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广东海滩裂流特征与数值模拟研究

广东海滩裂流特征与数值模拟研究

作者：胡鹏鹏广东海洋大学

学位级别：硕士

裂流是沿海地区频发的一种高速离岸流,是沿岸最为致命的自然灾害之一,研究表明,海滨溺水事故大多数与海岸裂流有关。广东省具有我国最长的海岸线,沿岸分布着许多滨海旅游海滩,每年吸引了众多的游客。广东省沿海发生过较多的海滩游客安... 详细信息

裂流是沿海地区频发的一种高速离岸流,是沿岸最为致命的自然灾害之一,研究表明,海滨溺水事故大多数与海岸裂流有关。广东省具有我国最长的海岸线,沿岸分布着许多滨海旅游海滩,每年吸引了众多的游客。广东省沿海发生过较多的海滩游客安全事故,经调查大多与裂流有关。本文以广东省沿岸海滩为研究对象,基于Google Earth遥感影像对沿岸主要的旅游海滩上的裂流进行了解译,分析各个海滩的裂流类型和时空分布特征。同时开展了广东省海滩裂流现场调查,获得近岸地形和实测破波带波浪等数据,分析了沿岸海滩的地形动力状态和裂流风险分布。利用XBeach波浪模型对深圳金沙湾的近岸环流进行数值模拟,探讨破波带裂流水动力的作用机制和影响因素。得到的结论如下:一、基于现场观测和资料收集,计算了广东省沿岸64个海滩的无量纲泥沙沉降参数(Ω)和相对潮差(RTR),采用裂流风险评价模型对64个海滩的状态和裂流风险进行了整体评估。研究发现广东沿岸海滩主要有6种类型,分别是:完全反射型、低潮台地裂流型、沿岸沙坝型、低潮冲流沙坝裂流型、沙坝消散型和无沙坝消散型。沙坝消散型和沿岸沙坝型是主要的海滩类型,数量最多。沿岸的裂流风险基本在中风险以上。粤东具有较强的波浪条件,波浪受到岬角遮蔽的影响致使岬湾内外出现了不同的水动力和地貌动力环境。粤东的裂流风险较高,且高风险海滩主要分布在暴露度更大的岬湾;粤西雷州半岛西侧的裂流风险大于东侧;粤中低风险海滩的数量最多,且主要分布在波高较小的岬湾内。海岸的波浪、潮汐和沉积物粒径等会影响裂流的危害性,海滩旅游开发和管理需要考虑这些因素。二、根据Castelle的裂流分类模型对广东省14个海滩的Google Earth影像进行了解译分类,对裂流分类模型在遥感影像中的应用进行了探讨。结果表明:在高风险月份,海滩裂流的组成较为单一,混合型裂流少,水深控制的裂流占据主导地位,裂流数量总体维持在较高水平;在中风险月份,水动力控制的裂流和混合型裂流的比例增加,水深控制的裂流仍然占有一定比例;在低风险月份,裂流很少出现,甚至无裂流发生。裂流类型与海滩状态密切相关。对于海湾中的海滩,海湾长度影响裂流的数量,海湾凹入度影响不同类型裂流的组成比例。考虑到实验条件的限制,这一规律需要后续结合实际地形地貌进行更细致和深入的研究和验证。按照本文解译标准得出的分类结果,与前人提出的裂流风险性评价模型吻合度较高,进一步说明了该解译标准的有效性,为今后对海滩裂流的研究和分类工作提供了一定的参考。三、在2021年8月7日至30日在十里银滩开展了24天的海滩现场观测,观测内容包括破波带波浪观测、地形测量、无人机拍摄和泥沙采样等。观测期间,该海滩状态先后分别为沙坝型、低潮台地裂流型、低潮冲流沙坝裂流型,是裂流出现概率较高的类型。波高是控制海滩状态和裂流发生的主要因素。海滩地形变化滞后波浪变化,波高较低时也会出现高风险海滩类型。XBeach模型的数值模拟结果与现场无人机拍摄的图像有很好的一致性,证实基于地形动力学的海滩裂流风险评估模型能很好地表征不同阶段裂流风险。研究结果对广东省海滩开发管理和裂流预警提供了有用的参考。四、利用XBeach模型模拟金沙湾海滩的近岸环流,研究了不同模拟波况下裂流的发生情况,结果表明:金沙湾产生裂流很大程度上受到波高和地形的影响,在年平均有效波高波况下,金沙湾沿岸无明显裂流,当入射波高超过某个阈值后沿岸裂流风险提高。裂流的强度和离岸距离与入射波高呈正相关,波向增加不利于海滩处裂流的产生,但有利于偏斜裂流的形成。金沙湾的海滩管理者应该提高对波浪状况的预警,以降低因裂流而导致的危害。另外由于长岬角特征,金沙湾产生的偏斜裂流的补偿流来自岬角和海滩的沿岸流,这一点需要通过后续的现场观测进行对比验证。本文的工作可为使用XBeach模型对裂流进行模拟研究提供参考。

关键词：现场观测 XBeach模型裂流分类海滩状态裂流风险评价

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台风影响下盐沼—光滩冲淤过程及其植被效应

台风影响下盐沼—光滩冲淤过程及其植被效应

作者：张新淼华东师范大学

学位级别：硕士

淤泥质潮间带具有储碳固碳、提供生物生境、消浪缓流护岸等功能,其动态变化直接影响着生态系统稳定性。台风等极端天气致使淤泥质潮间带在短时间内发生数十厘米的冲淤变化,极有可能对生态系统的重要组成部分(如大型底栖生物、盐沼植被)... 详细信息

淤泥质潮间带具有储碳固碳、提供生物生境、消浪缓流护岸等功能,其动态变化直接影响着生态系统稳定性。台风等极端天气致使淤泥质潮间带在短时间内发生数十厘米的冲淤变化,极有可能对生态系统的重要组成部分(如大型底栖生物、盐沼植被)产生重大影响。潮间带盐沼植被影响冲淤过程,反过来,潮间带滩面冲淤变化也会影响盐沼生态系统发育和演变模式。全球气候变化研究表明,本世纪海平面上升和风暴加剧已是不争事实,台风发生的频率、强度都在加大,台风路径也在向中高纬迁移,这将导致淤泥质潮间带面临更大挑战。因此,厘清台风影响下淤泥质盐沼-光滩的冲淤过程及其盐沼植被效应,对于海岸湿地生态服务功能维持和生态系统完整性保护具有重要意义。本文选取长江口崇明东滩淤泥质潮间带的盐沼-光滩为研究对象,借助无人机摄影测量以及实时动态差分定位技术(Real-time kinematic,RTK),在台风“烟花”和台风“梅花”前后进行正射影像获取和高程测量;同时利用动力泥沙仪器于台风“烟花”前、中、后进行水动力泥沙(波浪、潮流、水深、泥沙)的现场连续观测,探讨台风影响下淤泥质盐沼-光滩冲淤过程及其植被效应,主要结论如下。(1)台风“烟花”影响下水动力及悬沙浓度变化台风“烟花”影响下,光滩区域有效波高、流速、波流联合剪切应力、悬沙浓度是正常天气的1.9倍、1.5倍、3.2倍、2.9倍,盐沼区域有效波高、流速、波流联合剪切应力、悬沙浓度是正常天气的2.1倍、1.3倍、1.5倍、1.2倍。台风期间,光滩区域的有效波高、流速、波流联合剪切应力、悬沙浓度分别是盐沼区域的1.2倍、2.2倍、3.2倍、1.8倍。台风影响下,向岸风与潮流流向一致时,光滩区域潮周期平均流速增大为两者不一致时的1.2倍。(2)台风影响下盐沼-光滩冲淤格局及其动力沉积过程台风“烟花”影响下,淤泥质盐沼-光滩呈现光滩区域侵蚀、盐沼区域淤积的状态;光滩区域侵蚀深度的均值和最大值分别为5.3 cm和32 cm;盐沼区域淤积厚度的均值和最大值分别为9.4 cm和49 cm。盐沼-光滩冲淤格局是由盐沼和光滩区域的植被覆盖、高程和水动力差异所致。在光滩区域,台风影响下水体的波浪、潮流作用均显著增强,波流联合剪切应力也随之增大且远大于底床临界侵蚀剪切应力,滩面侵蚀。台风影响下流速增强导致水体挟沙能力增强,水体将光滩区域再悬浮的泥沙带至盐沼区域。盐沼区域高程较高,且密集植被具有消浪缓流作用,削弱了水动力强度,所以水体到达盐沼后挟沙能力变弱,泥沙沉积,因此盐沼区域淤积。(3)台风影响下冲淤格局变化的原因与台风“烟花”相比,台风“梅花”影响下滩面冲淤强度小(90%以上区域冲淤强度在-4～4 cm之间),呈现冲-淤交互的状态。台风影响下滩面冲淤格局的变化是由台风期间潮况、近岸风向、滩面盐沼植被分布等差异所致:台风影响下潮汐大小影响冲淤格局,天文大潮时破波带上移导致光滩侵蚀区域上移;近岸风向影响冲淤格局,向岸风与潮流流向一致时流速可加快至两者不一致时的1.2倍,泥沙输运加强;盐沼植被分布影响冲淤格局,不同时期健康绿色盐沼植被分布区域不同,但植被分布区域都呈现淤积状态。(4)台风影响下盐沼植被变化的原因台风“烟花”影响下,侵蚀区域和强淤积区域(淤积层厚于10 cm,掩埋植被)植被面积减少,弱淤积区域(淤积层薄于10 cm,未掩埋植被)植被面积增加,植被减少和增加的面积分别为2583 m和5539 m,分别占研究区原有植被总面积的7.3%和15.5%。台风“梅花”影响下滩面侵蚀区域盐沼植被面积减少10323m,滩面淤积区域盐沼植被面积增大3497 m,减少和增加的面积分别占研究区原有植被总面积的27.1%和9.2%。侵蚀处盐沼植被面积的减少归结于强水动力把盐沼前缘稀疏植被连根拔起;强淤积处盐沼植被面积的减少归结于淤积层过厚,泥沙掩埋植被。而弱淤积处(未掩埋植被)盐沼植被面积增大的原因,可能是营养物质的积累有利于盐沼植被生长。上述研究表明,台风对崇明东滩淤泥质盐沼-光滩的滩面冲淤格局具有重要影响:台风引起的水动力变化会导致光滩泥沙的再悬浮与输运,泥沙被搬离光滩并在盐沼沉积;台风影响下潮况、近岸风向以及滩面盐沼植被分布均会影响滩面冲淤格局的变化。台风影响下崇明东滩淤泥质盐沼-光滩的冲淤格局可使盐沼植被面积减少27.1%,对盐沼植被产生重要影响。

关键词：台风冲淤格局动力沉积过程无人机航测现场观测盐沼植被

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盘锦地区太阳辐射对冰-岸连接影响的研究

盘锦地区太阳辐射对冰-岸连接影响的研究

作者：李兆全大连理工大学

学位级别：硕士

我国秦岭淮河以北以及西北、西南的高纬度湖泊、河流以及水库在冬季都会有冰冻现象,从而形成冰层。冰层产生带来的冰压力对水工建筑物构成了严重的安全威胁,但在我国北方部分地区发现,在冬季存在冰-岸不连接的现象,这种现象的存在表明... 详细信息

我国秦岭淮河以北以及西北、西南的高纬度湖泊、河流以及水库在冬季都会有冰冻现象,从而形成冰层。冰层产生带来的冰压力对水工建筑物构成了严重的安全威胁,但在我国北方部分地区发现,在冬季存在冰-岸不连接的现象,这种现象的存在表明在结冰期接收太阳辐射能量较多的水工建筑物对冰的生消过程、厚度等有极大的影响,进而在时间和空间上对冰-岸连接产生影响。为探究岸坡接收太阳辐射对于冰-岸连接的影响,本文以2021年1～3月期间在辽河入海口地区含章湖的现场试验观测数据为基础,对辽河入海口地区太阳辐射特征以及岸坡接收太阳辐射对岸冰冰层的影响进行研究和分析。在观测期内,利用在辽河入海口地区含章湖测得的太阳辐射数据,比较了各倾斜面辐射计算模型在不同天气工况下的准确性。分析结果表明:阴天工况下Gueymard模型精度最高,其次是各向同性模型;多云工况下Willmott模型与实测值较为吻合;晴天工况下Reindl模型的综合表现状况最好;在不区分天气工况下,Willmott模型和Reindl模型的精度较高。基于实测太阳辐射数据的特点,对现有计算模型进行改写,建立新的计算模型,并利用实测数据分析在不区分天气条件下各模型的精度,结果显示新模型的计算精度明显提高。利用散射辐射分数和晴空指数,建立了冬季辽河入海口以及邻近地区不同天气情况下日散射辐射和小时散射辐射的参数化公式。同时采用新模型计算辽河入海口地区冬季不同倾斜面单位面积所接收的太阳辐照量。基于湖冰现场观测结果,发现受岸坡接收太阳辐射的影响,岸冰冰层相对于湖中心的封冻时间推迟了22天,冰层稳定期提前了14天,消融期提前了23天,最大冰厚减少了16.3 cm。分析岸边水温以及岸冰冰层冰温以及,发现岸边水面以下10 cm的水平水温存在明显的线性关系,经过对不同冰厚冰温与气温的对比分析,发现与湖中心冰层相比,岸冰冰温相对于气温的滞后效应更加明显。基于剩余能量法和HIGHTSI模式,分析了岸坡-水-冰之间的能量传输,得到了岸坡向水体传导的热通量以及冰底热通量;同时利用线性假设,分析了不同边坡对于冰-岸连接的影响,得到了在不同岸坡条件下,岸坡对水体传导的热通量以及对岸冰冰厚影响的差异。

关键词：现场观测太阳辐射模型比较冰厚能量传输

典型地下建筑疏散能力评估及优化研究 ——以北京地铁站为例

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典型地下建筑疏散能力评估及优化研究 ——以北京地铁站为例

作者：王璐琪北京工业大学

学位级别：硕士

随着地下空间的不断开发,我国地下建筑的数量与日俱增,地下建筑空间逐渐应用到人们日常生活之中,成为人们交通、出行、停车的主要活动空间之一。地下建筑相对封闭,一旦发生突发事故可能会引发生命危险,特别是地铁等人流密集的地下空间,... 详细信息

随着地下空间的不断开发,我国地下建筑的数量与日俱增,地下建筑空间逐渐应用到人们日常生活之中,成为人们交通、出行、停车的主要活动空间之一。地下建筑相对封闭,一旦发生突发事故可能会引发生命危险,特别是地铁等人流密集的地下空间,存在很高的人员疏散风险。制定必要的疏散策略是紧急情况下人员安全疏散的基础,疏散策略的制定与疏散结构及人员组成息息相关。基于此,本文以北京地铁作为典型的地下空间为研究对象,通过运用模糊综合评价法,构建了地铁疏散能力评价指标体系,在进行了三类典型地铁站人流特征的观测调研后,对所选取的三类典型地铁站应急疏散能力进行评价分析,本文获得的结论如下:(1)结合国内外对疏散影响因素和疏散评价模型及策略的研究现状和相关理论,从地铁车站主要设施及地铁车站风险形成机理两个方面开展对城市地铁交通应急疏散影响因素的分析。在选取了人员构成、建筑结构、车站运营管理等三类二级指标及13类三级指标的基础上,构建了基于模糊综合评价法的地铁疏散能力评价指标体系;(2)通过对不同类型的地铁车站的观测调研,得到了交通枢纽、景区以及CBD毗邻地铁站典型的人员组成和人流分布特征;(3)结合人员组成及人流特征,通过疏散时间预测以及地铁疏散能力评价模型对三类不同类型的北京地铁车站疏散能力进行了评价,并有针对性地提出了优化建议,以期可以为以后同类实际情境中的地下建筑突发事故内部人员的疏散安全评价及优化提供必要的技术支持。

关键词：北京地铁现场观测疏散能力评估模糊层次分析法

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冻土未冻水测定与观测应用研究

冻土未冻水测定与观测应用研究

作者：钟振涛长安大学

学位级别：硕士

青藏高原多年冻土地区道路病害以融沉为主,青藏公路的修筑,改变了大地与气温间的热交换条件,路基体及下伏冻土的水热状况发生显著改变,掌握路基水分、温度场分布及变化规律,是降低病害、保护多年冻土的重要前提。本文研究对象为青藏公... 详细信息

青藏高原多年冻土地区道路病害以融沉为主,青藏公路的修筑,改变了大地与气温间的热交换条件,路基体及下伏冻土的水热状况发生显著改变,掌握路基水分、温度场分布及变化规律,是降低病害、保护多年冻土的重要前提。本文研究对象为青藏公路典型路基监测断面,针对未冻水现场监测的难点,借助核磁共振仪对水分传感器完成了标定;对路基下主要土体进行相关室内试验,主要包括冻结温度、核磁共振未冻水含量测试、水分传感器冻融实验,建立了未冻水的机器学习模型并验证了标定的精度;结合现场监测的水分、温度场数据,对阳坡、湖塘作用下青藏公路路基水分-温度场时空分布变化,主要监测位置的水热变化特征进行研究。主要结论如下:(1)监测断面下粉质黏土与砂土的核磁共振试验结果表明,低负温状态下粉质黏土、砂土的未冻水含量基本保持不变,分别在2%、1%上下;融化过程未冻水含量在冻结温度附近恢复至初始含水率,两类土未冻水-温度间的指数关系拟合程度均在0.98以上;对同一种土而言,在确定其温度状态与初始含水率时,有唯一确定的未冻水含量和水分传感器信号与之对应,借助核磁共振仪测试结果完成对水分传感器的标定。(2)通过机器学习方法对监测断面未冻水的建模分析,对比RBF神经网络、SVR和XGB的预测结果表明,砂土、粉质黏土的RBF预测结果最优:RMSE分别达0.1495、0.5629%;模型预测精度优于传感器测试精度(±3.75%),验证了标定方法的可靠性与精度。(3)主要冻结期和融化期水分-温度场时空分布特征与各监测位置的水热变化情况表明:路基在冻融周期内存在不冻结的冻土层上水,主要分布于左坡脚和右路肩下;冷季水分场与温度场相关度高;阴阳坡效应与热融湖塘共同作用下,路基水分、温度呈不对称性分布;单侧热棒有利于增加路基冷储量,保护多年冻土。

关键词：青藏公路路基未冻水现场观测机器学习水分场

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海洋环境现场监测手段的开发与应用

厦门大学学报（自然科学版） 2001年第3期40卷 706-714页

作者：戴民汉翟惟东厦门大学海洋环境科学教育部重点实验室

简述了国际上化学传感器、化学分析器、生物传感器 ,以及基于这些传感器和分析器的多学科交叉现场观测系统等海洋环境现场监测手段的开发与应用概况 ,并略涉一些现场采样手段 ,重点列举了 p CO2 微电极、中性浮式沉积物采样器 ,以及用... 详细信息

简述了国际上化学传感器、化学分析器、生物传感器 ,以及基于这些传感器和分析器的多学科交叉现场观测系统等海洋环境现场监测手段的开发与应用概况 ,并略涉一些现场采样手段 ,重点列举了 p CO2 微电极、中性浮式沉积物采样器 ,以及用于研究海洋上层输出通量的锚式系统 .

关键词：化学传感器化学分析器生物传感器现场观测海洋生物地球化学海洋监测

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青藏公路热棒路基降温效能

交通运输工程学报 2016年第4期16卷 45-58页

作者：金龙汪双杰穆柯彭惠中交第一公路勘察设计研究院有限公司高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室陕西西安710075

为了分析多年冻土区热棒路基的工程效果,定量评价其降温效能,基于青藏公路热棒路基试验工程近11年的现场监测数据,分析了热棒路基的地温特征、温度场形态和冻融过程,估算了阴阳坡影响下热棒附近的水平热收支状况。建立了空气-热棒-冻土... 详细信息

为了分析多年冻土区热棒路基的工程效果,定量评价其降温效能,基于青藏公路热棒路基试验工程近11年的现场监测数据,分析了热棒路基的地温特征、温度场形态和冻融过程,估算了阴阳坡影响下热棒附近的水平热收支状况。建立了空气-热棒-冻土地基三维非稳态耦合计算模型,分析了不同结构形式（单侧直插式、单侧斜插式、双侧直插式与双侧斜插式）的热棒路基的降温效能。实测结果表明：在热棒作用下,阳坡侧路基地温可降到-1.5℃附近,较普通路基地温降低约3.0℃,阴坡侧路基地温最低达到-2.1℃;热棒路基经过11年的营运,阳坡侧冻土上限抬升约0.95m,基本达到天然地基水平;阴阳坡两侧热棒的年平均实际功率分别约为69.80、54.07 W,且热棒路基在最初5年传递能量较大,第6年后逐渐减小,此后路基的热状况进入相对稳定的状态。计算结果表明：双侧直插式热棒路基与双侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为2.88、1.88m,而单侧直插式热棒路基与单侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为3.84、3.46m,因此,双侧热棒路基的长期降温效果明显强于单侧热棒路基,斜插式热棒路基强于直插式热棒路基;单根热棒的年平均功率为47~56 W,与试验工程监测结果较为吻合。

关键词：路基工程热棒路基现场观测数值模拟阴阳坡效应降温效能

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特厚煤层综放采场支架合理工作阻力研究

岩石力学与工程学报 2010年第11期29卷 2312-2318页

作者：孔令海姜福兴王存文北京科技大学土木与环境工程学院北京100083

采用微震监测技术、相似材料模拟试验和现场支架工作阻力宏观观测等方法,对15 m以上特厚煤层综放采场支架合理工作阻力进行研究。支架阻力宏观观测表明,正常情况和老顶来压情况下,支架安全阀开启都较为频繁,说明13 000 kN/架的支架额定... 详细信息

采用微震监测技术、相似材料模拟试验和现场支架工作阻力宏观观测等方法,对15 m以上特厚煤层综放采场支架合理工作阻力进行研究。支架阻力宏观观测表明,正常情况和老顶来压情况下,支架安全阀开启都较为频繁,说明13 000 kN/架的支架额定工作阻力不能满足目前工作面开采的需要,支架工作阻力在正常情况下为9 000～12 000 kN/架,老顶来压时大于13 000 kN/架。通过相似模拟试验研究,得到特厚煤层综放采场支架工作阻力为:正常情况下,支架合理工作阻力为9 000～13 000 kN/架;低位老顶来压情况下,为13 000～17 500 kN/架;高位老顶动压情况下,为17 500～23 000 kN/架。微震监测结果表明,支架工作阻力在正常情况下平均为10 971.45 kN/架,异常来压时大于13 333.95 kN/架。将相似材料模拟试验、现场宏观观测和微地震监测研究结果进行定性对比研究,可得支架工作状态分为三类:正常情况、低位老顶来压和高位老顶来压。

关键词：采矿工程支架工作阻力现场观测微震监测相似材料模拟

黄花水龙对富营养化水体中氮磷去除效果的研究

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环境科学 2007年第5期28卷 975-981页

作者：王超张文明王沛芳侯俊河海大学环境学院教育部浅水湖泊综合治理与资源开发重点实验室南京210098

在太湖地区沟渠、池塘及河网中广泛分布着1种形态类似水花生的土著浮水植物——黄花水龙,其生长习性表明黄花水龙是太湖地区水生态系统修复的潜在物种.采用室内试验和现场观测相结合的方式,进一步探讨了黄花水龙对富营养化水体中氮磷的... 详细信息

在太湖地区沟渠、池塘及河网中广泛分布着1种形态类似水花生的土著浮水植物——黄花水龙,其生长习性表明黄花水龙是太湖地区水生态系统修复的潜在物种.采用室内试验和现场观测相结合的方式,进一步探讨了黄花水龙对富营养化水体中氮磷的去除效果.室内试验结果显示,夏季黄花水龙对总氮去除率约为60%,分别是水葫芦、水花生和对照的2.6、2.9和3.8倍,对总磷去除率约为25%,分别是水葫芦、水花生和对照的0.7、1.9和5倍;冬季黄花水龙对总氮和总磷去除率分别约为23%和20%,是对照的3.3和2倍;夏季和冬季黄花水龙对氨氮和硝氮亦有良好的净化效果.宜兴林庄港现场观测显示,7-10月引种黄花水龙的河段水体中总氮和总磷的去除率为10.2%-19.6%和23.4%-41.6%,而同期对照河段仅为0.1%-1.6%和3.7%-5.6%.室内试验和现场试验结果均表明黄花水龙对受损水体中氮磷具有良好的净化效果,可作为太湖河网富营养化水体修复的植物之一.

关键词：黄花水龙富营养化水体氮磷植物修复室内试验现场观测