太湖不同湖區(qū)底泥懸浮沉降規(guī)律研究及內(nèi)源釋放量估算*

胡開明，王 水，逄 勇

(1:江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，南京 210036)

(2:江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210036)

(3:河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

太湖是一個(gè)大型淺水湖泊，水面面積2338 km2，流域面積36500 km2，平均水深1.9 ～2.0 m[1]，由于頻繁受風(fēng)的作用，底泥在風(fēng)浪擾動(dòng)下，易發(fā)生再懸浮，導(dǎo)致底泥中的營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體，這種動(dòng)態(tài)內(nèi)源釋放對水質(zhì)影響很大[2-4].因此，湖泊底泥的再懸浮及內(nèi)源釋放已受到國內(nèi)外極大的關(guān)注[5-14].對美國淺水湖泊Okeechobee 湖和Apopka 湖的觀測中發(fā)現(xiàn)風(fēng)浪擾動(dòng)可以將表層底泥中的可溶性磷釋放出來[5，15].S?ndergaard等[16]對丹麥的Arres? 湖調(diào)查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力懸浮產(chǎn)生的可溶性活性磷(SRP)釋放量最大可增加20 ～30 倍.范成新[17]對滆湖底泥進(jìn)行模擬研究，表明擾動(dòng)作用使水體磷濃度增加約2 ～4 倍.Reddy 等[18]在實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)對氨氮而言，懸浮作用(懸浮+擴(kuò)散)造成的上覆水營養(yǎng)鹽濃度增加可以達(dá)到單純由擴(kuò)散產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽濃度的數(shù)10 倍.Robarts 等[19]跟蹤觀測了日本琵琶湖在強(qiáng)臺風(fēng)作用下水體磷含量變化，發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)過后水體溶解態(tài)反應(yīng)磷(SRP)含量提高了2.5 倍.上述現(xiàn)象表明，風(fēng)浪所產(chǎn)生的擾動(dòng)作用使湖體內(nèi)源負(fù)荷明顯增加.秦伯強(qiáng)等[20]結(jié)合水動(dòng)力作用，提出了基于大型淺水湖泊底泥內(nèi)源釋放的概念性模式.由于太湖中底泥懸浮、遷移主要由湖水表面的風(fēng)擾動(dòng)而引起[21]，因而從風(fēng)速因子著手成為研究太湖內(nèi)源釋放的關(guān)鍵.范成新等[13]就不同風(fēng)速段對湖區(qū)擾動(dòng)產(chǎn)生懸浮顆粒物(suspended particulate matter，SPM)增量累計(jì)得到太湖全年因風(fēng)力引起的表層再懸浮顆粒量，秦伯強(qiáng)等[14]以動(dòng)力產(chǎn)生的剪切力為出發(fā)點(diǎn)，通過室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)得到的釋放通量估算太湖全年釋放量.

太湖是一個(gè)大型淺水湖泊，東北部湖灣較多，西南部岸線比較平順，湖心區(qū)地勢開闊，相同的風(fēng)向風(fēng)力在湖灣、沿岸及湖心等區(qū)域形成的湖流結(jié)構(gòu)及水土界面水力要素均有顯著差異，導(dǎo)致了不同湖區(qū)底泥具有不同的再懸浮規(guī)律，且水生植物分布情況不均勻，對底泥再懸浮也有一定影響，目前研究較少考慮不同湖區(qū)底泥再懸浮規(guī)律的差異.本文選取了3 個(gè)具有代表性的點(diǎn)采集太湖底泥，采用矩形水槽開展底泥再懸浮模擬實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合太湖二維水量水質(zhì)模型及太湖全年實(shí)測數(shù)據(jù)，建立了不同湖區(qū)底泥再懸浮通量與風(fēng)速之間的定量關(guān)系;通過室內(nèi)靜沉降實(shí)驗(yàn)，得到了靜沉降通量與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系;最后將底泥再懸浮實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)化應(yīng)用于太湖二維水量水質(zhì)模型中，估算太湖全年內(nèi)源釋放量，以期為太湖富營養(yǎng)化的治理提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 矩形水槽實(shí)驗(yàn) 矩形水槽法利用恒定水位差對柱狀底泥界面產(chǎn)生動(dòng)力擾動(dòng)作用，克服了傳統(tǒng)方法[13，22-24]的底泥原狀結(jié)構(gòu)和外力條件不可控等問題，也可進(jìn)行多組平行實(shí)驗(yàn)，因此是淺水湖泊底泥再懸浮研究較為適合的模擬方法.

1)實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理:本次實(shí)驗(yàn)在河海大學(xué)矩形水槽中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，其主體是由進(jìn)水箱、出水箱及中間的扁長形水槽(寬15 cm、高5 cm)連接組成，主體裝置都采用透明的有機(jī)玻璃制成，便于觀測實(shí)驗(yàn)中的底泥起懸情況.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Design of experimental device

兩個(gè)水箱內(nèi)設(shè)有插槽，利用不同高度的隔板控制水槽進(jìn)出口水位，調(diào)節(jié)水位差值改變水槽內(nèi)的流速;進(jìn)水箱與外部的儲水箱通過水管連接，并用泵使水循環(huán)流動(dòng);水槽上、下部各開一個(gè)圓孔，上部圓孔放置流速儀，并用定做的橡皮塞塞緊防止漏水，下部圓孔粘接一段內(nèi)徑為9 cm 的圓管，方便柱狀采樣器的接入.本實(shí)驗(yàn)中，由泵抽水使進(jìn)、出水箱保持溢流，通過恒定水位差使水槽內(nèi)產(chǎn)生流速穩(wěn)定的水流，用流速儀上的讀數(shù)控制流速大小.裝有太湖底泥樣的采樣柱通過水槽下部的圓管連接上水槽，用千斤頂將泥柱頂起，使泥面與流速儀旋槳轉(zhuǎn)軸在一個(gè)水平面上，以確保流速儀讀出來的流速與引起底泥釋放的流速一致.在出水箱設(shè)有一個(gè)底泥收集槽，用來收集被水流切削起來的底泥.本實(shí)驗(yàn)利用該裝置探討水動(dòng)力作用下太湖底泥的釋放規(guī)律及與流速的關(guān)系.

圖2 太湖生態(tài)分區(qū)及采樣點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of Lake Taihu regions and sampling sites

2)實(shí)驗(yàn)條件:本次實(shí)驗(yàn)于2009年11月20-28日進(jìn)行，用柱狀采樣器(Φ 9 cm×50 cm)共采集了3 個(gè)采樣點(diǎn)的底泥，分別取自 A 點(diǎn) (太湖服務(wù)區(qū)，31°7'10″N，119°56'25″E)、B 點(diǎn)(宜興市丁蜀鎮(zhèn)八房港，31°11'37″N，119°54'31″E)和 C 點(diǎn)(太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(簡稱“太湖站”)附近 水 域 梅 梁 灣 口 西，31° 24' 24″ N，120°8'45″E)，具體位置見圖2，實(shí)驗(yàn)用水也也是完全取自采泥點(diǎn)的太湖水.總體來說，太湖底部由古沖積平原黃土硬底組成，硬底之上僅覆蓋10 cm 左右主要為黃土硬底長期浸泡受風(fēng)浪反復(fù)擾動(dòng)而形成的活動(dòng)層泥沙，在水動(dòng)力作用下容易發(fā)生再懸浮.水槽根據(jù)進(jìn)出口恒定水位差確定控制過水?dāng)嗝娴牧魉偈蛊浞€(wěn)定，而流速儀旋槳轉(zhuǎn)軸平面上的流速即表示引起底泥釋放的流速，通過OA 直讀式流速儀(南京水利科學(xué)研究院)讀取.實(shí)驗(yàn)具體方案為:采用 5、10、15、20、30 和 40 cm/s 涵蓋太湖大部分情況的 6 組流速.每種流速方案持續(xù)運(yùn)行 2 min，并在 0、10、20、30、60、90 和 120 s 時(shí)各取 1 次底泥收集槽內(nèi)的泥水，用以測定釋放區(qū)水體懸浮物(SS)濃度.另外，在沖刷過程中，通過搖升千斤頂使泥柱面始終與流速儀旋槳轉(zhuǎn)軸保持在同一水平面.每組2 次平行.

1.1.2 野外懸浮沉降實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)在太湖梅梁灣口東岸“太湖站”棧橋附近水域(31°24'N，120°12'E)進(jìn)行.觀測點(diǎn)水深約1.6 m，泥深0.3 m 左右，每次實(shí)驗(yàn)均連續(xù)觀測5 ～7 d.具體時(shí)間為:春季:4月2日8:30-4月7日 8:30、5月 27日 8:30-6月 1日 9:00，夏季:7月 20日 7:00-7月 25日 19:00，秋季:9月 13日 7:00-9月 18日 7:00，冬季 12月 5日 7:00-12月9日7:00.取樣方法、底泥捕獲器及其在水中的布置方法見參考文獻(xiàn)[25].

1.1.3 室內(nèi)靜沉降實(shí)驗(yàn) 在室內(nèi)進(jìn)行了7 次靜沉降實(shí)驗(yàn)，時(shí)間分別為4月7-8日、4月8-9日、5月28-29日、5月30-31日、7月18-19日、9月10-11日、12月10-11日.實(shí)驗(yàn)用水取自“太湖站”棧橋附近的太湖原水，7 次實(shí)驗(yàn)水樣 SS 初始濃度依次為:293.8、48.2、589.5、52.0、57.7、154.2 和 444.2 mg/L，代表了太湖小、中、大風(fēng)浪下太湖SS 的濃度.實(shí)驗(yàn)裝置和取樣方法見參考文獻(xiàn)[26].

1.2 懸浮物濃度測定

樣品按照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》中的方法進(jìn)行分析[27].快速取出搖勻后的水樣進(jìn)行過濾(采用預(yù)先烘干稱重的Whatman GF/C 玻璃纖維濾膜)，過濾后將濾膜在105℃下烘4 h 至恒重，在干燥器中冷卻30 min至室溫后稱重，此時(shí)的重量減掉膜自重即為SS 質(zhì)量，根據(jù)體積換算后可以得到水體SS 含量.

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 底泥再懸浮通量的計(jì)算方法 底泥再懸浮通量的計(jì)算公式為:

式中，r 為底泥再懸浮通量(g/(m2·d));λ 為模型比尺;V 為相應(yīng)時(shí)間經(jīng)過實(shí)驗(yàn)區(qū)的水樣體積(L);Cv為不同時(shí)刻取樣時(shí)水中SS 濃度(mg/L);C0為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)前水中SS 濃度(mg/L);A 為與水接觸的底泥水平投影表面積(m2);t 為釋放時(shí)間(d).

1.3.2 內(nèi)源釋放量的計(jì)算方法 由于風(fēng)浪的作用，底泥受到擾動(dòng)產(chǎn)生起懸運(yùn)動(dòng)進(jìn)入水體，發(fā)生著復(fù)雜的懸浮沉降過程，同時(shí)伴隨著營養(yǎng)物質(zhì)的釋放和吸附.風(fēng)浪較小或風(fēng)平浪靜時(shí)，底泥不發(fā)生懸浮或懸浮量很少，對水體中物質(zhì)濃度的影響不大;當(dāng)風(fēng)力增強(qiáng)達(dá)到一定的程度(達(dá)到底泥起懸的臨界風(fēng)速μm)時(shí)，底泥開始發(fā)生較為明顯的懸浮，同時(shí)將大量營養(yǎng)物質(zhì)帶入水體中;大風(fēng)過后，原先懸浮起來的底泥在重力作用下開始沉降，并攜帶大量的營養(yǎng)物質(zhì)重新回到底泥中.將底泥在水體中的懸浮過程和沉降過程分別計(jì)算，內(nèi)源釋放量即等于再懸浮量與沉降量的差值.計(jì)算公式為:

式中，S 為底泥分布的面積(m2);Mi為不同風(fēng)速下的各因子釋放率(g/(m2·d));Ti為不同風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間(d);Nj為不同風(fēng)速對應(yīng)的平均沉降率(g/(m2·d));Tj為該風(fēng)速持續(xù)的時(shí)間(d).

圖3 太湖各采樣點(diǎn)懸浮物濃度與流速的關(guān)系(第一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)Fig.3 Relationship of suspended solid and flow velocity of each sampling site in Lake Taihu

2 結(jié)果與討論

2.1 矩形水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)泥沙起動(dòng)理論，泥沙的起動(dòng)一般可分為3 種狀態(tài)[28]，即“將動(dòng)未動(dòng)”、“少量動(dòng)”和“普遍動(dòng)”，不同起動(dòng)狀態(tài)對應(yīng)的水體中污染物質(zhì)的濃度也有較大的變化，而且底泥釋放的特點(diǎn)也有所不同.本實(shí)驗(yàn)中底泥的起動(dòng)和釋放也符合這一規(guī)律.

從各采樣點(diǎn)SS 濃度和再懸浮通量分別與流速的關(guān)系(圖3 和圖4)可以看出:當(dāng)?shù)啄嗵幱凇皩?dòng)未動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，隨著流速的增大，底泥再懸浮通量呈上升趨勢，SS 濃度和再懸浮通量的增加幅度都不大，主要是由于底泥只受到了輕微的擾動(dòng)，還未大量懸浮;隨著流速的進(jìn)一步增大，底泥達(dá)到“少量動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，SS 濃度和再懸浮通量較前一階段有了明顯的上升，主要是由于此時(shí)已有部分底泥開始大量起動(dòng)，小的泥沙顆粒懸浮到上覆水體中，同時(shí)下層的底泥間隙水也得以大量釋放，致使水體SS 濃度升高;當(dāng)流速達(dá)到30 ～40 cm/s 時(shí)，底泥處于“普遍動(dòng)”狀態(tài)，SS 濃度和再懸浮通量產(chǎn)生一個(gè)較大的突增，底泥中的營養(yǎng)物質(zhì)被完全釋放出來，A、B、C 點(diǎn)SS 濃度最大值分別達(dá)到70.3、57.3 和47.1 mg/L，是初始狀態(tài)的幾十倍之多;3 個(gè)采樣點(diǎn)的再懸浮通量最大值分別達(dá)到 10170.5、13980.5 和 7584.5 g/(m2·d)，比原來狀態(tài)高1 ～2 個(gè)數(shù)量級.這充分說明水動(dòng)力作用在湖泊內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中扮演著非常重要的角色.3 個(gè)采樣點(diǎn)SS 濃度隨流速變化均可用指數(shù)關(guān)系擬合，參數(shù)略有不同，除考慮實(shí)驗(yàn)誤差以外，這可能也與各采樣點(diǎn)底泥物理屬性存在輕微差異有關(guān)(A、B 兩點(diǎn)位于沿岸區(qū)，C 點(diǎn)位于湖心區(qū)).

由整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)公式(1)可以建立3 個(gè)采樣點(diǎn)再懸浮通量與流速的綜合關(guān)系式:

式中，y 為各采樣點(diǎn)的底泥再懸浮通量(g/(m2·d));x 為水體流速(cm/s).

通過建立的關(guān)系式可以看出:底泥再懸浮通量與流速的關(guān)系服從指數(shù)分布，在一定的流速范圍內(nèi)，底泥再懸浮通量隨流速的增大而增大.總之，在淺水湖泊中，動(dòng)力懸浮使得表層的數(shù)厘米至數(shù)十厘米底泥發(fā)生懸浮，在風(fēng)浪過程結(jié)束后，懸浮底泥沉降至湖底，有機(jī)物繼續(xù)降解等待下一次風(fēng)浪的來臨[2].故控制湖泊富營養(yǎng)化除了要控制外源污染外，還特別要加大力度控制湖泊的內(nèi)源釋放.

圖4 太湖采樣點(diǎn)再懸浮通量與流速擬合曲線Fig.4 The response relation curve between resuspended flux and flow velocity in Lake Taihu

2.2 風(fēng)浪作用下的太湖內(nèi)源釋放量估算

2.2.1 底泥再懸浮通量計(jì)算 針對淺水湖泊在風(fēng)浪作用下，底泥的再懸浮通量主要與底泥物理屬性及水土界面水力要素有關(guān)，而水力要素又受所處湖區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速和地理形態(tài)影響.根據(jù)秦伯強(qiáng)等[2]的野外實(shí)測，太湖各湖區(qū)沉積物粒度組成幾乎相同，大部分沉積物的粒度介于2.0 ～20.0 μm 之間，其中粒度分布比較集中的范圍是16 ～20 μm，太湖沉積物的粒徑分布經(jīng)過風(fēng)浪的淘洗、搬遷和輸運(yùn)，顯現(xiàn)出在空間分布上的高度一致性.可以認(rèn)為，對于太湖而言，不同湖區(qū)沉積物再懸浮規(guī)律的差異主要由于湖區(qū)所處地理形態(tài)及該區(qū)域風(fēng)向、風(fēng)速引起的湖流結(jié)構(gòu)的不同.

根據(jù)太湖各湖區(qū)生態(tài)特點(diǎn)并結(jié)合最新功能區(qū)劃，太湖可分成9 個(gè)湖區(qū)(圖2)，其中竺山灣與梅梁灣形態(tài)以及底泥分布情況相仿，均為半封閉污染嚴(yán)重湖體，五里湖是直接連著梅梁灣的湖區(qū)，貢湖灣、東部沿岸區(qū)和東太湖均是被大面積水生植物覆蓋的東部水域，水動(dòng)力情況相似，將9 大湖區(qū)劃分為5 大類(表1)，采用太湖二維水量水質(zhì)模型[29-30]進(jìn)行模擬計(jì)算，使用2005年四季的太湖實(shí)測風(fēng)速資料作為邊界條件，同期水體SS 濃度實(shí)測資料做率定，以2.1 節(jié)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論為基礎(chǔ)，重復(fù)調(diào)試參數(shù)使模擬值與實(shí)驗(yàn)測量值在允許的誤差范圍內(nèi)，得到若干組參數(shù)值，采用最小二乘法從中篩選出最優(yōu)的一組，得到了全湖各湖區(qū)不同季節(jié)底泥沉積物再懸浮通量與風(fēng)速關(guān)系曲線，具體見表1.各湖區(qū)不同季節(jié)底泥再懸浮通量與風(fēng)速關(guān)系建立思路如下:

1)Ⅰ區(qū)(五里湖、梅梁灣及竺山灣區(qū)):利用野外沉積物捕獲器在梅梁灣區(qū)分四季開展了野外懸浮沉降實(shí)驗(yàn)，獲得了Ⅰ區(qū)分期底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系，同時(shí)在同一地點(diǎn)采樣進(jìn)行室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)，獲得原位資料與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系;

2)Ⅱ、Ⅲ區(qū)(西部沿岸區(qū)和南部沿岸區(qū)):利用水槽實(shí)驗(yàn)，分別對梅梁灣、西部及南部沿岸區(qū)3 個(gè)采樣點(diǎn)(圖2)不同流速下的底泥沉積物再懸浮通量進(jìn)行模擬，以Ⅰ區(qū)野外懸浮沉降實(shí)驗(yàn)成果作為準(zhǔn)確值，將室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)規(guī)律和野外實(shí)驗(yàn)成果建立耦合關(guān)系，對比得到Ⅱ、Ⅲ區(qū)底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，利用Ⅰ區(qū)春、夏、秋、冬季同等風(fēng)速下的底泥再懸浮通量的比值得到Ⅱ、Ⅲ區(qū)分期底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系;

3)Ⅳ、Ⅴ區(qū)(湖心區(qū)和貢湖灣、東部沿岸區(qū)及東太湖):利用以往全太湖各湖區(qū)SS 濃度與風(fēng)速資料獲得梅梁灣、西部沿岸區(qū)、湖心區(qū)及東太湖SS 濃度與風(fēng)速的擬合關(guān)系，利用模型進(jìn)行模擬試算獲得底泥再懸浮通量與SS 濃度的對應(yīng)關(guān)系，以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)SS 濃度模擬值與同一湖區(qū)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，求得Ⅳ、Ⅴ區(qū)分期底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系，最終得到整個(gè)太湖不同季節(jié)不同湖區(qū)SS 再懸浮通量與風(fēng)速之間的定量關(guān)系.

通過比較相同風(fēng)速范圍內(nèi)4 個(gè)季節(jié)的底泥沉積物再懸浮通量得知:太湖底泥沉積物再懸浮通量時(shí)空變化顯著.春、秋季再懸浮通量較小，夏、冬季較大，這可能與不同季節(jié)不同湖區(qū)水生植物的生長情況有關(guān).風(fēng)速與再懸浮通量基本呈正相關(guān)，且相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均大于0.6.比較9 個(gè)湖區(qū)相同時(shí)段的底泥再懸浮通量得知:湖心區(qū)和沿岸區(qū)再懸浮通量最大，北部湖區(qū)次之，東太湖最小，這主要是因?yàn)楹膮^(qū)和沿岸區(qū)除局部外幾乎沒有地形障礙物，有相當(dāng)大的風(fēng)暴露面積，風(fēng)速對水體擾動(dòng)影響很明顯;北部梅梁灣、竺山灣雖然是半封閉地形，風(fēng)速影響較湖心區(qū)弱，但這種口袋狀地形極易形成環(huán)流，造成沉積物再懸浮;東部湖區(qū)覆蓋大面積植被，水草具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪及平復(fù)能力，從而使風(fēng)力對水體SS 的影響減小.

表1 太湖各湖區(qū)不同季節(jié)底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系曲線*Tab.1 Relationships of resuspended flux and wind speed of each lake region in Lake Taihu in different seasons

2.2.2 懸浮物靜沉降通量計(jì)算 根據(jù)7 次室內(nèi)靜沉降實(shí)驗(yàn)，得到了不同風(fēng)速下平均靜沉降通量.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉降速率基本上均呈隨著沉降時(shí)間而減緩的規(guī)律，表明太湖底泥在沉降過程中，前期沉速快、沉降量大的特征.在相同沉降時(shí)間內(nèi)，平均沉降通量與SS初始濃度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)，而不同湖區(qū)SS 初始濃度又與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，為了能夠在數(shù)值模擬的過程中統(tǒng)一參數(shù)，此處通過轉(zhuǎn)化建立了平均沉降通量與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系為:y=111.7e0.2186x(式中，x 為風(fēng)速(m/s)，y 為沉降通量(g/(m2·d));R2=0.679).

2.2.3 內(nèi)源釋放量計(jì)算結(jié)果 1)底泥起懸臨界風(fēng)速(μm)的確定:對2000-2008年太湖各湖區(qū)風(fēng)速和SS 濃度的觀測資料進(jìn)行回歸分析，得到SS 起懸臨界風(fēng)速(μm)的統(tǒng)計(jì)值，五里湖、梅梁灣、竺山灣、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、貢湖灣、東太湖和其他區(qū)分別為 3.2、3.6、2.7、3.4、3.0、2.8、2.6 和 3.4 m/s.結(jié)果表明，在風(fēng)速小于臨界風(fēng)速(μm)的情況下，各湖區(qū)水體中的SS 濃度值在20 ～50 mg/L 之間變化，沒有明顯的上升趨勢，是因?yàn)檩^小擾動(dòng)沒有使底泥懸浮，只是使水體中原有的物質(zhì)上下浮動(dòng).這樣，對底泥懸浮沉降過程進(jìn)行劃分和概化:風(fēng)速范圍為μ ＞μm時(shí)，底泥受風(fēng)浪的作用發(fā)生起懸，此過程懸浮運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用;風(fēng)速范圍為μ≤μm，風(fēng)速對底泥起懸的影響較小，SS 受重力作用以沉降運(yùn)動(dòng)為主.張運(yùn)林等[31]在1998年2-3月對太湖 SS 的野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，底泥懸浮的臨界風(fēng)速大約在5.0 ～6.5 m/s 之間.秦伯強(qiáng)等[2]對2002年7月23-24日太湖中心附近觀測結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速大于4.0 m/s 時(shí)底泥才開始出現(xiàn)再懸浮現(xiàn)象.本文計(jì)算值偏小于張運(yùn)林、秦伯強(qiáng)等的研究結(jié)果，一方面是因?yàn)榍叭酥饕槍δ骋粋€(gè)起懸過程進(jìn)行分析因而得到的是瞬時(shí)值，而本文對多年資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要體現(xiàn)的是起懸發(fā)生的平均風(fēng)速值;另一方面，觀測位置的差異也導(dǎo)致底泥受風(fēng)速作用的效果不同.

2)風(fēng)速頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果:對1990-1995年及2000-2008年太湖站33 個(gè)觀測站[26]的風(fēng)速資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(年風(fēng)速出現(xiàn)頻率按日平均風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算，根據(jù)范成新等[13]的研究成果，按1 m/s 風(fēng)速段考慮風(fēng)的消長周期而言，每一風(fēng)速增長持續(xù)時(shí)間約為0.9 d，基本上可以看作一天代表一個(gè)風(fēng)浪過程)，太湖日平均風(fēng)速以2 ～5 m/s 為主，占全年日出現(xiàn)頻率的64.1%，大于5 m/s 的風(fēng)速頻率為17.5%;而日最大風(fēng)速出現(xiàn)頻率在高風(fēng)速區(qū)則普遍較大，如大于5 m/s 的日最大風(fēng)速頻率占89.5%，大于8 m/s 的頻率占到34.2%，是大于7 m/s日平均風(fēng)速頻率(3.8%)的9 倍，反映湖面頻繁地受到了大風(fēng)的瞬時(shí)擾動(dòng).

3)太湖內(nèi)源釋放量估算:太湖除湖心區(qū)外，各主要湖區(qū)均有較大范圍的底泥分布，根據(jù)對全湖底泥覆蓋面積求積的結(jié)果[32]，全湖底泥分布面積約為1632.9 km2，其中五里湖、梅梁灣、竺山灣、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、貢湖灣、東太湖和其他區(qū)底泥面積分別為 5.6、61.9、29.7、216.9、313.8、74.8、134.2 和 796 km2.五里湖水面小，南部有150 m 左右的山脈作為屏障，北部有城市類型的下墊面形成的緩沖，受風(fēng)力影響較小，SS濃度幾乎不隨風(fēng)速加大而上升[13].由于地形、水生植被等影響導(dǎo)致不同湖區(qū)的再懸浮特征有所差異.總體而言，太湖底泥的物理化學(xué)特性在水平空間上差別不大[2].根據(jù)以往對太湖總磷(TP)、總氮(TN)等與富營養(yǎng)化相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，SS 與TP、TN 等存在顯著正相關(guān)關(guān)系[26].根據(jù)2009年太湖水體中營養(yǎng)鹽及SS 濃度監(jiān)測結(jié)果，底泥懸浮沉降過程中水體TN、TP、COD 和SS 濃度的比值:五里湖、梅梁灣、竺山灣、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、貢湖灣、東太湖和其他區(qū) COD/SS 值分別為5.29%、5.29%、2.35%、1.07%、4.10%、4.34%、5.82%和 4.59%;TN/SS 比值分別為 1206.31、1206.31、1644.54、1314.52、845.26、823.04、3007.32 和 925.61 mg/kg;TP/SS 值分別為 554.35、554.35、519.23、301.35、541.56、460.77、627.78 和460.36 mg/kg.根據(jù)公式(2 ～4)計(jì)算2009年太湖各湖區(qū)春、夏、秋、冬季對應(yīng)12 個(gè)月每日的營養(yǎng)鹽懸浮沉降量，由于風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值是按照日平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，這樣會(huì)掩蓋掉部分幾個(gè)小時(shí)的短期大風(fēng)過程，事實(shí)上，夏季瞬時(shí)的強(qiáng)風(fēng)過程是比較普遍的，因此，實(shí)際發(fā)生的頻率可能高于此統(tǒng)計(jì)值，故在計(jì)算整個(gè)太湖內(nèi)源釋放量時(shí)乘以浮動(dòng)系數(shù)1.5，具體計(jì)算結(jié)果見圖5 和表2，風(fēng)力過大超出野外實(shí)驗(yàn)期間觀測到的風(fēng)速范圍的情況，以實(shí)驗(yàn)所得的風(fēng)速隨再懸浮通量及沉降通量的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮到不同區(qū)域底泥的最大可懸浮量進(jìn)行削減.其中:春季對應(yīng)3-5月、夏季對應(yīng)6-8月、秋季對應(yīng)9-11月、冬季對應(yīng)12月至次年2月.

結(jié)果顯示，太湖每日的內(nèi)源釋放量受風(fēng)速影響顯著，和風(fēng)速變化趨勢較為接近，水體中的營養(yǎng)物質(zhì)隨著風(fēng)力的增大而增加，隨著風(fēng)速的減小而減少.夏、冬季各營養(yǎng)鹽釋放的變化幅度較大，COD、TN 和TP 的最大懸浮量分別為3.81×104、767.14 和427.22 t.可以看出，風(fēng)浪作用下，底泥與水體發(fā)生著頻繁的交換，并且交換量相當(dāng)大.然而，沉降量受懸浮量和風(fēng)速的共同影響，無論哪個(gè)季節(jié)，平均日懸浮量越大，平均日沉降量也越大，圖上則顯示為懸浮沉降量數(shù)值之間的距離越遠(yuǎn)(圖5).

圖5 太湖2009年全年每日風(fēng)速及營養(yǎng)鹽釋放變化Fig.5 Daily changes of wind speed and release amount of internal load in 2009 in Lake Taihu

懸浮量最終又轉(zhuǎn)為沉降量，隨著底泥再懸浮進(jìn)入水體的營養(yǎng)物質(zhì)又會(huì)被帶回底泥中去，所以全年進(jìn)入水體的營養(yǎng)鹽累積量并不是很大.太湖全年進(jìn)入水體的凈底泥量有47.81×104t，夏季最大，冬季次之;就營養(yǎng)物質(zhì)釋放量而言，COD 約為 2.06× 104t、TN 約為 1149.05 t、TP 約為 564.35 t，其中秋季營養(yǎng)物質(zhì)釋放量最小，夏季最大，這也可能是夏季水華暴發(fā)的原因之一.然而，秦伯強(qiáng)等[14]從動(dòng)力對底泥的剪切力角度考慮，進(jìn)行室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)計(jì)算總氮、總磷的釋放通量，得到太湖全年的總氮釋放量為8.1×104t，總磷釋放量為2.1×104t.比較發(fā)現(xiàn):秦伯強(qiáng)等的計(jì)算結(jié)果偏大，主要是因?yàn)閯?dòng)力的剪切力作用僅能體現(xiàn)湖底被風(fēng)浪掀起的底泥量，卻不能反映下沉的那部分量.總體而言，本研究結(jié)果表明風(fēng)浪作用下的太湖內(nèi)源年釋放總量并非很大.

表2 太湖內(nèi)源釋放量估算結(jié)果Tab.2 Annual average release amount of internal load in Lake Taihu

3 結(jié)論

1)本文通過矩形水槽實(shí)驗(yàn)，建立了太湖3 個(gè)具有代表性點(diǎn)的底泥再懸浮通量與流速的相關(guān)關(guān)系，可以看出3 個(gè)采樣點(diǎn)SS 濃度隨流速變化均可用指數(shù)關(guān)系擬合，參數(shù)略有不同，且相關(guān)性較好，在一定的流速范圍內(nèi)，底泥再懸浮通量隨流速的增大而增大.太湖A、B 和C 3 個(gè)采樣點(diǎn)的再懸浮通量最大分別達(dá)到10170.5、13980.5 和 7584.5 g/(m2·d).

2)太湖底泥再懸浮通量與風(fēng)速呈現(xiàn)線形正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性較好.同等風(fēng)速范圍內(nèi)，春、秋兩季再懸浮通量較小，夏、冬兩季較大;湖心區(qū)和沿岸區(qū)再懸浮通量最大，北部湖區(qū)次之，東太湖最小;風(fēng)速對再懸浮通量的影響很大并且時(shí)空變化顯著.同時(shí)，計(jì)算了太湖SS 靜沉降通量，平均靜沉降通量與SS 初始濃度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，SS 濃度越大，平均沉降通量也越大.

3)太湖每日的內(nèi)源釋放量受風(fēng)速影響顯著，和風(fēng)速變化趨勢較為接近，水體中的營養(yǎng)物質(zhì)隨著風(fēng)力的增大而增加，隨著風(fēng)速的減小而減少.風(fēng)浪作用下，底泥與水體發(fā)生著頻繁的交換，并且交換量相當(dāng)大，各營養(yǎng)鹽的釋放夏、冬變化幅度較大，COD、總氮和總磷最大懸浮量分別為3.81×104、767.14 和427.22 t.然而，平均日懸浮量越大，平均日沉降量也越大，年進(jìn)入水體的營養(yǎng)鹽累積量并不是很大.

4)太湖全年進(jìn)入水體的凈底泥量有47.81×104t，夏季最大，冬季次之;就營養(yǎng)物質(zhì)釋放量而言，COD 約為2.06×104t、總氮約為1149.05 t、總磷約為564.35 t，其中秋季營養(yǎng)物質(zhì)釋放量最小，夏季最大.風(fēng)浪引起底泥的起懸，然而大部分懸浮量最終又轉(zhuǎn)為沉降量，隨底泥再懸浮進(jìn)入水體的營養(yǎng)物質(zhì)又被帶回底泥中去，風(fēng)浪作用下的太湖內(nèi)源年釋放總量并非很大.

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