太湖西部湖區(qū)濱岸帶風(fēng)浪時(shí)空分布特征及其影響

張中天，許 強(qiáng)，吳小靖，史傳萌，裘曉蕊，柳子豪

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215006)

0 引言

風(fēng)浪是由于風(fēng)作用于湖面導(dǎo)致水體質(zhì)點(diǎn)周期性起伏的水面波動(dòng)形式，對(duì)于大型淺水湖泊來說風(fēng)是湖流和風(fēng)浪的最主要驅(qū)動(dòng)因素[1-3]。風(fēng)向、風(fēng)速、持續(xù)時(shí)間和水深等都是影響浪高的因素[4-5]，對(duì)于太湖這類大型淺水湖泊，由于受水深、地形等因素的制約，其風(fēng)浪高度一般在汛期和湖面開闊的地方較高[6]。

風(fēng)浪對(duì)太湖的影響尤為嚴(yán)重，在水動(dòng)力方面，風(fēng)浪會(huì)對(duì)濱岸帶產(chǎn)生沖刷作用，尤其在濱岸帶缺乏植被的緩沖保護(hù)的情況下，堤防的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)安全將遭受威脅[7]；另外，波浪的爬高和回落會(huì)對(duì)堤防產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)一步對(duì)堤防的結(jié)構(gòu)造成破壞[8]。不僅如此，風(fēng)浪還會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境效應(yīng)。在風(fēng)浪的作用下，湖泊的底泥會(huì)發(fā)生再懸浮和沉降等過程[9-10]，這一系列過程不僅會(huì)降低湖泊的透明度，還會(huì)影響沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)源釋放特征，使得湖泊的生態(tài)環(huán)境遭受威脅[11-14]。風(fēng)浪等一些因素的作用使得西部湖區(qū)濱岸帶出現(xiàn)一定程度的退化跡象[13]。因此，本文以太湖西部湖區(qū)為重點(diǎn)研究對(duì)象，對(duì)不同季節(jié)的風(fēng)場(chǎng)和浪高特征進(jìn)行分析，探究了西部湖區(qū)沿岸的風(fēng)浪時(shí)空分布及其對(duì)濱岸帶的影響，并提出了相應(yīng)的防浪建議。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域

太湖是中國(guó)五大淡水湖之一，位于長(zhǎng)江三角洲南緣，江蘇省南部，北臨江蘇無錫，南瀕浙江湖州，西依江蘇宜興，東近江蘇蘇州。湖泊面積2427.8km2，湖岸線全長(zhǎng)393.2km，多年平均水位3m左右，湖容積48.7億m3。太湖地處亞熱帶，氣候溫和濕潤(rùn)，屬季風(fēng)氣候。

太湖環(huán)湖岸線全長(zhǎng)410km，其中江蘇境內(nèi)岸線長(zhǎng)350km，扣除山丘地區(qū)，環(huán)湖大堤長(zhǎng)243km，分湖東大堤和湖西大堤。湖西大堤，自無錫縣直湖港向西，沿湖至浙江省吳興縣東西苕溪出，長(zhǎng)58km；湖東大堤，自無錫縣梁溪向東，沿湖經(jīng)胥向南，穿太浦河過江浙省界至吳興，長(zhǎng)185km。

根據(jù)水利部太湖流域管理局2018太湖健康公報(bào)，將太湖湖區(qū)分為竺山湖、梅梁湖、貢湖、西部沿岸區(qū)、湖心區(qū)、東部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、東太湖共8個(gè)區(qū)域，具體分區(qū)如圖1所示。本次研究對(duì)象為太湖西部湖區(qū)，包括竺山湖和西部沿岸區(qū)，即圖中①和④。其中西部沿岸區(qū)濱岸帶長(zhǎng)度約為34.48km，竺山湖的濱岸帶長(zhǎng)度約為37.67km。由于竺山湖的西岸和東岸受風(fēng)向影響產(chǎn)生的風(fēng)浪特征差異較大，本文將其分為竺山湖西岸(約為17.57km)和竺山湖東岸(約為20.10km)兩部分進(jìn)行研究。

圖1 太湖水域分區(qū)與研究區(qū)域

1.2 浪高計(jì)算基本方程

根據(jù)GB 50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，風(fēng)浪要素可按下列公式計(jì)算確定：

(1)

1.3 風(fēng)浪影響指數(shù)定義

為了計(jì)算濱岸帶不同區(qū)域遭受風(fēng)浪沖刷影響的程度，本文定義了一個(gè)無量綱數(shù)濱岸帶風(fēng)浪影響指數(shù)(θ)，其計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

2 計(jì)算結(jié)果

利用太湖地區(qū)東山站的1966—2020年共55年的長(zhǎng)序列氣象資料，分析了東、西、南、北、東南、西南、東北、西北8個(gè)風(fēng)向的出現(xiàn)頻率、特征風(fēng)速。

2.3 香氣成分 通過頂空固相微萃取(HS-SPME)-氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)技術(shù)測(cè)香氣成分，所得數(shù)據(jù)在NIST08.LIB和NIST14.LIB標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)中檢索，查詢相關(guān)文獻(xiàn)去除不確定物質(zhì)(匹配度SI<85)及雜質(zhì)，得到傳統(tǒng)工藝黃觀音紅茶可鑒定香氣成分123種，新工藝黃觀音紅茶可鑒定香氣成分119種。

2.1 太湖風(fēng)速與風(fēng)向

根據(jù)8個(gè)方向上年最大風(fēng)速的頻率進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各風(fēng)向上不同重現(xiàn)期太湖湖區(qū)的最大風(fēng)速，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。還統(tǒng)計(jì)太湖湖區(qū)全年各方向上不同風(fēng)速的出現(xiàn)頻率，繪制全年風(fēng)向、風(fēng)速玫瑰圖，如圖2所示。

表1 不同重現(xiàn)期下的各風(fēng)向年最大風(fēng)速 單位：m/s

圖2 全年風(fēng)向、風(fēng)速玫瑰圖

從計(jì)算結(jié)果來看，相同重現(xiàn)期下，一般S、SW風(fēng)向年最大風(fēng)速偏小，N和NW的年最大風(fēng)速偏大。E和SE風(fēng)向上的風(fēng)速也偏大，由于西部湖區(qū)大部分濱岸帶是正對(duì)此風(fēng)向的，這對(duì)西部湖區(qū)濱岸帶的威脅較大。同一風(fēng)向上，太湖湖區(qū)的年最大風(fēng)速隨著重現(xiàn)期的變長(zhǎng)而逐漸增大，重現(xiàn)期為100a時(shí)最大。綜合來看，重現(xiàn)期為100a時(shí)，太湖湖區(qū)N和NE風(fēng)向的年最大風(fēng)速最大，均超過23m/s。結(jié)合圖2，并對(duì)全年風(fēng)速分布進(jìn)行分析，風(fēng)速在2～4m/s之間出現(xiàn)頻率最高，4～6m/s出現(xiàn)頻率次之，而風(fēng)速在12～16m/s之間的出現(xiàn)頻率最低，不足1%。從風(fēng)向上來看，東方向和北方向上的來風(fēng)出現(xiàn)頻率最低，低于5%，風(fēng)速一般在2～4m/s之間。西北風(fēng)出現(xiàn)頻率超過15%，其中風(fēng)速在2～4m/s的占比最高，約為8%，西北出現(xiàn)頻率最高達(dá)到18.72%。

根據(jù)江蘇地區(qū)氣候條件，本文將全年分為4個(gè)季節(jié)，具體劃分情況如下：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)。將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)根據(jù)季節(jié)進(jìn)行分類，分類結(jié)果見表2，并分別繪制不同季節(jié)風(fēng)向、風(fēng)速玫瑰圖，如圖3所示。

表2 不同風(fēng)向出現(xiàn)頻率

圖3 不同季節(jié)風(fēng)向、風(fēng)速玫瑰圖

根據(jù)表2和圖3，對(duì)不同季節(jié)風(fēng)向分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明，春季和夏季東南風(fēng)的出現(xiàn)頻率最高，均高于25%。而秋季和冬季西北風(fēng)出的現(xiàn)頻率最高，也高于25%，全年綜合來看，東風(fēng)和東北風(fēng)出現(xiàn)頻率低于5%。從風(fēng)速分布來看，西北風(fēng)風(fēng)速最大，秋季西北風(fēng)最高風(fēng)速可達(dá)12～14m/s，春、冬兩季的西北風(fēng)風(fēng)速最高也能達(dá)到10～12m/s；東南風(fēng)風(fēng)速次之，最高風(fēng)速在8～10m/s之間；北風(fēng)出現(xiàn)頻率均為最低且風(fēng)速也是最小，北風(fēng)風(fēng)速最高僅為2～4m/s。

2.2 太湖浪高

本文計(jì)算的浪高采用100a一遇的最大風(fēng)速，利用公式(1)進(jìn)行求解計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制不同風(fēng)向條件下太湖湖區(qū)西部風(fēng)浪分布圖，如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)向的浪高(單位：m)

從圖4可以得出浪高的分布和風(fēng)向相關(guān)性很高，8個(gè)風(fēng)向計(jì)算出的浪高基本上呈現(xiàn)出當(dāng)風(fēng)向正對(duì)濱岸帶的區(qū)域，浪高數(shù)值非常的高，非正對(duì)區(qū)域的浪高數(shù)值非常低。對(duì)于整個(gè)西部湖區(qū)來說，東北、東、東南、南風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)浪浪高較大，大部分區(qū)域都超過了0.4m，這是由于太湖西部湖區(qū)的沿岸大部分區(qū)域是面向東方和東南方的。而其它風(fēng)向產(chǎn)生高于0.4m的區(qū)域較少。

3 分析與討論

3.1 太湖風(fēng)浪影響的季節(jié)特征

根據(jù)太湖湖區(qū)西部風(fēng)速、風(fēng)向分布數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)應(yīng)風(fēng)浪，并代入公式(2)分析風(fēng)浪對(duì)濱岸帶的影響情況，太湖湖區(qū)西部濱岸帶影響指數(shù)(θ)分布情況如圖5所示。

圖5 不同季節(jié)風(fēng)浪影響指數(shù)

本文定義濱岸帶的風(fēng)浪影響指數(shù)θ>0.6表示重度影響；0.4<θ≤0.6表示中度影響；0.2<θ≤0.4表示輕度影響；θ≤0.2表示幾乎無影響。根據(jù)影響指數(shù)(θ)分布情況，分析得到不同太湖湖區(qū)西部濱岸帶影響程度，結(jié)果見表3。

表3 不同季節(jié)風(fēng)浪影響程度 單位：%

與圖5的結(jié)論類似，表3顯示在春季和夏季，由于風(fēng)浪導(dǎo)致的中度和重度影響的占比區(qū)域最高，均超過60%；在夏季的重度影響程度最高，占比近40%；對(duì)于秋冬兩季來說，超過70%的區(qū)域?yàn)檩p度影響和幾乎無影響。

3.2 太湖風(fēng)浪影響的空間特征

由于風(fēng)浪高度與迎風(fēng)面的夾角有關(guān)，正對(duì)風(fēng)向的濱岸帶受到風(fēng)浪的影響最大，因此本文將研究區(qū)域分為西部沿岸濱岸帶(迎風(fēng)面為東和東南方向)、竺山湖西岸濱岸帶(迎風(fēng)面為東向)和竺山湖東岸濱岸帶(迎風(fēng)面為西向)3部分進(jìn)行研究。

通過表4可以看出，對(duì)于西部沿岸區(qū)，其春季和夏季的中度和重度影響區(qū)域都超過24km，這是由于春夏兩季的主風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，因此產(chǎn)生的風(fēng)浪較大，受影響的區(qū)域較多；尤其在夏季，西部沿岸區(qū)全線都處于中度和重度的影響范圍；秋冬兩季的主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，故在秋冬季的西部沿岸區(qū)的風(fēng)浪影響都是輕度及以下。對(duì)于竺山湖西岸濱岸帶，由于其主要迎風(fēng)面為東向，因此不同季節(jié)的風(fēng)浪影響程度分布和西部沿岸濱岸帶比較相似，夏季幾乎全線(17km以上的區(qū)域)處于中度和重度的影響范圍；春季約8km的范圍為中度影響區(qū)；而秋冬季的影響都是輕度及以下。對(duì)于竺山湖東岸濱岸帶，其主要迎風(fēng)面為西向，與前兩個(gè)區(qū)域正好相反，因此夏季此處僅有3km左右的區(qū)域是中度影響區(qū)，其它的都是輕度及以下；風(fēng)浪對(duì)竺山湖東岸濱岸帶的影響在秋冬季節(jié)最為嚴(yán)重，重度影響的區(qū)域在兩個(gè)季節(jié)超過7km，中度影響在這兩個(gè)季節(jié)分別約11、7km。綜上本文提出建議，在春季和夏季做好西部沿岸區(qū)和竺山湖西岸全線的防浪工作，在秋冬兩季重點(diǎn)做好竺山湖東岸區(qū)域的防浪工作。

表4 不同區(qū)域?yàn)I岸帶風(fēng)浪影響長(zhǎng)度 單位：km

4 結(jié)語

受季風(fēng)影響，太湖地區(qū)在春夏兩季以東南風(fēng)為主，作為迎風(fēng)面的西部沿岸區(qū)和竺山湖西岸影響最為嚴(yán)重，在夏季幾乎全線都是風(fēng)浪的中度和重度影響區(qū)域；在秋冬季節(jié)，主風(fēng)向變?yōu)槲鞅憋L(fēng)，竺山湖東岸作為迎風(fēng)面，風(fēng)浪對(duì)其影響較大。由于太湖沿岸基底實(shí)測(cè)資料難以獲取，本文未考慮風(fēng)浪影響區(qū)域的基底情況。盡管如此亦可以為環(huán)湖大堤防浪工作和太湖西部湖區(qū)濱岸帶修復(fù)提供理論指導(dǎo)意義，比如春夏兩季為濱岸帶植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵季節(jié)，在濱岸帶修復(fù)和植被恢復(fù)工作中建議在春夏兩季做好西部沿岸區(qū)和竺山湖西岸全線的防浪工作。