風浪對淺水湖泊水質的影響機制

徐瑞忠,陸雪林 ,盛根明 ,胡　靜

(1.江蘇省蘇州市吳江區水利局,江蘇 蘇州　215200; 2.上海勘測設計研究院有限公司,上海　200434)

風浪對淺水湖泊水質的影響機制

徐瑞忠1,陸雪林1,盛根明2,胡靜2

(1.江蘇省蘇州市吳江區水利局,江蘇 蘇州215200; 2.上海勘測設計研究院有限公司,上海200434)

摘要：以太湖重要的淺水湖灣——東太湖為例,應用經典風浪經驗公式,將風速轉化為浪高，以直接體現風浪強度,在分析其與污染底泥卷起、水質指標相關關系的基礎上,對風浪影響湖區水質的機制進行進一步探究。結果表明:隨著風速、浪高的增加,水體渾濁度增加,偏北風作用下湖區渾濁度更高;DO的質量濃度呈降低趨勢,全年濃度呈現冬季偏高而夏季偏低的規律;COD的質量濃度呈增加趨勢,全年濃度呈現冬季偏高而夏季偏低的規律;TN的質量濃度與風速相關關系不明顯,全年濃度呈現夏季偏高而冬季偏低的規律;渾濁度與COD存在較好的相關性。確定風浪對湖區水質的影響機制,旨在為針對性地制定湖泊水質改善措施提供技術支撐。

關鍵詞：浪高;渾濁度;底泥卷起;水質指標;東太湖

風浪是由風作用于湖面所產生的一種水質點周期性起伏運動,風浪所引起水體的垂直紊動對水體理化性質的分布、污染物遷移擴散、底泥掀起、浮游生物的遷移等過程均造成一定影響[1]。風浪對底質的作用研究常見于沙質海岸及河口地區,研究內容通常為風浪對地形的塑造及懸浮物質的遷移等[2-3]。在淺水湖泊中,通常認為水流作用較大,而風浪的影響相對較少,研究主要集中在風浪對湖水透明度、水下光照分布、營養鹽的內源釋放和初級生產力的影響等[4]。21世紀初已經有部分學者通過在太湖的野外調查數據初步建立起風速與底泥懸浮的直接關系,張運林等[5]通過測量3種風速下水中懸浮物濃度的增加量,判斷底泥懸浮臨界風速大約在5～6.5 m/s之間,而秦伯強等[6]在類似的觀測后得出的結果則為4.0 m/s。在這些研究的基礎上,陸續產生了更多關于風速與底泥懸浮、內源釋放量的相互關系的研究[7-8],這類研究均試圖在實測風速與底泥或內源釋放量之間找到直接的相關關系,而并沒有體現風生成風浪、再作用于底部泥沙的這一過程。荷蘭Delft大學Vijverberg等[9]曾在Markermeer湖上現場收集了一系列浪高、湖底床面切應力以及距離湖底0.5 m處的水體渾濁度資料,發現浪高與底泥床面切應力變化趨勢吻合度很高;隨后在Kelderman等[10]的水槽實驗中,他們進一步得出了懸浮物濃度(SS)與底切應力的經驗公式,反映了淺水湖中風浪對懸浮物濃度的影響機制。

太湖平均水深1.89 m,是典型的平原淺水湖泊,東太湖是太湖的重要淺水碟形湖灣,也是區域重要的飲水水源地。遇大風天氣,特別是在臺風期間,湖底污泥被風浪掀起,湖區渾濁度增大,加速底泥中污染物質釋放,嚴重影響水源地水質。本文以東太湖為例,應用經典風浪經驗公式,將風速轉化為浪高以直接體現風浪強度,分析其與污染底泥卷起、水質指標相關關系，進一步探究風浪影響湖區水質的機制。

1東太湖概況

圖1　東太湖湖區及周邊水系

東太湖位于蘇州市以南,是太湖東南部的一個狹長形湖灣(圖1),南起東茭嘴至陸家港一線,北端一直延伸到瓜涇口,全長約32 km,最大寬度9 km,湖區面積172.1 km2。東太湖多年平均水位3.0 m,湖底高程一般不超過2.0 m。東太湖是太湖的主要出水通道,也是流域重要的水源地。

2風浪與污染底泥卷起的關系分析

2.1風速、風向對東太湖渾濁度影響規律分析

根據東太湖2011年逐日風向、風速及源水渾濁度資料,對取水口月平均渾濁度、最大日渾濁度以及對應日風向、風速進行分析,結果見圖2。

圖2　2011年各月渾濁度均值與風速關系

由實測資料可以得到,當風速為3～4級時,渾濁度年均值為40 NTU;當風速為4～6級時,渾濁度年均值為43 NTU;當風速大于6級時,渾濁度年均值為46 NTU。由此可見,東太湖渾濁度隨風速的增加而增加。部分月份沒有6級以上大風出現，如1、2月,因此圖2中部分月份“6級風以上”無數據。

圖3　東太湖夏季和冬季典型月逐日浪高與渾濁度對比

東太湖湖面呈狹長的形狀,不同風向對應的影響風區長度也有較大差距。在偏北風作用下,最大風區長度達41 km,風浪較大,易卷起底泥;東南風作用下風區長度較小,風浪較弱,不易卷起底泥。相同風速、不同風向條件下,掀起不同波高的風浪,對底泥的作用強度不同。東太湖冬季主導風向為偏北風,夏季多為東南風,圖3中可見,東太湖冬季渾濁度遠遠高于夏季,所以,東太湖在偏北風作用下渾濁度較高。

2.2浪高與渾濁度關系分析

淺水湖泊風浪掀起底泥中沉積物的再懸浮主要是由于波浪的作用,根據莆田試驗站經驗公式[11],可計算出每日平均風速和主要風向條件下的浪高。

(1)

(2)

計算結果表明,東太湖區域大部分時間的浪高大約在11～12 cm之間,此時風速約為5.5 m/s,大風天氣下(風速達到7.0～10.0 m/s)浪高可達15～20 cm。根據2001年9月太湖梅梁湖灣中部的固定點的實測風速與有效浪高資料,當實際風速在3.0～6.0 m/s時,有效浪高在9～15 cm左右,風速在6.0～8.0 m/s時,有效浪高約為15～18 cm,因此認為莆田經驗公式可以應用于東太湖地區。

影響浪高的最主要因子是風速和風區長度,風速越大浪高越大;相同平均風速下,浪高將隨著風區長度的增大而增大。分別選取夏季典型月(6月)和冬季典型月(10月)的計算浪高和渾濁度記錄數據(圖3)進行比較,可見浪高與渾濁度存在較好的正相關關系。

2.3浪高變化對渾濁度影響分析

為了考察浪高顯著增加或減小對渾濁度的影響,將浪高隔日增加或減小超過2cm的數據進行統計,結果見圖4。浪高顯著增加后,渾濁度隨之增加;當浪高增加超過2 cm時,濁度隨之增加的概率超過70%;當浪高減小超過2 cm時,渾濁度隨之減小的概率僅為48%。這是因為風浪掀起底泥使之再懸浮的過程是較快速的,而底泥沉降過程較緩慢,即使風浪突然減小,懸浮顆粒也不會立即沉降。

3風浪與東太湖水質的關系分析

3.1風向、風速與東太湖水質的關系

東太湖地區夏季(6—8月)主導風向為東南風,冬季(12至次年2月)主導風向為西北風。采用2011年逐日的風速風向資料以及東太湖湖區取水口的實時監測數據進行分析,可以初步發現東太湖DO、COD、TN質量濃度與風速的變化關系(圖5)。

圖5　2011年各月水質指標均值與風速關系

由圖5可以看出,東太湖部分水質指標濃度與風速具有相關關系,隨著風速的增加,DO的質量濃度呈現降低的趨勢,全年濃度呈現冬季偏高而夏季偏低的規律;COD的質量濃度隨著風速的增加有一定程度增加,全年呈現出冬季偏高而夏季偏低的規律;TN的質量濃度與風速相關關系不明顯,全年呈現夏季偏高而冬季偏低的規律。

3.2浪高與東太湖水質關系

東太湖地區春季風速較大,而4月以后水質指標濃度較冬季大大降低,因此為了觀察風浪、懸浮物與水質的關系,選取風速大、渾濁度高的2011年3月作為典型月份,對浪高與湖區NH3-N、COD、TP的質量濃度的變化進行對比,分析浪高對水質指標的影響,結果見圖6。可見,風浪的大小與NH3-N、COD、TP質量濃度具有一定的對應關系,受擾動底泥向水體釋放污染物需要一定時間,風浪變大后,水質濃度的升高有時表現在當日,有時則會表現在隔日。

圖6　2011年3月逐日浪高與水質指標變化關系

3.3水質指標濃度與渾濁度的相關性

分析東太湖湖區NH3-N、COD、TP的質量濃度與湖區渾濁度的相關關系,結果表明COD的質量濃度與渾濁度的相關性較好,其他水質指標與渾濁度相關性一般,COD的質量濃度與渾濁度相關性圖見圖7。說明底泥的再懸浮會引起COD的質量濃度的增加,存在風浪卷起底泥進而影響水質的污染模式。

圖7　渾濁度與COD相關關系

4結論

以太湖重要的淺水湖灣——東太湖為例,應用經典風浪經驗公式,將風速轉化為浪高以直接體現風浪強度,在分析風浪強度與污染底泥卷起、水質指標相關關系的基礎上,對風浪影響湖區水質的機制進行探究,得到如下結論:

a. 隨著風速、浪高的增加,水體渾濁度增加,偏北風作用下湖區渾濁度更高。

b. 隨著風速、浪高的增加,DO質量濃度呈現降低趨勢,全年呈現冬季(西北風主導風向)偏高而夏季(東南風主導風向)偏低的規律;COD質量濃度隨著風速的增加而增加,全年呈現冬季偏高而夏季偏低的規律;TN質量濃度與風速相關關系不明顯,全年呈現夏季偏高而冬季偏低的規律。

c. 東太湖風浪卷起底泥,造成湖區的渾濁度升高,渾濁度與COD質量濃度存在較好的相關性,東太湖存在風浪卷起底泥進而影響水源地取水口水質的污染模式。

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Influencing mechanism of wind waves on water quality in shallow lake

XU Ruizhong1, LU Xuelin1, SHENG Genming2, HU Jing2

(1.WujiangWaterConservancyBureauofSuzhouCity,Suzhou215200,China;2.ShanghaiInvestigation,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200434,China)

Abstract：Taking East Taihu Lake, an important shallow water bay of Taihu Lake, as an example, the influencing mechanism of wind waves on water quality in the shallow lake was discussed. The wind speed was translated into wave height using the classic wind-wave empirical formula to directly reflect the strength of wind wave, and the correlation relationships between the wind wave, polluted sediment rolling up, and water quality indices were analyzed. Results show that the water turbidity increases with the wind speed and wave height and is higher under the north wind. The concentration of DO decreases with the wind speed and wave height and is higher in winter and lower in summer. The concentration of COD increases with the wind speed and wave height and is higher in winter and lower in summer. The concentration of TN has no obvious correlation with the wind speed and is higher in summer and lower in winter. The water turbidity has good correlation with the concentration of COD. Study on the influencing mechanism of wind waves on water quality in the shallow lake can provide technical support for establishing lake water quality improvement measures.

Key words：wave height; water turbidity; polluted sediment rolling up; water quality index; East Taihu Lake

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.022

作者簡介:徐瑞忠(1970—),男,高級工程師,主要從事水生態研究。E-mail:597712157@qq.com

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0117-04

(收稿日期：2015-03-12編輯：王芳)