太湖西部湖区滨岸带风浪时空分布特征及其影响

张中天，许 强，吴小靖，史传萌，裘晓蕊，柳子豪

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215006)

0 引言

风浪是由于风作用于湖面导致水体质点周期性起伏的水面波动形式，对于大型浅水湖泊来说风是湖流和风浪的最主要驱动因素[1-3]。风向、风速、持续时间和水深等都是影响浪高的因素[4-5]，对于太湖这类大型浅水湖泊，由于受水深、地形等因素的制约，其风浪高度一般在汛期和湖面开阔的地方较高[6]。

风浪对太湖的影响尤为严重，在水动力方面，风浪会对滨岸带产生冲刷作用，尤其在滨岸带缺乏植被的缓冲保护的情况下，堤防的基础和结构安全将遭受威胁[7]；另外，波浪的爬高和回落会对堤防产生负压，进一步对堤防的结构造成破坏[8]。不仅如此，风浪还会引发一系列环境效应。在风浪的作用下，湖泊的底泥会发生再悬浮和沉降等过程[9-10]，这一系列过程不仅会降低湖泊的透明度，还会影响沉积物中营养物质的内源释放特征，使得湖泊的生态环境遭受威胁[11-14]。风浪等一些因素的作用使得西部湖区滨岸带出现一定程度的退化迹象[13]。因此，本文以太湖西部湖区为重点研究对象，对不同季节的风场和浪高特征进行分析，探究了西部湖区沿岸的风浪时空分布及其对滨岸带的影响，并提出了相应的防浪建议。

1 研究区域和方法

1.1 研究区域

太湖是中国五大淡水湖之一，位于长江三角洲南缘，江苏省南部，北临江苏无锡，南濒浙江湖州，西依江苏宜兴，东近江苏苏州。湖泊面积2427.8km2，湖岸线全长393.2km，多年平均水位3m左右，湖容积48.7亿m3。太湖地处亚热带，气候温和湿润，属季风气候。

太湖环湖岸线全长410km，其中江苏境内岸线长350km，扣除山丘地区，环湖大堤长243km，分湖东大堤和湖西大堤。湖西大堤，自无锡县直湖港向西，沿湖至浙江省吴兴县东西苕溪出，长58km；湖东大堤，自无锡县梁溪向东，沿湖经胥向南，穿太浦河过江浙省界至吴兴，长185km。

根据水利部太湖流域管理局2018太湖健康公报，将太湖湖区分为竺山湖、梅梁湖、贡湖、西部沿岸区、湖心区、东部沿岸区、南部沿岸区、东太湖共8个区域，具体分区如图1所示。本次研究对象为太湖西部湖区，包括竺山湖和西部沿岸区，即图中①和④。其中西部沿岸区滨岸带长度约为34.48km，竺山湖的滨岸带长度约为37.67km。由于竺山湖的西岸和东岸受风向影响产生的风浪特征差异较大，本文将其分为竺山湖西岸(约为17.57km)和竺山湖东岸(约为20.10km)两部分进行研究。

图1 太湖水域分区与研究区域

1.2 浪高计算基本方程

根据GB 50286—98《堤防工程设计规范》，风浪要素可按下列公式计算确定：

(1)

1.3 风浪影响指数定义

为了计算滨岸带不同区域遭受风浪冲刷影响的程度，本文定义了一个无量纲数滨岸带风浪影响指数(θ)，其计算公式如下：

(2)

(3)

2 计算结果

利用太湖地区东山站的1966—2020年共55年的长序列气象资料，分析了东、西、南、北、东南、西南、东北、西北8个风向的出现频率、特征风速。

2.3 香气成分 通过顶空固相微萃取(HS-SPME)-气质联用(GC-MS)技术测香气成分，所得数据在NIST08.LIB和NIST14.LIB标准谱库中检索，查询相关文献去除不确定物质(匹配度SI<85)及杂质，得到传统工艺黄观音红茶可鉴定香气成分123种，新工艺黄观音红茶可鉴定香气成分119种。

2.1 太湖风速与风向

根据8个方向上年最大风速的频率进行分析，统计计算各风向上不同重现期太湖湖区的最大风速，统计结果见表1。还统计太湖湖区全年各方向上不同风速的出现频率，绘制全年风向、风速玫瑰图，如图2所示。

表1 不同重现期下的各风向年最大风速 单位：m/s

图2 全年风向、风速玫瑰图

从计算结果来看，相同重现期下，一般S、SW风向年最大风速偏小，N和NW的年最大风速偏大。E和SE风向上的风速也偏大，由于西部湖区大部分滨岸带是正对此风向的，这对西部湖区滨岸带的威胁较大。同一风向上，太湖湖区的年最大风速随着重现期的变长而逐渐增大，重现期为100a时最大。综合来看，重现期为100a时，太湖湖区N和NE风向的年最大风速最大，均超过23m/s。结合图2，并对全年风速分布进行分析，风速在2～4m/s之间出现频率最高，4～6m/s出现频率次之，而风速在12～16m/s之间的出现频率最低，不足1%。从风向上来看，东方向和北方向上的来风出现频率最低，低于5%，风速一般在2～4m/s之间。西北风出现频率超过15%，其中风速在2～4m/s的占比最高，约为8%，西北出现频率最高达到18.72%。

根据江苏地区气候条件，本文将全年分为4个季节，具体划分情况如下：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)。将统计数据根据季节进行分类，分类结果见表2，并分别绘制不同季节风向、风速玫瑰图，如图3所示。

表2 不同风向出现频率

图3 不同季节风向、风速玫瑰图

根据表2和图3，对不同季节风向分布进行分析。结果表明，春季和夏季东南风的出现频率最高，均高于25%。而秋季和冬季西北风出的现频率最高，也高于25%，全年综合来看，东风和东北风出现频率低于5%。从风速分布来看，西北风风速最大，秋季西北风最高风速可达12～14m/s，春、冬两季的西北风风速最高也能达到10～12m/s；东南风风速次之，最高风速在8～10m/s之间；北风出现频率均为最低且风速也是最小，北风风速最高仅为2～4m/s。

2.2 太湖浪高

本文计算的浪高采用100a一遇的最大风速，利用公式(1)进行求解计算，根据计算结果绘制不同风向条件下太湖湖区西部风浪分布图，如图4所示。

图4 不同风向的浪高(单位：m)

从图4可以得出浪高的分布和风向相关性很高，8个风向计算出的浪高基本上呈现出当风向正对滨岸带的区域，浪高数值非常的高，非正对区域的浪高数值非常低。对于整个西部湖区来说，东北、东、东南、南风产生的风浪浪高较大，大部分区域都超过了0.4m，这是由于太湖西部湖区的沿岸大部分区域是面向东方和东南方的。而其它风向产生高于0.4m的区域较少。

3 分析与讨论

3.1 太湖风浪影响的季节特征

根据太湖湖区西部风速、风向分布数据计算对应风浪，并代入公式(2)分析风浪对滨岸带的影响情况，太湖湖区西部滨岸带影响指数(θ)分布情况如图5所示。

图5 不同季节风浪影响指数

本文定义滨岸带的风浪影响指数θ>0.6表示重度影响；0.4<θ≤0.6表示中度影响；0.2<θ≤0.4表示轻度影响；θ≤0.2表示几乎无影响。根据影响指数(θ)分布情况，分析得到不同太湖湖区西部滨岸带影响程度，结果见表3。

表3 不同季节风浪影响程度 单位：%

与图5的结论类似，表3显示在春季和夏季，由于风浪导致的中度和重度影响的占比区域最高，均超过60%；在夏季的重度影响程度最高，占比近40%；对于秋冬两季来说，超过70%的区域为轻度影响和几乎无影响。

3.2 太湖风浪影响的空间特征

由于风浪高度与迎风面的夹角有关，正对风向的滨岸带受到风浪的影响最大，因此本文将研究区域分为西部沿岸滨岸带(迎风面为东和东南方向)、竺山湖西岸滨岸带(迎风面为东向)和竺山湖东岸滨岸带(迎风面为西向)3部分进行研究。

通过表4可以看出，对于西部沿岸区，其春季和夏季的中度和重度影响区域都超过24km，这是由于春夏两季的主风向为东南风，因此产生的风浪较大，受影响的区域较多；尤其在夏季，西部沿岸区全线都处于中度和重度的影响范围；秋冬两季的主风向为西北风，故在秋冬季的西部沿岸区的风浪影响都是轻度及以下。对于竺山湖西岸滨岸带，由于其主要迎风面为东向，因此不同季节的风浪影响程度分布和西部沿岸滨岸带比较相似，夏季几乎全线(17km以上的区域)处于中度和重度的影响范围；春季约8km的范围为中度影响区；而秋冬季的影响都是轻度及以下。对于竺山湖东岸滨岸带，其主要迎风面为西向，与前两个区域正好相反，因此夏季此处仅有3km左右的区域是中度影响区，其它的都是轻度及以下；风浪对竺山湖东岸滨岸带的影响在秋冬季节最为严重，重度影响的区域在两个季节超过7km，中度影响在这两个季节分别约11、7km。综上本文提出建议，在春季和夏季做好西部沿岸区和竺山湖西岸全线的防浪工作，在秋冬两季重点做好竺山湖东岸区域的防浪工作。

表4 不同区域滨岸带风浪影响长度 单位：km

4 结语

受季风影响，太湖地区在春夏两季以东南风为主，作为迎风面的西部沿岸区和竺山湖西岸影响最为严重，在夏季几乎全线都是风浪的中度和重度影响区域；在秋冬季节，主风向变为西北风，竺山湖东岸作为迎风面，风浪对其影响较大。由于太湖沿岸基底实测资料难以获取，本文未考虑风浪影响区域的基底情况。尽管如此亦可以为环湖大堤防浪工作和太湖西部湖区滨岸带修复提供理论指导意义，比如春夏两季为滨岸带植物生长的关键季节，在滨岸带修复和植被恢复工作中建议在春夏两季做好西部沿岸区和竺山湖西岸全线的防浪工作。