風力影響下湖泊湍流特征及其對湖泊污染沉積物影響研究

李 燕，顧圣海

(南通和信工程勘測設計院有限公司，江蘇 南通 226000)

1 概 述

湖泊的污染程度是生態環境評價的重要指標，而湖泊的水質好壞與水體中懸浮物濃度密切相關。張運林等[1]研究了太湖水體中懸浮物的分布規律與組成成分，并提出懸浮物的濃度是影響水體透明度的關鍵因素；吳曉東等[2]分析了滆湖中懸浮物的分布情況和其受季節影響的變化規律，其研究顯示藻類和湖底泥沙擾動是影響懸浮物濃度的主要原因；高煒程等[3]分析了水體中懸浮物含量的隨時空分布改變的差異，建立了懸浮物含量和葉綠素a和總磷濃度的相關關系；高小孟等[4]研究了懸浮物沉降速度與其濃度的關系，總結了懸浮物的動態沉降特征；陳金紅等[5]分析了包括葉綠素a、懸浮物濃度和有機物濃度等因素對湖泊的富營養化進行了綜合性評價。由此可知，懸浮物濃度是評價水質的重要指標，而風力條件下的湖泊湍流特征則是影響懸浮物濃度中不可忽略的因素。邵宇陽等[6]針對不同程度下的波浪情況計算其雷諾應力，分析了湍流情況與懸浮物擴散之間的關系；鐘小燕等[7]研究了流速對湖泊底泥污染物釋放的影響；李一平等[8]分析了風速、波流綜合切應力和水土接觸界面的相關關系；曹志先等[9]建立了湍流猝發與懸浮物沉降及擴散的對應關系模型；周陽等[10]基于風速的變化，比較了不同風速下水體中各離子濃度的變化量。

本文以太湖作為研究對象，探究風速影響下湖泊湍流特征的變化，并評價其變化對湖泊污染沉積物的影響，為水體懸浮物擴散機理研究以及湖泊水質治理提供了科學的依據。

2 區域概況和試驗設計

太湖是我國面積第三大的淡水湖，水域總面積為2 338 km2，南北長68.5 km，東西寬34 km，多年平均水深1.89 m。春夏平均風速為4.3 m/s，秋冬平均風速為0.9 m/s。本次研究主要區域位于接近太湖中央的一塊區域(N31°12′54″，E120°7′27.65″)。

本次試驗在2019年7月24日15∶00至8月4日15∶00進行，采用PH-Ⅱ Handheld手持式氣象站在距水面5 m處每5 min測量一次風速，于水底泥面以上10 cm處，水面以下30 cm處分別設置一臺ADV Ocean和一臺ADV，頻率均為10 Hz，兩臺濁度儀(OBS3A)被放置在距離水底泥面以上5 cm處和水面以下50 cm處，每3 min監測一次，同時記錄了包括風向、采樣時間、水位等數據。

3 數據處理方法

3.1 水-土界面切應力

1) 由波浪引起的切應力。在水-土界面水顆粒質點沿近圓形軌道運動，然而隨著水深的減小，質點將逐漸演化成沿直線運動，故在接近底面的波浪質點的最大速度可由下式計算：

(1)

(2)

式中：uw、h、Hs、Ts、Ls分別為近底面最大波動軌道速度(m/s)、水深(m)、有效波的波高(m)、周期(s)與波長(m)，該值可通過多次迭代得到。

波切應力則可以通過下式確定：

(3)

式中：τw、ρ分別為波切應力(N/m2)、水體密度(kg/m3)；波摩擦系數fw的計算公式為：

fw=exp[5.2(Aδ/Ks)-0.19-6.01]

fw,max=0.3(若Aδ/Ks≤1.57)

(4)

式中：Ks為粗糙高度，本文中取0.000 2 m；Aδ為近底面波浪質點振幅，由下式確定：

(5)

2) 由湖流引起的切應力。該切應力可由下式確定：

(6)

(7)

3) 波流綜合切應力。綜合切應力可由下式確定：

τcw=τw+τc

(8)

(9)

式中：τcw、β、α分別為波流綜合切應力、波和流的方向。

3.2 湍流動能

湍流動能(TKE)可由ADV Ocean所測得的流速以下式計算：

(10)

3.3 懸浮物濃度

由于OBS濁度儀只能每3 min監測一次，滿足不了數據需求。因此，為了提高數據密度，建立了ADV回聲強度(EI)和懸浮物濃度(SSC)之間的關系曲線，見圖1。

圖1 SSC與EI擬合曲線

4 試驗結果分析

4.1 湖底污染沉積物與風速關系

為了研究湖底污染物懸浮沉降與風速之間的關系，以風速為自變量，懸浮物濃度為因變量，建立地層和表層風速與懸浮物濃度之間的擬合曲線。見圖2。

圖2 SSC與風速擬合曲線

從圖2中可以看出，在風速為3 m/s以下時，底層與表層濃度相差不大，兩者變化趨勢也基本一致；在風速達到4 m/s后，表層的懸浮物濃度依舊處在一個平緩的上升階段，底層的濃度則開始呈現出明顯的加速上升趨勢；在達到5～6 m/s的風速時，底層的懸浮物濃度迅速上升，并且上升的速度也在急劇增長。

從圖2中可以看出，其上升趨勢基本呈指數形式，此時表層的濃度曲線依舊保持平緩；在風速達到7 m/s時，表層的濃度開始表現出上升加快的趨勢，而底層的沉積物已經開始大范圍的懸浮，濃度上漲的速度接近峰值；在風速處于8～9 m/s時，底層懸浮物濃度曲線接近豎直線上升，表層的曲線雖然也有上揚，斜率卻遠小于底層。

從圖2中可以看出，底泥起懸的風速臨界值大約在4～5 m/s，然而僅觀測11 d的數據不能得出準確的結論，因此筆者收集了往年的數據進行了分析，結果見圖3。

圖3 長期SSC與風速擬合曲線

從圖3中可以看出，在風速4.5 m/s以下時，曲線基本處于一個平緩的狀態，在此之后曲線便進入了加速上升階段。同時，在4.5 m/s風速以下的階段，懸浮物濃度都在50 mg/L之下，此時可以認定底泥并未起懸，隨著風速的增大到4.5 m/s，湖底沉積物起懸，懸浮物濃度迅速上漲。由此觀之，懸浮物濃度與風速呈正相關趨勢，并且是一個接近二次多項式的關系，從曲線中可估計臨界風速值約為4.5 m/s。

4.2 水-土界面切應力特征

由以上內容可知，懸浮物濃度與風速值密切相關，而風速正是通過影響水流進而影響各類切應力，當切應力達到臨界值時，克服了底泥顆粒的自重，因此導致了底泥起懸。因此，試驗中測量計算了各類切應力，并研究其和風速以及懸浮物濃度之間的相關關系，具體結果見圖4、圖5。

圖4 波切應力與流切應力比值和風速的關系

從圖4中可以看出，在風速小于2 m/s時，波切應力與流切應力的比值集中在3以下，并且比值小于1的情況時有出現，意味著在風速較小的階段，流切應力對底泥起懸也有一定的影響；在風速上升到3～4 m/s后，比值基本在1以上，這表明在風速增大以后，流切應力的影響逐漸減小，底泥起懸主要受波切應力的作用；當風速大于4 m/s時，比值均大于1且多集中于2～8之間，隨著風速的持續增長，比值集中區域也逐漸增高，在這個階段，沉積物的懸浮沉降幾乎完全依賴于波切應力，流切應力可以忽略不計。考察圖4的整體趨勢可以明顯看出，在湖泊沉積物懸浮的過程主要受波切應力影響，流切應力只在小風速情況下有所作用，在風速增大后，兩者比值最大可達到18。由此觀之，若要研究水-土界面切應力對沉積物的影響，波切應力應該是主要關注點。

圖5 綜合切應力與SSC擬合曲線

圖5為綜合切應力與懸浮物濃度的擬合曲線。由圖5可以看出，在綜合切應力小于0.1 N/m2時，懸浮物濃度增長緩慢，在切應力超過0.1 N/m2后，懸浮物濃度上升速度加快，說明此時底泥起懸、沉積物顆粒所受切應力克服了重力與浮力的影響。由此觀之，0.1 N/m2可以視作底泥起懸的臨界切應力。

4.3 湍流動能與沉積物懸浮關系

湍流動能這一參量對底泥起懸的影響也不可忽略，因此本次試驗中考察了水底泥面以上5 cm處的湍流動能與懸浮物濃度之間的關系，發現湍流動能與懸浮物濃度變化趨勢相關，具體結果見圖6。

圖6 湍流動能和SSC與時間關系

同時，為了進一步探尋湍流動能對底泥起懸的影響，分析了湍流動能與切應力之間的關系，見圖7。由圖7可知，湍流動能與切應力基本呈正相關關系，并且接近線性相關。因此，隨著風速的加快，水-土界面的切應力增加，湍流動能隨之增大，最后導致的結果便是底泥起懸、水體懸浮物濃度上升。

圖7 湍流動能與切應力擬合曲線

5 結 論

1) 風速對于水體懸浮物的濃度變化影響較大，隨著風速的增大，在達到臨界風速時，會造成底泥起懸、懸浮物濃度迅速增大的現象，在本次試驗中，臨界風速值約為4.5 m/s。

2) 水-土界面切應力直接受風速影響，其中波切應力所受影響更明顯，在風速處于較大值時，波切應力可達到流切應力的18倍，這種狀態下，底泥起懸主要受波切應力控制。

3) 湍流動能會隨著切應力的變化而改變，兩者之間呈正相關關系。同時，湍流動能與懸浮物濃度的相關性與此類似。

本次試驗研究了風速影響下，湍流特征與湖泊沉積物懸浮沉降的關系，為水環境分析提供了良好的科學依據。