波浪作用下湖泊底泥的輸沙試驗(yàn)研究*

謝　瑞，姬昌輝，王永平，葛　慧

(1:南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024)(2:南京信息工程大學(xué)，水文氣象學(xué)院，南京 210044)

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波浪作用下湖泊底泥的輸沙試驗(yàn)研究*

謝瑞1，姬昌輝1，王永平1，葛慧2

(1:南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024)(2:南京信息工程大學(xué)，水文氣象學(xué)院，南京 210044)

湖泊底泥的運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生內(nèi)源污染，加劇湖泊生態(tài)環(huán)境的惡化. 研究湖泊底泥在波浪作用下的輸沙規(guī)律，可為研究湖泊的水質(zhì)變化成因及生態(tài)環(huán)境治理提供參考依據(jù).利用大型波浪水槽，在波浪作用條件下對(duì)太湖、龍感湖、巢湖的底泥進(jìn)行了起動(dòng)和輸沙試驗(yàn)，對(duì)多組波浪水文條件下湖泊底泥的輸沙試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，詳細(xì)地闡述了太湖、龍感湖、巢湖底泥在波浪作用下的輸沙變化規(guī)律. 分析整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出輸沙率變化公式，為3個(gè)湖泊的水質(zhì)變化成因分析及生態(tài)環(huán)境治理提供參考依據(jù).

太湖；龍感湖；巢湖；底泥；波浪；輸沙率

湖泊底泥在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了內(nèi)源污染，是湖泊水體中營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源的重要方面，從而加劇了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化. 前人對(duì)水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和分析，有著豐富的研究成果. 1960s Jonsson就對(duì)波浪作用下的泥沙起動(dòng)進(jìn)行了大量的研究，建立了邊界層等理論[1]，竇國(guó)仁院士對(duì)于波浪作用下泥沙的起動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，得出了泥沙起動(dòng)公式[2]. 黃建維對(duì)新港浮泥作了專題研究[3]，嚴(yán)愷等在港口波浪潮流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究中形成了一整套完整的理論[4]. 王軍等對(duì)淤積固結(jié)條件下粘性細(xì)泥沙起動(dòng)沖刷研究進(jìn)行了綜述[5]，在沖刷水槽試驗(yàn)中環(huán)形水槽各種侵蝕沖刷水槽均被廣泛使用. 曹叔尤等利用環(huán)形水槽試驗(yàn)建立了淤積物的沖刷率公式[6]等等. 研究表明，波浪作用下的細(xì)顆粒泥沙與粗顆粒泥沙的起動(dòng)機(jī)理存在著較大的差異，粗顆粒泥沙的起動(dòng)以形成沙波運(yùn)動(dòng)為主要特征；淤泥質(zhì)泥沙的起動(dòng)以泥沙的卷起、懸揚(yáng)為主要特征；細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)則介于粗顆粒與淤泥質(zhì)泥沙之間，以底泥的卷起、懸揚(yáng)為主，同時(shí)又有部分底質(zhì)的輸移，其運(yùn)動(dòng)特征與泥沙顆粒粒徑和顆粒級(jí)配有密切關(guān)系. 因此一些學(xué)者對(duì)細(xì)顆粒泥沙的卷起特性作了一些研究，由于細(xì)顆粒泥沙相對(duì)于粗顆粒泥沙的表面面積較大，顆粒間的相互摩擦、吸附將形成一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，往往比粗顆粒泥沙有更多的空隙，其達(dá)到密實(shí)穩(wěn)定的歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，重度變化也較大，故對(duì)起動(dòng)流速的影響也頗大. 因此，在研究細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)時(shí)，除應(yīng)考慮波浪要素對(duì)起動(dòng)流速的影響外，還應(yīng)考慮細(xì)顆粒泥沙的特性及其在密實(shí)過(guò)程中重度對(duì)起動(dòng)流速的影響[7]. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于粗顆粒泥沙在波浪作用下的起動(dòng)、輸移的研究較多，也較為成熟. 而對(duì)于淤泥質(zhì)泥沙的研究則相對(duì)薄弱.

同時(shí)，對(duì)于泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究主要集中在對(duì)于海岸[8]、河口[9]、河流[10]、閘下[11]泥沙起動(dòng)及沉降方面，對(duì)于波浪作用下泥沙起動(dòng)后的輸沙研究主要局限于利用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，對(duì)于河床的輸沙研究也是局限于有建筑物作用下的河床、海床的沖刷變化，對(duì)于湖泊底泥輸沙研究則相對(duì)缺乏. 而在河口湖泊地區(qū)，當(dāng)淤積粘性細(xì)泥沙吸附部分污染物時(shí)，這些污染物的遷徙擴(kuò)散又與粘性細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)輸沙過(guò)程緊密聯(lián)系，因此研究波浪作用下粘性細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)輸沙問(wèn)題具有重要實(shí)際意義[12]. 太湖位于江蘇省南部、浙江省北部，是中國(guó)第二大淡水湖；龍感湖位于湖北省和安徽省交界處，也是一個(gè)淡水湖泊；巢湖位于江淮之間，地處合肥、巢湖二市和肥東、肥西、廬江三縣境內(nèi)，是中國(guó)著名的五大淡水湖之一. 雖然3個(gè)湖泊從地理位置來(lái)看相距較遠(yuǎn)，但底泥的泥沙特性相似，均屬于細(xì)顆粒泥沙范疇[13]. 本文通過(guò)波浪水槽試驗(yàn)，研究3個(gè)湖泊底泥起動(dòng)以后的輸沙規(guī)律，可以預(yù)測(cè)一定風(fēng)浪條件下湖泊底泥的輸沙量，使我們認(rèn)識(shí)到在大風(fēng)條件下湖泊水體含沙濃度的時(shí)空變化，可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放，為研究湖泊水質(zhì)波動(dòng)成因分析以及風(fēng)浪作用下水環(huán)境變化的預(yù)測(cè)分析提供參考依據(jù).

1　底泥特性

太湖的底泥樣品采自于太湖的梅梁灣，龍感湖的底泥樣品采自于龍感湖的湖心部位，巢湖的底泥樣品采自于兩個(gè)位置：巢湖(J)靠近湖岸；巢湖(Y)靠近湖中心位置. 樣品采集時(shí)間是2004年夏季，當(dāng)時(shí)太湖梅梁灣水質(zhì)屬于重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[14]；巢湖西半湖水質(zhì)屬于重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，東半湖水質(zhì)相對(duì)好于西半湖[15]；龍感湖自1974年以來(lái)，流域大范圍化學(xué)肥料的使用增加了入湖可溶性營(yíng)養(yǎng)鹽的排放量，從而導(dǎo)致水質(zhì)逐漸惡化，總體而言水質(zhì)好于太湖和巢湖[16]. 3個(gè)湖泊均屬于大型淺水湖泊，對(duì)于研究?jī)?nèi)源污染問(wèn)題具有共性. 樣品采集使用彼得森抓泥器，采集湖底表層20 cm以內(nèi)的底泥.

表1 淤泥粒徑

從淤泥外觀顏色來(lái)看，太湖底泥呈暗灰色，龍感湖和巢湖底泥呈土黃色. 3個(gè)湖泊內(nèi)底泥樣品的粒度分析結(jié)果見(jiàn)表1，根據(jù)中值粒徑大小，3個(gè)湖泊的底泥樣品均屬于粘性細(xì)顆粒泥沙范疇.

2　試驗(yàn)和計(jì)算方法

試驗(yàn)裝置如圖1，試驗(yàn)水槽全長(zhǎng)25 m，高0.8m，寬0.5m，水槽進(jìn)口設(shè)有平推式造波設(shè)備，以產(chǎn)生規(guī)則波，水槽尾端設(shè)有消浪網(wǎng)，中間的鋪沙段裝有間距為5 m的兩個(gè)采集波高的波高儀. 整個(gè)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制. 鋪沙段長(zhǎng)度為6 m，鋪設(shè)泥層厚度為10 cm. 試驗(yàn)前底泥在水槽中經(jīng)攪拌均勻后自然沉降，2天后測(cè)定底泥容重，然后開(kāi)始試驗(yàn). 在天然湖泊中，底泥容重的垂直分布規(guī)律是隨著深度增加容重逐漸增大. 鋪沙段底泥樣品經(jīng)自然沉降2 d后表層底泥容重達(dá)到1.30 g/cm3左右，接近天然湖泊底泥的表層密實(shí)狀態(tài)，因此可以用來(lái)研究湖泊表層底泥的起動(dòng)和沖刷. 試驗(yàn)時(shí)波高先從小波開(kāi)始，然后逐漸增大，直至底泥處于起動(dòng)狀態(tài)下測(cè)定其波高. 在淤泥起動(dòng)試驗(yàn)中，觀察和測(cè)定了不同水深不同波周期下淤泥起動(dòng)的波高Hc. 在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究3個(gè)湖泊4種泥樣波浪作用下的輸沙，在一種泥樣一種容重下，試驗(yàn)水深為30 cm，波周期為1.0 s試驗(yàn)條件下，共進(jìn)行了12組試驗(yàn). 考慮實(shí)測(cè)太湖在大風(fēng)天8 m/s 的風(fēng)速持續(xù)1 h 以后的水體含沙濃度最大可以達(dá)到2.58 kg/m3[14]，在輸沙試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)通過(guò)測(cè)定垂線含沙濃度，1 h后垂線平均含沙濃度與天然湖泊相當(dāng)，由此確定輸沙試驗(yàn)的最大的波高H5，在起動(dòng)波高與最大波高之間劃分4個(gè)不同波高等級(jí)H1～H4，并使H1>H2>H3>H4>H5>Hc，從而研究輸沙率與波高的變化規(guī)律.

圖1 波浪水槽示意圖(單位：m)Fig.1　Layout of wave flume

通過(guò)測(cè)定水體的含沙濃度來(lái)計(jì)算不同波高下的輸沙率. 以太湖底泥為研究重點(diǎn)，研究5組不同波高下的輸沙變化過(guò)程，對(duì)于龍感湖和巢湖底泥分別實(shí)測(cè)2組波高下的輸沙變化過(guò)程，輸沙試驗(yàn)的波浪水文條件見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果按如下公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，E為輸沙率，ρ為水體平均含沙濃度，V為水體總體積，s為淤泥床面面積，t為掀沙時(shí)間，ρ1、ρ2、ρ3為垂線含沙濃度分布，V1、V2、V3為分層水體體積.

表2　試驗(yàn)波浪水文條件*

*試驗(yàn)裝置水深30 cm,波周期為1.0 s,淤泥自然，沉降密實(shí).

3　結(jié)果與分析

波浪水槽試驗(yàn)先從小波開(kāi)始，隨著波高的逐漸加大，在臨底水流切應(yīng)力的作用下，床面上的一些輕質(zhì)絮狀物首先開(kāi)始前后滾動(dòng)，隨著波浪動(dòng)力的加大，床面泥沙由少量動(dòng)到普遍運(yùn)動(dòng)，但泥沙顆粒做往復(fù)振動(dòng)，基本不懸浮，此時(shí)判定為泥沙起動(dòng)[1]. 對(duì)粘性細(xì)顆粒泥沙，粘結(jié)力和靜水壓力遠(yuǎn)超過(guò)重力，起動(dòng)后再加大波浪動(dòng)力，因突然失去粘結(jié)力和附加靜水壓力而懸浮，床面泥沙開(kāi)始懸起，瞬時(shí)含沙量隨波浪底部水質(zhì)點(diǎn)速度的變化而變化，短時(shí)間內(nèi)底層含沙量明顯高于上層，底部形成高含沙層. 當(dāng)波浪作用時(shí)間延長(zhǎng)后，泥沙開(kāi)始向上層水體擴(kuò)散. 當(dāng)波浪作用停止后，懸起的泥沙迅速沉降，高含沙層隨即消失. 上述現(xiàn)象表明，波浪作用下底泥的輸移不同于較粗泥沙的底部推移質(zhì)輸沙，也不同于水流作用下淤泥的全斷面懸浮輸移，其輸移主要以臨底高含沙層泥沙沿波浪底部水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向往復(fù)運(yùn)動(dòng). 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始時(shí)，高含沙層水體的厚度和平均含沙量均隨波浪動(dòng)力的增大而增大，但當(dāng)厚度達(dá)到一定值后，即使再加大波浪動(dòng)力，其厚度也基本不變，而此時(shí)，高含沙層平均含沙量迅速增大. 由于波浪非對(duì)稱性引起的傳質(zhì)速度較小，盡管波浪興起的含沙量較大，但在一個(gè)周期內(nèi)，其凈輸沙也非常小. 同時(shí)，在波高較小的條件下，泥沙的懸揚(yáng)和擴(kuò)散往往達(dá)不到水體上部，而只限于臨底一定高度內(nèi)，泥沙擴(kuò)散高度隨波高的增大而增大，3個(gè)湖泊4種泥樣在波浪作用下的輸沙過(guò)程規(guī)律基本相似.

泥沙起動(dòng)后，加大波浪動(dòng)力，泥沙自床面懸浮，向上層水體擴(kuò)散. 含沙量沿水深分布自泥沙床面向上逐漸減小. 通過(guò)實(shí)測(cè)垂線含沙量分布，根據(jù)公式計(jì)算波浪輸沙率. 太湖底泥的輸沙率變化過(guò)程為：當(dāng)波高小于12 cm時(shí)，波浪的輸沙率比較?。划?dāng)波高大于12 cm時(shí)，波浪的輸沙率明顯增大(圖2a). 試驗(yàn)中最大的波高為13.59 cm，當(dāng)波浪達(dá)到最大波高時(shí)，起始輸沙率比較大，沖刷5 min后輸沙率下降明顯，10 min后輸沙率呈緩慢遞減態(tài)勢(shì). 龍感湖底泥的輸沙率變化過(guò)程為：當(dāng)波高小于10 cm時(shí)，波浪的輸沙率比較?。划?dāng)波高大于10 cm時(shí)，波浪的輸沙率明顯增大(圖2b). 試驗(yàn)中最大的波高為11.90 cm時(shí)，當(dāng)波浪達(dá)到最大波高時(shí)，起始輸沙率比較大，輸沙試驗(yàn)在30 min以內(nèi)輸沙率下降明顯，在90 min的試驗(yàn)過(guò)程中輸沙率呈緩慢遞減態(tài)勢(shì). 巢湖底泥的輸沙率變化過(guò)程為：當(dāng)波高小于10 cm時(shí)，波浪的輸沙率比較小；當(dāng)波高大于10 cm時(shí)，波浪的輸沙率明顯增大(圖2c、2d). 試驗(yàn)中最大的波高為13.11 cm，當(dāng)波浪達(dá)到最大波高時(shí)，起始輸沙率比較大，輸沙試驗(yàn)在20 min以內(nèi)輸沙率下降明顯，在60 min以后輸沙率基本趨于穩(wěn)定.

圖2 太湖(a)、龍感湖(b)、巢湖(J)(c)和巢湖(Y)(d)的底泥輸沙率變化過(guò)程Fig.2　Scour rates of sediments from Lakes Taihu (a), Longgan (b), Chaohu (J) (c) and Chaohu (Y) (d)

從圖2可以看出，波高越大輸沙率越大，同樣波高下，輸沙率隨著時(shí)間呈遞減的趨勢(shì). 波浪作用下，泥沙自床面起始懸浮強(qiáng)度大，隨著波浪作用時(shí)間的延長(zhǎng)，水體含沙量逐漸增大，水流夾帶泥沙的能力也有所降低，輸沙強(qiáng)度逐漸減小，波浪沖刷60 min以后，輸沙率基本近似穩(wěn)定.

4　公式的建立

前人波浪泥沙研究結(jié)果表明[17-18]，Shields參數(shù)是研究波浪泥沙輸移的良好指標(biāo)，波浪的挾沙能力應(yīng)與其底部波浪Shields參數(shù)呈正比. 按Madsen等的方法[19]，波浪Shields參數(shù)可寫(xiě)為：

(3)

式中，ρs和ρ分別為泥沙顆粒和水的比重：g為重力加速度；d為泥沙顆粒粒徑；τm為床面剪切應(yīng)力的最大瞬時(shí)值，定義為：

(4)

式中，ub為波浪水質(zhì)點(diǎn)近底水平速度的最大值，由微幅波理論確定；fw為Jonsson波浪摩擦系數(shù)，可按下式計(jì)算，即：

(5)

當(dāng)日αb/γ≤1．59時(shí)，取fw=0.30. 其中，γ為床面糙率，對(duì)于平底床面通常取泥沙中值粒徑值，由于波浪作用下湖底泥面的沙紋尺度非常小，在此次計(jì)算中均取泥沙中值粒徑值D50；ab為近底水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的有效振幅. 用上述公式對(duì)本次試驗(yàn)資料進(jìn)行計(jì)算，3個(gè)湖泊4種底泥波浪作用下的起動(dòng)切應(yīng)力起動(dòng)切應(yīng)力在0.27～0.32 N/m2之間，平均值為0.30 N/m2，4種泥樣差別不大(表3)，可以看出湖泊底泥的特性具有相同的特征和起動(dòng)的相似性. 不同波高下淤泥沖刷時(shí)切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示，可以看出，在相同的水深和波周期條件下，當(dāng)?shù)啄嗥饎?dòng)后，隨著波高的增大，水體中含沙量亦逐漸增大，通過(guò)計(jì)算結(jié)果也可以看出水流對(duì)底泥沖刷的切應(yīng)力亦逐漸增大.

表3　波浪作用下淤泥起動(dòng)切應(yīng)力

表4　波浪作用下淤泥沖刷時(shí)的切應(yīng)力

(6)

其中指數(shù)相關(guān)求得隨沉積物結(jié)構(gòu)而變的系數(shù)E0=0.0107、α=2.0676. 通過(guò)天然的水深和波要素可以計(jì)算沖刷時(shí)切應(yīng)力，進(jìn)而計(jì)算天然情況下的底泥輸沙率(表5).

圖3 輸沙率曲線Fig.3　Curve of scour rate

表5 波浪作用下底泥的輸沙率

5　結(jié)論

1)3個(gè)湖泊4個(gè)泥樣的中值粒徑基本在0.01 mm以下，屬于黏性細(xì)顆粒泥沙范疇. 在泥沙特征以及起動(dòng)、輸沙的過(guò)程方面具有相似性.

2)在30 cm水深、波周期為1.0 s條件下，3個(gè)湖泊底泥的起動(dòng)波高介于5.5～7.2cm之間，平均值為6.5cm；起動(dòng)切應(yīng)力介于0.27～0.32 N/m2之間，平均值為0.30 N/m2.

3)泥沙起動(dòng)后，波高越大，泥沙懸浮越強(qiáng)，輸沙率越大，水體含沙量沿水深分布自泥沙床面向上逐漸減小.

4)同樣波高作用下，輸沙率隨著波浪作用時(shí)間的延長(zhǎng)呈遞減的趨勢(shì). 隨著水體含沙量逐漸增大，水流夾帶泥沙的能力也有所降低，其強(qiáng)度逐漸減小，然后輸沙率達(dá)到近似穩(wěn)定. 在已知水深和波要素的條件下可以計(jì)算波浪作用下的沖刷切應(yīng)力，進(jìn)而根據(jù)公式計(jì)算輸沙率，從而得到大風(fēng)天時(shí)波浪對(duì)湖泊床面的侵蝕程度.

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Transporting experimental study of the bottom silt-clay particles under the lake wave movement

XIE Rui1, JI Changhui1, WANG Yongping1& GE Hui2

(1:StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,P.R.China)(2:CollegeofHydrometeorology,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,P.R.China)

Inter-sourced pollution coming from lake sediment movement has aggravated deterioration of the ecological environment. Sediment transport rate under the lake wave movement provides reference for investigating causes of lake water quality change and ecological environment governance. Sediment transporting experiments from Lakes Taihu, Longgan and Chaohu under wave movements were performed in laboratory wave tanks. The results of silt-clay variations under multi-group wave conditions in the lake were described in detail and then analyzed for the three lakes. The formula of the sediment transporting rate was obtained by analyzing experimental data. These would give reference for causes of water quality change and ecological environment governance.

Lake Taihu; Lake Longgan; Lake Chaohu; sediment; wave; sediment transport rate

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(3)： 669-675

10.18307/2016.0324

?2016 byJournalofLakeSciences

*國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(41301550)和水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301068)聯(lián)合資助.2015-04-28收稿；2015-09-17收修改稿. 謝瑞(1964～)，男，高級(jí)工程師；E-mail：rxie@nhri.cn.