風(fēng)浪擾動(dòng)下南四湖懸浮顆粒物分布與侵蝕深度模擬

李 寶，申秋實(shí)，孫春意，赫國(guó)勝，劉 陽(yáng)

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，276005，山東臨沂；2.湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，210008，南京)

底泥-水界面是江河湖庫(kù)中最重要的環(huán)境界面之一，風(fēng)浪、湖流等水動(dòng)力作用下底泥會(huì)發(fā)生再懸浮和沉降等過(guò)程，進(jìn)而引起一系列環(huán)境效應(yīng)[1-2]。南四湖地處山東省西南部，平均水深1.46 m，是南水北調(diào)東線工程重要的輸水通道和京杭大運(yùn)河重要的航運(yùn)路段，其底泥-水界面受到風(fēng)浪和船只的擾動(dòng)頻繁，在此開(kāi)展風(fēng)浪等動(dòng)力擾動(dòng)下底泥再懸浮和沉降過(guò)程模擬研究，對(duì)區(qū)域水土保持與環(huán)境保育具有重要意義。目前關(guān)于風(fēng)浪條件下湖庫(kù)底泥再懸浮的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[3]和室內(nèi)模擬2種，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但受限于風(fēng)情等不可控因素，難以推廣；室內(nèi)模擬主要有振蕩法[2]、波浪水槽法[4]、環(huán)行槽法[5]和Y型再懸浮發(fā)生裝置法[6]等，振蕩、波浪水槽和環(huán)行槽法均采用機(jī)械方法產(chǎn)生上覆水的定向流動(dòng)使底泥發(fā)生懸浮，條件易于控制，但存在底泥的原狀性受到一定程度的破壞和較淺的上覆水與湖泊實(shí)際情況差異較大等問(wèn)題，Y型再懸浮發(fā)生裝置法用電動(dòng)可調(diào)傳動(dòng)裝置斜向和垂向?qū)Φ啄嘟缑婧退a(chǎn)生動(dòng)力擾動(dòng)作用，模擬水深1.6 m，能較好的克服底泥原狀破壞和模擬水深較淺問(wèn)題，是目前較為適用的淺水水體底泥再懸浮模擬方法[6]。筆者利用Y型底泥再懸浮裝置，選取南四湖中污染最為嚴(yán)重的南陽(yáng)湖區(qū)為代表，對(duì)其在常見(jiàn)風(fēng)情條件下底泥的再懸浮和沉降過(guò)程進(jìn)行模擬，分析不同風(fēng)浪條件下夏冬季節(jié)底泥懸浮顆粒物在水體中的分布特征，并估算風(fēng)浪對(duì)表層底泥的物理侵蝕深度，為南四湖流域的水土保持和水環(huán)境保護(hù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 風(fēng)速數(shù)據(jù)獲取與特征分析

在南陽(yáng)湖區(qū)東湖站(E 116°35′04″，N 35°19′38″)設(shè)立全自動(dòng)風(fēng)速測(cè)定儀(MODAS)(圖1)。選用2012年10月1日至2013年9月31日每10 min 1次的風(fēng)速自動(dòng)記錄結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，儀器記錄到的全年最大風(fēng)速為9.1 m/s，平均風(fēng)速為2.1 m/s，0～1.0 m/s低風(fēng)速占比較大，約占全年風(fēng)速出現(xiàn)頻率的38.9%，6 m/s以上大風(fēng)速相對(duì)較少，僅占全年的2.4%。

圖1 南陽(yáng)湖東湖站和采樣點(diǎn)位置Fig.1 Locations of Donghu station and sampling points in Nanyang lake

將累積頻率95%以上的風(fēng)速作為大風(fēng)速過(guò)程，累積頻率<95%的風(fēng)速平均3等分，對(duì)落入每等份頻率的風(fēng)速進(jìn)行累積加權(quán)統(tǒng)計(jì)，分別記為背景風(fēng)速、小風(fēng)速和中風(fēng)速(表1)。

表1 南陽(yáng)湖全年(2012年10月—2013年9月)各頻率段風(fēng)速累計(jì)加權(quán)均值統(tǒng)計(jì)Tab.1 Cumulative weighted mean statistics of wind speeds in differen frequency bands (from October 2012 to September 2013) of Nanyang lake

南陽(yáng)湖區(qū)背景風(fēng)和小風(fēng)居多，歷時(shí)很長(zhǎng)，難以進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，風(fēng)速在3.0～3.5 m/s的中風(fēng)過(guò)程全年平均歷時(shí)約150 min，風(fēng)速在6.0～6.5 m/s的大風(fēng)過(guò)程平均歷時(shí)約120 min。不同風(fēng)速的起落時(shí)長(zhǎng)也有差別，其過(guò)程并非簡(jiǎn)單的單調(diào)增加或減小，背景風(fēng)和小風(fēng)的起風(fēng)落風(fēng)過(guò)程可在10 min內(nèi)完成，中風(fēng)和大風(fēng)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，起風(fēng)落風(fēng)一般在3 h左右完成，大中風(fēng)的起風(fēng)落風(fēng)過(guò)程大致呈對(duì)稱分布。

1.2 模擬實(shí)驗(yàn)條件的確定

Y型旋漿式底泥再懸浮發(fā)生裝置由Y型聚乙烯管、側(cè)位攪拌電機(jī)、上部擾動(dòng)電機(jī)和調(diào)頻電機(jī)等主件組成[7]。原狀底泥緩慢移入Y型管并注入現(xiàn)場(chǎng)采集的上覆水，柱狀底泥和上覆水柱長(zhǎng)度分別為20和160 cm(圖2)。

圖2 原位柱狀底泥采集及Y型再懸浮裝置擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.2 Intact columnar sediment collecting and Y-shape apparatus disturbance experiment

根據(jù)尤本勝[8]對(duì)模擬水柱再懸浮顆粒物垂向分布的研究結(jié)果，確定小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)模擬時(shí)的電機(jī)擾動(dòng)頻率。依照南陽(yáng)湖區(qū)不同風(fēng)速所呈現(xiàn)的歷時(shí)規(guī)律，確定各典型風(fēng)速時(shí)長(zhǎng)均為3 h，完整的模擬過(guò)程包括起風(fēng)、再懸浮、落風(fēng)和沉降4個(gè)階段，時(shí)長(zhǎng)分別為1、3、1和19 h，共24 h。

1.3 樣品采集與實(shí)驗(yàn)

2014年8月(夏季)和2015年2月(冬季)分別在南陽(yáng)湖區(qū)湖心(E 116°39′50.9″，N 35°9′26.7″)和泗河河口位置(E 116°39′51.1″，N 35°13′11.0″)采集原位柱狀樣(泥深≥20 cm)(圖1和圖2)，每個(gè)樣點(diǎn)采集柱狀底泥12根(3根對(duì)照、9根分別用于小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動(dòng)模擬)，上部用原點(diǎn)位湖水注滿后2端橡膠塞塞緊，垂直放置；另外，在采樣點(diǎn)采集原位湖水，作為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中上覆水；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采集柱狀樣，按間隔5 cm進(jìn)行切樣，用于含水率和粒度測(cè)定[9]。所有泥樣及水樣于48 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，低溫4 ℃保存。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將柱狀底泥(高20 cm)慢慢移入Y型再懸浮發(fā)生裝置，每實(shí)驗(yàn)組設(shè)3次平行，分別于2、4、6、10和24 h在距離底泥-水界面5、15、30、55、105和135 cm處采集水樣50 mL，過(guò)濾重量法[10]測(cè)定懸浮物(suspended solid，SS)質(zhì)量濃度。

1.4 水柱中總懸浮物增量計(jì)算

一定時(shí)間內(nèi)單位面積水柱中懸浮物增量可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算[10]：

FSS,t=TSS,t-TSS,0。

式中：FSS,t為風(fēng)浪過(guò)程中t時(shí)刻懸浮物增量，g/m2；TSS,t為風(fēng)浪過(guò)程中t時(shí)刻水柱總懸浮物量g/m2；TSS,0為風(fēng)浪起始時(shí)水柱總懸浮物量，g/m2。其中：

TSS=∑cSS,i×Δhi。

式中：TSS為水柱總懸浮物量，g/m2；cSS,i為第i水層懸浮物質(zhì)量濃度，mg/L；Δhi為第i水層厚度，m。筆者在距離泥-水界面1.55、1.05、0.55、0.30、0.15和0.05 m處采集水樣，測(cè)定懸浮物質(zhì)量濃度(cSS)，代表的水層厚度分別為0.40、0.50、0.30、0.20、0.10和0.10 m，共1.60 m。

1.5 風(fēng)浪對(duì)底泥最大侵蝕深度的估算

水柱中的懸浮物來(lái)自同一底面上的表層底泥，因此風(fēng)浪對(duì)底泥的侵蝕深度可通過(guò)對(duì)水柱中顆粒物總量的堆積密度計(jì)算獲得[10]：

L=M×10-3/(ρ(1-γ))。

式中：L為侵蝕深度，mm；M為最大懸浮量，g/m2；γ為表層底泥含水率，%；ρ為濕密度，g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季南陽(yáng)湖底泥再懸浮和沉降過(guò)程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

如圖3所示，冬季南陽(yáng)湖湖心和河口水體懸浮物質(zhì)量濃度均有隨風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)度增加而增加的趨勢(shì)，其增量對(duì)風(fēng)浪強(qiáng)度有明顯依賴關(guān)系。湖心區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動(dòng)4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始的30.6、44.2和44.0 mg/L增大到147.6、640.8和898.7 mg/L，大風(fēng)擾動(dòng)下懸浮物平均質(zhì)量濃度是中風(fēng)擾動(dòng)下的1.4倍，是小風(fēng)擾動(dòng)下的6.1倍；河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動(dòng)4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始20.3、17.2和19.5 mg/L增大到86.1、175.8和695.7 mg/L，大風(fēng)擾動(dòng)下懸浮物平均質(zhì)量濃度是中風(fēng)擾動(dòng)下的3.9倍，是小風(fēng)擾動(dòng)下的8.1倍，這種倍數(shù)的顯著差異與河口區(qū)和湖心區(qū)表層底泥粒度的差異相一致，河口區(qū)底泥粒度中值粒徑為18.13～263.37 μm，維持在中粉砂至細(xì)砂水平，湖心區(qū)中值粒徑為6.47～28.89 μm，維持在極細(xì)粉砂至中粉砂水平。風(fēng)浪擾動(dòng)停止后，水柱中懸浮物質(zhì)量濃度快速下降，沉降20 h后，湖心區(qū)和河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別下降至40.1、65.2、61.7和29.5、62.2、89.1 mg/L，沉降20 h，3種風(fēng)速對(duì)底泥再懸浮的影響已基本結(jié)束。

圖3 風(fēng)浪擾動(dòng)下冬季南陽(yáng)湖底泥再懸浮和沉降過(guò)程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of SS (suspended solid)concentration in water column during sediment resuspension and settlement process in winter under different winds and waves disturbance in Nanyang lake

2.2 夏季南陽(yáng)湖底泥再懸浮和沉降過(guò)程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

如圖4所示，湖心區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動(dòng)4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始12、19.5和19.8 mg/L增大到164.7、373.3和2 209.3 mg/L；河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動(dòng)4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始16.1、16.5和29.4 mg/L增大到127.1、294.3和1 170.8 mg/L。風(fēng)浪擾動(dòng)停止后，水柱中懸浮物質(zhì)量濃度快速下降，沉降20 h后，湖心區(qū)和河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別下降至22.5、37.2、78.5和18.5、34.2、66.1 mg/L。

圖4 風(fēng)浪擾動(dòng)下夏季南陽(yáng)湖底泥再懸浮和沉降過(guò)程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of SS concentration in water column during sediment resuspension and settlement process in summer under winds and waves disturbance in Nanyang lake

2.3 夏季和冬季不同風(fēng)浪強(qiáng)度下南陽(yáng)湖底泥再懸浮量的變化

如圖5所示，小風(fēng)浪和中風(fēng)浪擾動(dòng)作用下，底泥再懸浮過(guò)程穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較短，第2 h的懸浮物增量與第4 h的懸浮物增量差別較小，小風(fēng)和中風(fēng)作用2 h后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)未導(dǎo)致更多的底泥發(fā)生懸浮。大風(fēng)較中小風(fēng)能導(dǎo)致更多的底泥懸浮，穩(wěn)定時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，第2 h和第4 h懸浮物增量差別在200 g/m2以上，因此，隨風(fēng)浪強(qiáng)度的增加，TSS平衡所用時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。在風(fēng)速停止后的自然沉降過(guò)程(4～24 h)中，水柱中懸浮物量隨之降低，小風(fēng)時(shí)降低不明顯，小的水動(dòng)力作用僅使較小顆粒發(fā)生懸浮，較小懸浮物的沉降相對(duì)于風(fēng)速變化存在明顯滯后效應(yīng)，該現(xiàn)象在野外觀測(cè)中亦有發(fā)現(xiàn)[3]。在沉降階段的最初6 h，3種風(fēng)速下的懸浮物量均出現(xiàn)較大幅度下降，下降速率>85%，風(fēng)浪過(guò)后的最初6 h是水體透明度恢復(fù)極為重要的階段，沉降20 h后，水柱中懸浮物濃度與風(fēng)浪前的初始濃度趨于一致。

圖5 南陽(yáng)湖底泥再懸浮量對(duì)風(fēng)浪過(guò)程的響應(yīng)Fig.5 Response of sediment resuspension increment to wind and wave process in Nanyang lake

湖心區(qū)，夏季和冬季大風(fēng)下懸浮物最大增量為3 203和1 290 g/m2，分別是中風(fēng)的5.7和1.37倍，是小風(fēng)的11.9和6倍。河口區(qū)，夏季和冬季大風(fēng)下懸浮物最大增量分別為1 695和998 g/m2，分別是中風(fēng)的4.0和6.9倍，是小風(fēng)的9.8和10.1倍。風(fēng)浪擾動(dòng)下湖心區(qū)和河口區(qū)懸浮物增量存在較大差異，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下，夏季和冬季湖心區(qū)最大懸浮物增量分別比河口區(qū)高35.8%、25.0%、47.1%和54.2%、74.1%、22.7%，這種差異與河口表層底泥(0～20 cm)顆粒尺寸相對(duì)較大有關(guān)。底泥粒度分布蘊(yùn)含著水動(dòng)力強(qiáng)弱信息，河口區(qū)與湖心區(qū)粒度分布的不同反映出2個(gè)區(qū)域水動(dòng)力作用存在強(qiáng)烈差異，進(jìn)而對(duì)底泥再懸浮和沉降過(guò)程產(chǎn)生影響。

南陽(yáng)湖底泥再懸浮規(guī)律在冬季和夏季差異顯著，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下均表現(xiàn)為冬季再懸浮量較小，夏季再懸浮量較大的特征。湖心區(qū)和河口區(qū)在冬季大風(fēng)下最大懸浮物增量分別為1 290和998 g/m2，而夏季大風(fēng)下最大懸浮物增量則高達(dá) 3 203 和1 290 g/m2，大風(fēng)下夏季比冬季的最大懸浮物增量高62.2%和22.6%。水生植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)者，在固定底泥、防止底泥再懸浮、凈化水質(zhì)、改善水體氧化還原狀況等方面具有重要的作用[11]。南陽(yáng)湖在冬季整個(gè)湖面長(zhǎng)有大量菹草，模擬研究出現(xiàn)的再懸浮量季節(jié)性差異與菹草的固著能力有著極其密切的關(guān)系。You等[12]在太湖的研究也發(fā)現(xiàn)，無(wú)水生植被的梅梁灣底泥相對(duì)于有水生植被覆蓋的漫山湖更易發(fā)生再懸浮。風(fēng)浪作用下，南陽(yáng)湖冬季菹草的消浪作用和根系對(duì)提高底泥的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度發(fā)揮重要優(yōu)勢(shì)，很大程度上減弱底泥的再懸浮能力。

2.4 風(fēng)浪作用下南陽(yáng)湖底泥侵蝕深度估算

不同風(fēng)浪擾動(dòng)下南陽(yáng)湖底泥侵蝕深度如表2所示，不同風(fēng)浪擾動(dòng)下表層底泥侵蝕深度在0.09～13.73 mm之間，除夏季大風(fēng)浪擾動(dòng)下湖心區(qū)底泥侵蝕深度為厘米量級(jí)外，其他均屬于毫米量級(jí)，與胡春華等[3]在太湖長(zhǎng)兜港和太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站等地的原位觀測(cè)計(jì)算結(jié)果(0.41～3.83 mm)較為接近。定量研究可以確定：在南陽(yáng)湖區(qū)，除風(fēng)涌水和反射波等作用因素外，常規(guī)風(fēng)情條件下，很難出現(xiàn)分米級(jí)甚至厘米級(jí)表層底泥的侵蝕。

表2 不同風(fēng)浪擾動(dòng)條件下南陽(yáng)湖底泥侵蝕深度估算Tab.2 Estimation of erosion depth under different winds and waves disturbance in Nanyang lake

3 結(jié)論

1)隨風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)度的增大，南陽(yáng)湖區(qū)底泥再懸浮量也隨之增大，但在小風(fēng)浪和中風(fēng)浪時(shí)，底泥再懸浮過(guò)程穩(wěn)定時(shí)間較短，2 h內(nèi)懸浮物質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，大風(fēng)浪條件下，再懸浮穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，4 h再懸浮模擬過(guò)程中，懸浮物質(zhì)量濃度一直處于增加狀態(tài)；沉降階段，最初6 h內(nèi)，不同風(fēng)速下懸浮物量下降85%以上，風(fēng)浪過(guò)后的最初6 h是水體透明度恢復(fù)極為重要的階段，沉降20 h后，水柱中懸浮物質(zhì)量濃度與風(fēng)浪前的初始濃度趨于一致。

2)冬季和夏季南陽(yáng)湖區(qū)底泥再懸浮規(guī)律空間差異顯著，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動(dòng)條件下，夏季和冬季湖心區(qū)最大懸浮物增量分別比河口區(qū)高35.8%、25.0%、47.1%和54.2%、74.1%、22.7%，這與河口區(qū)表層底泥顆粒尺寸較大有關(guān)；南陽(yáng)湖區(qū)底泥再懸浮規(guī)律在冬季和夏季亦差異顯著，大風(fēng)作用下湖心區(qū)和河口區(qū)夏季比冬季的最大懸浮物增量分別高62.2%和22.6%，這與南陽(yáng)湖區(qū)在冬季整個(gè)湖面被大量菹草覆蓋有關(guān)，菹草在很大程度上減弱底泥的再懸浮能力。

3)南陽(yáng)湖區(qū)在不同風(fēng)浪擾動(dòng)條件下表層底泥侵蝕深度在0.09～13.73 mm之間，除夏季大風(fēng)浪擾動(dòng)下湖心區(qū)底泥侵蝕深度為厘米量級(jí)外，其他均屬于毫米量級(jí)，常規(guī)風(fēng)情條件下，南陽(yáng)湖區(qū)很難出現(xiàn)分米級(jí)甚至厘米級(jí)表層底泥的侵蝕。