曲线拟合的越好。

上述步骤S2中根据拟合曲线划分初步判定临界切应力的范围，具体方法为：根据曲线斜率k的变化，将曲线划分为悬浮物浓度基本不变、悬浮物浓度随切应力变大而逐渐变大、悬浮物浓度随切应力变大迅速变大三部分，分别对应底泥未起悬、小规模起悬大规模起悬三阶段。

此方法可确定临界切应力的范围，下一步分析精确的临界切应力值。

上述步骤S3中应用非参数Mann-Kendall检验法进行突变分析，最终确定底泥起悬的临界切应力，具体步骤为：

A1：将获取的悬浮物浓度与底层切应力的同步数据，根据底层切应力大小升序排列，构造一组悬浮物浓度序列x_i(i＝1，2，…，n)；