近日，国际环境科学与水资源领域（Top 1）、自然指数期刊《Water Research》[IF=12.8]在线发表了题为“Optimization of suspended particulate transport parameters from measured concentration profiles with a new analytical model” 的最新研究成果。此项成果由中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室张少同副教授、李广雪教授、李三忠教授与瑞士纳沙泰尔大学(University of Neuchatel)，澳大利亚天主教大学(Australian Catholic University)，以及昆士兰大学 (The University of Queensland) 合作完成。

目前主流的海底边界层物质通量监测方法普遍基于实测浓度与水流速度的乘积来进行估算，然而，该方法仍有两个主要局限：（1）近底浓度观测难度大，即难以开展水-土边界处的浓度观测；（2）观测浓度容易受到平流输运的干扰。本研究突破了基于单点观测开展通量估计的限制，提出了一种从近底溶质浓度剖面中推求边界层物质通量的新方法。首先，推导了非稳态非保守条件下一维垂向溶质混合方程的新解析解（图1）。该解析解基于脉冲响应方程与界面通量的卷积计算，考虑了历史底部输入对当前时刻浓度的累积残存影响。然后，通过模态分解多尺度分析等前沿技术，分离了实测浓度中的“平流输运”与“垂向混合”组分；最后，运用人工智能优化算法实现了实测与模拟浓度剖面（垂向混合组分）的最优匹配，优化得到海底边界层物质通量。将本方法应用于海底悬浮泥沙浓度剖面并从中成功优化得到底床侵蚀速率，取得了高参数精度、高优化效率且计算稳定的优化结果（图2）。该方法可推广至海底边界层任意溶质通量的原位监测与参数分析。

图1. 非稳态非保守条件下一维垂向溶质混合方程的新解析解图解

图2. 海底悬浮泥沙浓度剖面中优化底床侵蚀速率效果示例

Zhang, S., Zhao, Z., Wu, J., Perrochet, P., Wang, Y. G., Li, G., & Li, S. (2024). Optimization of suspended particulate transport parameters from measured concentration profiles with a new analytical model. Water Research, 121407.

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121407

该成果受到国家自然科学基金资助：项目号42276215; 42121005