湖泊沉积物再悬浮研究进展

郑莎莎

摘要：湖泊沉积物在受到外力干扰时会发生再悬浮，这一现象在浅水湖泊中尤为普遍。当外力扰动产生的作用力大于沉积物起动的临界切应力时，再悬浮现象就会发生。引起沉积物再悬浮的驱动力主要有风浪扰动、生物扰动、清淤、航运捕捞。目前国内外对沉积物再悬浮的研究主要通过现场观测研究、室内模拟研究和数值模拟研究来展开的，并且已经取得了一定研究成果。

关键词：沉积物再悬浮发生机制动力来源研究历程

中图分类号：X52文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）01（a）-0000-00

Review of Lake Sediment Resuspension

ZHENG Shasha

（Jiangsu Union Technical Institute， Nanjing Branch Institute， Nanjing， Jiangsu Province， 210019）

Abstract： Lake sediments are resuspended when disturbed by external force，which is particularly occured in shallow lakes.Resuspension occurs when the external force produces more effects than the critical bottom shear stress of sediment suspension. The driving forces of sediment resuspension mainly include： wind disturbance， biological perturbation， dredging， shipping and fishing. At present， the researches of sediment resuspension at home and abroad are mainly conducted through field observation research， indoor simulation research and numerical simulation research， and certain research findings have been achieved.

Key Words： Sediment; Resuspension; Occurrence mechanism; Source of driving force; Research process

1 沉積物再悬浮的发生机制

湖泊沉积物是指湖泊中沉积的物质，包括湖心沉积物以及湖边沉积物。湖中心沉积物主要由黑色淤泥和粘土组成，而波浪冲蚀和破坏湖岸产生的碎屑物质则构成了湖边沉积物。远岸带沉积物主要由细颗粒的粘性土和砂土组成，近岸带沉积物主要由粗颗粒的砂土、砾石和卵石组成。此外，湖泊沉积物还包含水生动植物的遗骸和代谢物质等。沉积物中还含有丰富的有机质和氮、磷、硫、碳等营养盐以及金属离子，是湖泊污染物的主要蓄积库。

湖泊中的沉积物在受到外力干扰时会发生再悬浮，这一现象在浅水湖泊中尤为普遍。当沉积物起动的临界切应力小于外力扰动产生的作用力时，再悬浮现象就会发生。沉积物起动的临界切应力受到沉积物组成成分、粒径大小和生物活动的等多重因素的影响。沉积物再悬浮通量与切应力之间可用下面的关系式表示：

（1）

式（1）中，R为再悬浮过程中沉积物向上覆水释放的悬浮物通量，单位kg/（m2·s）;M为沉积物再悬浮系数，单位kg/（m2·s）;τc为沉积物起动的临界切应力，单位N/m2，τ为外力扰动作用于沉积物表面产生的切应力，单位N/m2。沉积物再悬浮系数值受其自身性质影响较大，影响要素包括：沉积物粒径、密度、含水率等。当τ小于τc时，再悬浮现象不会发生;而当τ大于τc时，沉积物起动，发生再悬浮现象。

现有的研究表明：湖泊和海洋中沉积物的起动临界切应力通常介于0.01～0.1 N/m2范围之内。KALNEJAIS L H等研究者[1]对美国马萨诸塞海湾和波斯顿港表层沉积物的再悬浮现象进行研究，发现沉积物起动切应力为0.11 N/m2。RAVENS T M等研究者[2]对美国昆西港的表层沉积物进行了研究，发现其临界切应力为（0.10 ± 0.04）N/m2。秦伯强等研究者[3]通过室内实验与现场观测，确定太湖沉积物再悬浮的临界切应力为0.03～0.04 N/m2。陈聚法等研究者[4]以水体颗粒物浓度以及风速变化为基础，对山东半岛桑沟湾沉积物再悬浮的临界切应力进行了计算，认为其值大概在0.03～0.05 N/m2之间。

2 沉积物再悬浮的动力来源

自然因素和人为因素均会导致沉积物再悬浮，自然因素主要包含风浪和水流的扰动以及底栖生物活动等，人为因素主要包含清淤、采沙、船舶运输、拖网捕捞等。

2.1 风浪扰动

风浪是引起水体流动的重要的驱动力，这一作用在浅水湖泊中表现的尤为明显。风浪扰动不仅会影响水位、水流速度和水流方向，对沉积物的输移以及水环境中其他污染物的迁移也有着重要的影响。此前的多项研究也表明：风浪扰动在沉积物起动中扮演着重要的角色，它通过水体向沉积物传递能量，一旦沉积物表面受到的切应力超过沉积物起动的临界切应力，沉积物就会发生再悬浮。根据秦伯强等研究者[3]的研究，在风扰动条件下，太湖沉积物起动的临界切应力范围为0.03～0.04 N/m2。唐孝桥等研究者[5]的研究发现，浅水湖泊沉积物再悬浮的临界风速大约为4 m/s。

2.2 生物扰动

生物扰动是指由于底栖生物的活动而造成的沉积物颗粒在水平方向和垂直方向上的小尺度的混合，底栖生物的活动主要包括爬行、掘穴、摄食和排泄等。生物扰动会有效影响沉积物的物理化学性质，例如：沉积物粒径、孔隙度、渗透性、氧化还原环境、营养盐含量等，沉积物性质改变会导致沉积物变得疏松，从而更容易再悬浮。除此之外，底栖生物的活动还影响着污染物在沉积物中的迁移与转化。生物扰动能明显增强沉积物再悬浮的可能性，生物扰动能增强颗粒物和水流的对流运动。底栖生物的扰动能导致沉积物-水界面发生相当程度的改变，同时也会影响沉积颗粒物以及污染物的迁移。

2.3 清淤

由清淤引起的沉积物再悬浮是指因挖掘工具的搅动使得颗粒物再悬浮进入上覆水体并且形成浊度云团，在清淤后能够在上覆水持续停留一段时间而不沉降。在清淤过程中，沉积物不可避免地会被清淤工具干扰到，从而使得沉积物发生不同程度的再悬浮，沉积物再悬浮量与清淤工具和清淤方式密切相关。对于河湖来说，传统的清淤方式主要包括水力清淤和机械清淤。水力清淤主要是使用高压水枪对淤泥冲击，同时配合泥浆泵输送淤泥;而机械清淤主要是利用挖泥船配合不同的工具进行施工。清淤通常被看做是引起沉积物再悬浮和污染物释放的一次性工程。由清淤引起的细颗粒物以及污染物沉降速度很慢，能長期停留在水体中，且会随着水流运动迁移到未实施清淤工程的水域，造成水质污染。

2.4 航运和拖网捕捞

船舶行驶造成的沉积物再悬浮在水域中非常常见，尤其是在港口等水深较浅而船舶螺旋桨运行又较频繁的地方。航运引起的沉积物再悬浮主要是由船舶螺旋桨旋转产生的扰动造成。航运造成的沉积物再悬浮程度与螺旋桨直径、射流速度以及距沉积物表面的深度密切相关。通常情况下，螺旋桨直径和出口流速越大，入水深度越深，对沉积物产生的扰动也就越大，且再悬浮区域也就越大[6]。拖网捕捞能够获得鱼类、贝类等水产品，且捕获效率高，在全世界范围内应用广泛。为了捕捞底栖动物等，拖网往往要穿透表层沉积物至不同深度，收网时沉积物不可避免被搅动。已有研究表明，在拖网捕捞过程，和沉积物表面接触的渔网及其传动装置会直接扰动沉积物。由拖网捕捞引起的沉积物再悬浮现象与人类活动密切相关，因此，改进捕捞方法来减少人为因素对水环境的影响显得尤为重要。

3 沉积物再悬浮研究的发展历程

沉积物再悬浮是一个比较普遍的物理现象，它是影响水体水质的重要因子，对于浅水湖泊而言，沉积物再悬浮活动发生频繁，水质受到其影响更大。关于这方面的研究，国外要早于国内。纵观目前国内外研究成果，沉积物的再悬浮研究主要分为现场观测研究、室内模拟研究和数值模拟研究。

3.1 现场观测研究

关于沉积物的再悬浮研究最早起源于海岸工程中。在国外，早在20世纪70年代，SHENG Y  P等研究者[7]就对浅水湖泊中沉积物的再悬浮现象进行了观测，发现浅水湖泊由波浪作用引起的沉积物再悬浮比例很高，其比例高于70%。近年来，仍然有许多学者对沉积物再悬浮进行现场观测研究。SALIM S等研究者[8]对沉积物再悬浮现象展开了研究，其结果表明水体中悬浮颗粒物粒径大小与水土界面上的剪切力大小有关。VALENTE A等研究者[9]的野外现场观测研究成果表明，有界限的长波群对底部沉积物的输移有着不可或缺的作用，波浪扰动是沉积物再悬浮最重要的驱动力之一，它对沉积物的影响更多的是使之悬浮而不是沉降。

在国内，胡春华等研究者[10]利用同步分层采样设备，对太湖水体的垂向悬浮物浓度分布的进行了现场观测，得出了在无风浪条件和有风浪条件下利用悬浮物浓度来计算沉积物悬浮总量的公式。张运林等研究者[11]在对太湖的研究过程中，选取了处于不同湖区的10个观测点，得出了不同湖区以及不同季节下水体的悬浮物浓度值，并且发现太湖沉积物悬浮的临界风速约为5～6.5 m/s。逄勇等研究者[12]对太湖梅梁湾水体悬浮物进行了调查，利用Gansith公式推算出沉积物再悬浮通量，同时，建立了再悬浮通量与风速的相关关系。凡仁福研究者[13]对浅海沉积物在波浪和潮流作用下沉积物再悬浮运输机理和运输量做了系统研究，为后续沉积物再悬浮量估算提供了参考依据。

3.2 室内模拟研究

和野外观测相比，室内模拟实验由于成本较小，且实验条件易于控制而被广大科研工作者采用。室内模拟一般包括静态模拟和动态模拟，静态模拟没有考虑水动力变化对沉积物的影响，而动态模拟则考虑了水动力变化对沉积物再悬浮的影响。在实际情况中，沉积物或多或少会受到水流扰动，在浅水湖泊中，湖水受风力影响较大，因此，在进行室内模拟时，动态模拟更能准确地模拟实际情况。目前，常用的动态模拟方法有震荡法、搅拌法、波浪水槽法、环形水槽法等。

在国外，早在20世纪60年代，就有学者通过水槽实验来模拟沉积物的再悬浮过程。之后，不断有研究人员在这一领域继续工作。LANSARD B等研究者[14]利用水槽实验对地中海西北岸的Rhone河口的沉积物进行再悬浮扰动实验，发现实验沉积物的临界起动切应力为0.068～0.087 N/m2。COUCEIROF等研究者[15]对英国Mersey海湾的表层沉积物进行了持续8h的水槽扰动实验，重点探讨了沉积物的再悬浮过程以及沉积物中重金属Ni的迁移过程。KALNEJAIS L H等研究者[16]利用了Erosion chamber装置对美国波士顿港的沉积物进行了不同强度的扰动实验，重点研究了沉积物再悬浮过程中营养盐和重金属的释放过程。

在国内，王鹏等研究者[17]利用再悬浮振荡器在不同扰动强度和不同扰动时间条件下，对太湖原状沉积物的再悬浮现象进行了模拟，并根据实验结果指出了扰动强度和扰动时间对沉积物再悬浮的影响。李一平等研究者[18]利用环形水槽模拟了太湖沉积物的再悬浮过程并且以及了沉积物的起动规律，结果表明，3种不同的起动标准下，太湖沉积物对应的起动流速分别为35cm/s、45cm/s、60 cm/s，同时也得到了太湖沉积物在这3种起动标准下的起动切应力。胡松研究者[19]利用PES再悬浮模拟装置对鄱阳湖沉积物开展了低速、中速和高速的再悬浮实验研究，根据实验结果总结了鄱阳湖沉积物在不同扰动强度下的再悬浮量。

3.3 数值模拟研究

数学模型法是通过数学公式将符号、函数以及它们之间的相互关系确定下来的一种方法。它可以将实际问题以数学公式的形式给出，并且运用相应的数学方法和计算机技术来解决实际问题。利用數学模型来研究沉积物再悬浮问题比实验研究稍晚，经过几十年的发展，目前，国内外关于沉积物再悬浮的模型研究已有不少成果，将实验研究和数学模型研究相结合，能够更全面地反映实际情况。

在国外，早在20世纪70年代就开始使用模型来描述水流和沉积物运动之间的相互关系。BAILEY MC等研究者[20]在研究澳大利亚的浅水湖泊Thomsons湖时建立了一个沉积物再悬浮模型，并且用该模型来预测不同湖区悬浮物在水深方向上的平均值。LIU XH等研究者[21]使用EFDC三维模型模拟了Apalachicola湾的沉积物的再悬浮和输运过程，取得了良好的效果。LIN S等研究者[22]构建了三维水动力和水质模型对美国Erie湖的沉积物再悬浮量和再悬浮率进行了系统模拟研究。

在国内，秦伯强等研究者[3]建立太湖三维水动力模型，重点研究了梅梁湾的水动力特性，此外，还利用模型模拟了水体中的悬浮物状况以及水体透明度等。逄勇等研究者[12]利用FVCOM模型对太湖悬浮物浓度分布进行了模拟，与实际观测值对比结果显示该模型计算结果较为合理。李瑞杰等研究者[23]将环境水动力学模型用于太平水道悬浮物输移问题的研究，将实测值与计算值对比后发现，模拟效果较好，可将该模型应用于实际工程中。柳肖竹等研究者[24]模拟水体流动过程，分析了沉积物一次悬浮和二次悬浮过程，并探讨了沉积物悬浮后对相关污染物释放的影响。

4 结语

沉积物再悬浮是一个比较普遍的物理现象，它是影响水体水质的重要因子，对于浅水湖泊而言，沉积物再悬浮活动发生频繁，水质受到其影响更大。湖泊沉积物在受到外力干扰时会发生再悬浮，外力干扰有自然因素和人为因素，自然因素主要包含风浪、水流的扰动和底栖生物活动等，人为因素主要包含清淤、船运、拖网捕捞等。目前国内外对沉积物再悬浮研究主要是通过现场观测研究、室内模拟研究和数值模拟研究来展开的。该文较为系统地探讨了湖泊沉积物再悬浮的发生机制及动力来源，同时总结了国内外关于沉积物再悬浮研究的发展历程，以期为后续研究提供一定参考。

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