风浪扰动下南四湖悬浮颗粒物分布与侵蚀深度模拟

李 宝，申秋实，孙春意，赫国胜，刘 阳

(1.山东省水土保持与环境保育重点实验室，临沂大学资源环境学院，276005，山东临沂；2.湖泊与环境国家重点实验室，中国科学院南京地理与湖泊研究所，210008，南京)

底泥-水界面是江河湖库中最重要的环境界面之一，风浪、湖流等水动力作用下底泥会发生再悬浮和沉降等过程，进而引起一系列环境效应[1-2]。南四湖地处山东省西南部，平均水深1.46 m，是南水北调东线工程重要的输水通道和京杭大运河重要的航运路段，其底泥-水界面受到风浪和船只的扰动频繁，在此开展风浪等动力扰动下底泥再悬浮和沉降过程模拟研究，对区域水土保持与环境保育具有重要意义。目前关于风浪条件下湖库底泥再悬浮的研究方法主要有现场观测[3]和室内模拟2种，现场观测可获取实时数据，但受限于风情等不可控因素，难以推广；室内模拟主要有振荡法[2]、波浪水槽法[4]、环行槽法[5]和Y型再悬浮发生装置法[6]等，振荡、波浪水槽和环行槽法均采用机械方法产生上覆水的定向流动使底泥发生悬浮，条件易于控制，但存在底泥的原状性受到一定程度的破坏和较浅的上覆水与湖泊实际情况差异较大等问题，Y型再悬浮发生装置法用电动可调传动装置斜向和垂向对底泥界面和水柱产生动力扰动作用，模拟水深1.6 m，能较好的克服底泥原状破坏和模拟水深较浅问题，是目前较为适用的浅水水体底泥再悬浮模拟方法[6]。笔者利用Y型底泥再悬浮装置，选取南四湖中污染最为严重的南阳湖区为代表，对其在常见风情条件下底泥的再悬浮和沉降过程进行模拟，分析不同风浪条件下夏冬季节底泥悬浮颗粒物在水体中的分布特征，并估算风浪对表层底泥的物理侵蚀深度，为南四湖流域的水土保持和水环境保护提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 风速数据获取与特征分析

在南阳湖区东湖站(E 116°35′04″，N 35°19′38″)设立全自动风速测定仪(MODAS)(图1)。选用2012年10月1日至2013年9月31日每10 min 1次的风速自动记录结果进行统计，仪器记录到的全年最大风速为9.1 m/s，平均风速为2.1 m/s，0～1.0 m/s低风速占比较大，约占全年风速出现频率的38.9%，6 m/s以上大风速相对较少，仅占全年的2.4%。

图1 南阳湖东湖站和采样点位置Fig.1 Locations of Donghu station and sampling points in Nanyang lake

将累积频率95%以上的风速作为大风速过程，累积频率<95%的风速平均3等分，对落入每等份频率的风速进行累积加权统计，分别记为背景风速、小风速和中风速(表1)。

表1 南阳湖全年(2012年10月—2013年9月)各频率段风速累计加权均值统计Tab.1 Cumulative weighted mean statistics of wind speeds in differen frequency bands (from October 2012 to September 2013) of Nanyang lake

南阳湖区背景风和小风居多，历时很长，难以进行准确统计，风速在3.0～3.5 m/s的中风过程全年平均历时约150 min，风速在6.0～6.5 m/s的大风过程平均历时约120 min。不同风速的起落时长也有差别，其过程并非简单的单调增加或减小，背景风和小风的起风落风过程可在10 min内完成，中风和大风过程相对复杂，起风落风一般在3 h左右完成，大中风的起风落风过程大致呈对称分布。

1.2 模拟实验条件的确定

Y型旋浆式底泥再悬浮发生装置由Y型聚乙烯管、侧位搅拌电机、上部扰动电机和调频电机等主件组成[7]。原状底泥缓慢移入Y型管并注入现场采集的上覆水，柱状底泥和上覆水柱长度分别为20和160 cm(图2)。

图2 原位柱状底泥采集及Y型再悬浮装置扰动实验Fig.2 Intact columnar sediment collecting and Y-shape apparatus disturbance experiment

根据尤本胜[8]对模拟水柱再悬浮颗粒物垂向分布的研究结果，确定小风、中风和大风模拟时的电机扰动频率。依照南阳湖区不同风速所呈现的历时规律，确定各典型风速时长均为3 h，完整的模拟过程包括起风、再悬浮、落风和沉降4个阶段，时长分别为1、3、1和19 h，共24 h。

1.3 样品采集与实验

2014年8月(夏季)和2015年2月(冬季)分别在南阳湖区湖心(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″)采集原位柱状样(泥深≥20 cm)(图1和图2)，每个样点采集柱状底泥12根(3根对照、9根分别用于小风、中风和大风扰动模拟)，上部用原点位湖水注满后2端橡胶塞塞紧，垂直放置；另外，在采样点采集原位湖水，作为实验过程中上覆水；同时现场采集柱状样，按间隔5 cm进行切样，用于含水率和粒度测定[9]。所有泥样及水样于48 h内运回实验室，低温4 ℃保存。

实验室内将柱状底泥(高20 cm)慢慢移入Y型再悬浮发生装置，每实验组设3次平行，分别于2、4、6、10和24 h在距离底泥-水界面5、15、30、55、105和135 cm处采集水样50 mL，过滤重量法[10]测定悬浮物(suspended solid，SS)质量浓度。

1.4 水柱中总悬浮物增量计算

一定时间内单位面积水柱中悬浮物增量可通过下式进行计算[10]：

FSS,t=TSS,t-TSS,0。

式中：FSS,t为风浪过程中t时刻悬浮物增量，g/m2；TSS,t为风浪过程中t时刻水柱总悬浮物量g/m2；TSS,0为风浪起始时水柱总悬浮物量，g/m2。其中：

TSS=∑cSS,i×Δhi。

式中：TSS为水柱总悬浮物量，g/m2；cSS,i为第i水层悬浮物质量浓度，mg/L；Δhi为第i水层厚度，m。笔者在距离泥-水界面1.55、1.05、0.55、0.30、0.15和0.05 m处采集水样，测定悬浮物质量浓度(cSS)，代表的水层厚度分别为0.40、0.50、0.30、0.20、0.10和0.10 m，共1.60 m。

1.5 风浪对底泥最大侵蚀深度的估算

水柱中的悬浮物来自同一底面上的表层底泥，因此风浪对底泥的侵蚀深度可通过对水柱中颗粒物总量的堆积密度计算获得[10]：

L=M×10-3/(ρ(1-γ))。

式中：L为侵蚀深度，mm；M为最大悬浮量，g/m2；γ为表层底泥含水率，%；ρ为湿密度，g/cm3。

2 结果与分析

2.1 冬季南阳湖底泥再悬浮和沉降过程水柱中悬浮物质量浓度动态变化

如图3所示，冬季南阳湖湖心和河口水体悬浮物质量浓度均有随风浪扰动强度增加而增加的趋势，其增量对风浪强度有明显依赖关系。湖心区，小风、中风和大风扰动4 h后，水柱中悬浮物平均质量浓度分别由初始的30.6、44.2和44.0 mg/L增大到147.6、640.8和898.7 mg/L，大风扰动下悬浮物平均质量浓度是中风扰动下的1.4倍，是小风扰动下的6.1倍；河口区，小风、中风和大风扰动4 h后，水柱中悬浮物平均质量浓度分别由初始20.3、17.2和19.5 mg/L增大到86.1、175.8和695.7 mg/L，大风扰动下悬浮物平均质量浓度是中风扰动下的3.9倍，是小风扰动下的8.1倍，这种倍数的显著差异与河口区和湖心区表层底泥粒度的差异相一致，河口区底泥粒度中值粒径为18.13～263.37 μm，维持在中粉砂至细砂水平，湖心区中值粒径为6.47～28.89 μm，维持在极细粉砂至中粉砂水平。风浪扰动停止后，水柱中悬浮物质量浓度快速下降，沉降20 h后，湖心区和河口区，小风、中风和大风下水柱中悬浮物平均质量浓度分别下降至40.1、65.2、61.7和29.5、62.2、89.1 mg/L，沉降20 h，3种风速对底泥再悬浮的影响已基本结束。

图3 风浪扰动下冬季南阳湖底泥再悬浮和沉降过程水柱中悬浮物质量浓度动态变化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 夏季南阳湖底泥再悬浮和沉降过程水柱中悬浮物质量浓度动态变化

如图4所示，湖心区，小风、中风和大风扰动4 h后，水柱中悬浮物平均质量浓度分别由初始12、19.5和19.8 mg/L增大到164.7、373.3和2 209.3 mg/L；河口区，小风、中风和大风扰动4 h后，水柱中悬浮物平均质量浓度分别由初始16.1、16.5和29.4 mg/L增大到127.1、294.3和1 170.8 mg/L。风浪扰动停止后，水柱中悬浮物质量浓度快速下降，沉降20 h后，湖心区和河口区，小风、中风和大风下水柱中悬浮物平均质量浓度分别下降至22.5、37.2、78.5和18.5、34.2、66.1 mg/L。

图4 风浪扰动下夏季南阳湖底泥再悬浮和沉降过程水柱中悬浮物质量浓度动态变化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 夏季和冬季不同风浪强度下南阳湖底泥再悬浮量的变化

如图5所示，小风浪和中风浪扰动作用下，底泥再悬浮过程稳定时间相对较短，第2 h的悬浮物增量与第4 h的悬浮物增量差别较小，小风和中风作用2 h后，随时间的延长未导致更多的底泥发生悬浮。大风较中小风能导致更多的底泥悬浮，稳定时间也相对较长，第2 h和第4 h悬浮物增量差别在200 g/m2以上，因此，随风浪强度的增加，TSS平衡所用时间相对延长。在风速停止后的自然沉降过程(4～24 h)中，水柱中悬浮物量随之降低，小风时降低不明显，小的水动力作用仅使较小颗粒发生悬浮，较小悬浮物的沉降相对于风速变化存在明显滞后效应，该现象在野外观测中亦有发现[3]。在沉降阶段的最初6 h，3种风速下的悬浮物量均出现较大幅度下降，下降速率>85%，风浪过后的最初6 h是水体透明度恢复极为重要的阶段，沉降20 h后，水柱中悬浮物浓度与风浪前的初始浓度趋于一致。

图5 南阳湖底泥再悬浮量对风浪过程的响应Fig.5 Response of sediment resuspension increment to wind and wave process in Nanyang lake

湖心区，夏季和冬季大风下悬浮物最大增量为3 203和1 290 g/m2，分别是中风的5.7和1.37倍，是小风的11.9和6倍。河口区，夏季和冬季大风下悬浮物最大增量分别为1 695和998 g/m2，分别是中风的4.0和6.9倍，是小风的9.8和10.1倍。风浪扰动下湖心区和河口区悬浮物增量存在较大差异，小风、中风和大风下，夏季和冬季湖心区最大悬浮物增量分别比河口区高35.8%、25.0%、47.1%和54.2%、74.1%、22.7%，这种差异与河口表层底泥(0～20 cm)颗粒尺寸相对较大有关。底泥粒度分布蕴含着水动力强弱信息，河口区与湖心区粒度分布的不同反映出2个区域水动力作用存在强烈差异，进而对底泥再悬浮和沉降过程产生影响。

南阳湖底泥再悬浮规律在冬季和夏季差异显著，小风、中风和大风下均表现为冬季再悬浮量较小，夏季再悬浮量较大的特征。湖心区和河口区在冬季大风下最大悬浮物增量分别为1 290和998 g/m2，而夏季大风下最大悬浮物增量则高达 3 203 和1 290 g/m2，大风下夏季比冬季的最大悬浮物增量高62.2%和22.6%。水生植物作为湖泊生态系统的重要调节者，在固定底泥、防止底泥再悬浮、净化水质、改善水体氧化还原状况等方面具有重要的作用[11]。南阳湖在冬季整个湖面长有大量菹草，模拟研究出现的再悬浮量季节性差异与菹草的固着能力有着极其密切的关系。You等[12]在太湖的研究也发现，无水生植被的梅梁湾底泥相对于有水生植被覆盖的漫山湖更易发生再悬浮。风浪作用下，南阳湖冬季菹草的消浪作用和根系对提高底泥的稳定性和抗剪强度发挥重要优势，很大程度上减弱底泥的再悬浮能力。

2.4 风浪作用下南阳湖底泥侵蚀深度估算

不同风浪扰动下南阳湖底泥侵蚀深度如表2所示，不同风浪扰动下表层底泥侵蚀深度在0.09～13.73 mm之间，除夏季大风浪扰动下湖心区底泥侵蚀深度为厘米量级外，其他均属于毫米量级，与胡春华等[3]在太湖长兜港和太湖湖泊生态系统研究站等地的原位观测计算结果(0.41～3.83 mm)较为接近。定量研究可以确定：在南阳湖区，除风涌水和反射波等作用因素外，常规风情条件下，很难出现分米级甚至厘米级表层底泥的侵蚀。

表2 不同风浪扰动条件下南阳湖底泥侵蚀深度估算Tab.2 Estimation of erosion depth under different winds and waves disturbance in Nanyang lake

3 结论

1)随风浪扰动强度的增大，南阳湖区底泥再悬浮量也随之增大，但在小风浪和中风浪时，底泥再悬浮过程稳定时间较短，2 h内悬浮物质量浓度趋于稳定，大风浪条件下，再悬浮稳定时间相对延长，4 h再悬浮模拟过程中，悬浮物质量浓度一直处于增加状态；沉降阶段，最初6 h内，不同风速下悬浮物量下降85%以上，风浪过后的最初6 h是水体透明度恢复极为重要的阶段，沉降20 h后，水柱中悬浮物质量浓度与风浪前的初始浓度趋于一致。

2)冬季和夏季南阳湖区底泥再悬浮规律空间差异显著，小风、中风和大风扰动条件下，夏季和冬季湖心区最大悬浮物增量分别比河口区高35.8%、25.0%、47.1%和54.2%、74.1%、22.7%，这与河口区表层底泥颗粒尺寸较大有关；南阳湖区底泥再悬浮规律在冬季和夏季亦差异显著，大风作用下湖心区和河口区夏季比冬季的最大悬浮物增量分别高62.2%和22.6%，这与南阳湖区在冬季整个湖面被大量菹草覆盖有关，菹草在很大程度上减弱底泥的再悬浮能力。

3)南阳湖区在不同风浪扰动条件下表层底泥侵蚀深度在0.09～13.73 mm之间，除夏季大风浪扰动下湖心区底泥侵蚀深度为厘米量级外，其他均属于毫米量级，常规风情条件下，南阳湖区很难出现分米级甚至厘米级表层底泥的侵蚀。