长荡湖风浪特征观测研究

张怡辉， 魏庆菲， 朱金格， 汪院生， 杨志伟， 胡维平

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所 湖泊与环境国家重点实验室， 江苏 南京 210008； 2.南京国环科技股份有限公司， 江苏 南京 210008； 3.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司， 江苏 苏州 215106； 4.江苏长荡湖旅游控股有限公司， 江苏 常州 213224)

浅水湖泊表面风能经过水气相互作用的传递产生风浪，风浪作为浅水湖泊重要的水动力因子，是沉积物再悬浮的最重要的驱动因素[1-3]，而湖泊底泥再悬浮是影响和控制内源释放的关键物理过程[4-7]，也是影响生长层内部结构和生物数量变化及光学的吸收衰减等化学、生物过程的重要因素[8-9]。因此，风浪研究对于湖泊生态系统研究都具有重要的意义。利用仪器开展现场观测是研究湖泊风浪特征的主要手段之一。对太湖、巢湖、鄱阳湖等湖泊均开展了风浪实测研究，并得出了其基本分布特征[10-15]。

长荡湖风浪观测数据较少，不利于长荡湖的环境综合整治工作的开展。长荡湖被列入《江苏省湖泊保护名录》，既是环湖地区生活饮用水、工业用水、农业用水、渔业用水及出入湖河道生态用水的重要水源，还是鸟类繁殖地和越冬地。由于风浪影响，长荡湖沉积物再悬浮现象严重，透明度降低，导致长荡湖水生植被分布面积大幅度萎缩和消失，使得长荡湖生态系统净化能力下降[16]。针对长荡湖风浪对底泥扰动作用强烈，不利于水生植被的生长与恢复的问题，长荡湖开展了水动力优化工程，希望通过在西部离岸1 km位置修建生态潜堤，削减潜堤内风浪强度，减少沉积物再悬浮，提高透明度，进而恢复近岸带水生植物，从而提高湖体自净能力，为全面改善长荡湖水环境质量及水生态环境现状提供支撑。该水动力优化工程于2020年12月底建成完工，该优化工程完成后，显著改变了长荡湖地形结构，会对长荡湖的风浪特征产生影响。本文基于实测手段，开展了长荡湖不同位置风浪特征观测，以系统地认识和了解长荡湖的风浪变化特征。

1 研究区域介绍

长荡湖又名洮湖，是江苏省十大淡水湖之一，位于江苏省南部、太湖流域上游、金坛市金城镇东南9 km处，处于北纬31°30′～31°40′，东经119°30′～119°40′，湖泊东西最宽处8 km，南北长约16 km。长荡湖湖体呈梨形，湖盆地形平坦，无显著起伏，北半部湖盆水深稍大，南半部水浅，多沼泽性芦苇浅滩，淤积严重，常年平均水深约1.0 m，是典型的浅水草型湖泊，是太湖流域湖泊群中的重要组成部分，其集饮用水源、农业灌溉、洪涝调节和渔业生产等多功能于一体，地形如图1所示。

长荡湖地处北亚热带边缘与中亚热带的过渡地带，属北亚热带湿润季风性气候，具有明显的季风特征，气候温和，雨量充沛，日照充足。长荡湖四季分明，春季干燥少雨，夏季高温高湿，雨量集中，秋季凉爽，冬季寒冷干燥。常年主导风向为东南风、东风，多年平均风速为 3.5 m/s，实测最大风速为22.0 m/s。

图1 长荡湖地形和测站位置图

2 观测方法

为观测长荡湖不同位置风浪变化情况，在图1所示的3个测站位置采用坐底方式布置了MidasDWR压阻式波浪仪，使用Valeport公司最新的传感器技术、64位数据处理技术，通过测量波浪引起的压力变化来获得实际的波高变化数据，通过测量波浪引起的电流振荡来计算波向。

其中CD1测站观测时间为2021年3月3日15:00至4日13:00，数据采集期间水深为1.1 m(王母观平均水位3.41 m)；CD2和CD3测站观测时间为2021年6月24日12:00至25日9:00，数据采集期间水深分别为1.5 m和1.0 m(王母观平均水位3.70 m)。波浪仪采样频率设置为4 Hz，一次采样数量为2 048，记录8.4 min湖面波面过程，采样时间间隔为30 min，每个测站每次采集约720个风浪波面过程，观测期间水深介于1.1～1.4 m。MidasDWR波浪仪可获得仪器布置湖区的有效波高Hs、水面波动(最大值ηmax与最小值ηmin)、平均周期T1、上跨零周期Tz、谱峰周期Tp、有效波周期T1/3(T1/3=1.05Tp)、最大波高Hmax(Hmax=1.57Hs)、波谱总能量E(E=ρgHs2/16)、谱峰波向Pk,dir和平均波向Mean dir等波浪特征参数。

3 结果分析

3.1 波高变化特征

波高是风浪的重要参数，其中有效波高为1/3大波的平均波高，是重要的风浪特征参数，可以直接反应出风浪的强度[14]。图2为3个测站监测时段内有效波高变化情况，受时间与空间的影响，3个测站有效波高变化情况存在着明显差异。3月3—4日，水位较低(3.41 m)，水深相应较小(1.1 m)，虽然CD1处于湖体中心区域，岸线遮挡效应较小，但金坛气象站表明该时段风速快速减小，介于0.1～2.6 m/s，平均风速1.3 m/s，受该监测时段湖面风场变化和较弱缘故，有效波高随时间逐渐减小，且有效波高较小，监测时段内有效波高平均值为0.12 m。6月24—25日，长荡湖处于高水位状态(3.70m)，虽然由于缺测无25日2:00以后风场数据，但现场监测及24日监测时段金坛气象站数据表明该时段风速较大，风速介于2.8～4.3 m/s，平均值3.4 m/s，因此位于湖心区域的CD2测站有效波高总体较大，最大值为0.23 m，监测时段内平均值为0.18 m。同期CD3测站由于位于生态潜堤西侧，受浅堤掩护作用影响，风浪强度总体较小， 有效波高最大0.08 m， 监测时段内平均值为0.05 m，显著小于湖心CD2测站的风浪强度。

图2 监测期间不同测站有效波高变化情况

3.2 波周期变化特征

风浪周期指两相邻波峰(或波谷)经过同一点所需要的时间，是风浪研究关注的重要特征参数，是湖泊中工程设计的重要参数指标[14]。图3为3个测站监测时段内平均波周期变化情况，与波高变化相似，监测时段内，风速较大时刻和湖心区域的波周期相对较大，而掩护区域的CD3测站则波周期显著较小。湖心开敞区域波周期变化与波高同步变化，而潜堤内的CD3测站因掩护影响波周期变化则尤具独特性。湖心区域波周期介于1.14～1.71 s，掩护区域平均波周期介于1.12～1.29 s。

谱峰周期作为浅水湖泊重要的风浪特征参数，对于湖上建筑物的设计(如防波堤、平台)安全极其重要[14]。谱峰周期按其定义为风浪谱中最大谱密度对应的频率所得的周期，由于风浪谱是通过波面数据进行傅里叶转换等得到，其获取的直接性和便利性较差，影响了谱峰周期监测的便利性。而平均波周期及跨零周期取得比较方便，因此建立谱峰周期与平均波周期和跨零波周期的关系有利于快速掌握相应位置的谱峰周期情况。

图4为利用3个测站数据得到的谱峰周期与平均波周期和跨零周期的相关性分析，根据皮尔森相关系数可知，谱峰周期与平均波周期和跨零周期都存在明显的线性相关，其中谱峰周期=1.3561×平均波周期-0.4742，或者谱峰周期=1.3524×平均波周期-0.4499。利用平均波周期和跨零周期均可很好地获得监测点的谱峰周期，可为长荡湖建筑物及工程设计提供依据。

图3 监测期间不同测站平均周期变化情况

图4 谱峰周期与平均波周期和跨零周期的关系

3.3 风浪衰减评估

由图1地形可以看出，西部近岸的潜堤对于近岸水域可以产生较好的掩护作用，一方面针对东风、东南风作用下，形成的西、西北向风浪，潜堤可以很好地阻碍其向西部近岸水域传播，从而减小近岸水域风浪强度；另一方面，潜堤的存在减少了西部近岸水域风作用距离，从而减弱风浪的成长。在以上两重掩护作用下，西部近岸水域风浪强度会显著减小，从而减弱对底部沉积物的扰动，从而增加水体透明度，为近岸水域水生植被的修复提供较好的生境条件。从图2、图3中CD2和CD3测站的波高和周期同步变化可以明显看出近岸测站的风浪强度显著减小。统计结果表明，CD3相较CD2测站，有效波高衰减百分比介于56%～81%，平均衰减72%；而平均周期衰减百分比介于14%～31%，平均衰减26%。可以看出，潜堤对于削减有效波高效果显著，超过50%以上，而对于波周期的衰减相对较弱，在30%以内。

4 结 论

受长荡湖地形与风场分布影响，总体风速较大时，湖心水域风浪强度较大，近岸水域受潜堤和岸线影响波周期不与波高呈同步变化规律。生态潜堤可显著削减风浪强度，其中有效波高衰减最为明显，平均衰减72%，而波周期较为稳定，平均衰减26%。谱峰周期与平均波周期和跨零周期都存在明显的线性相关，其中谱峰周期=1.3561×平均波周期-0.4742，或者谱峰周期=1.3524×平均波周期-0.4499。长荡湖西部近岸水域风浪强度的减弱可以导致底部沉积物悬浮的减弱，从而使近岸水域水体透明度增加，为近岸水域水生植被的修复提供较好的生境条件。