李 燕，顧圣海

(南通和信工程勘測設(shè)計院有限公司，江蘇 南通 226000)

1 概 述

湖泊的污染程度是生態(tài)環(huán)境評價的重要指標(biāo)，而湖泊的水質(zhì)好壞與水體中懸浮物濃度密切相關(guān)。張運林等[1]研究了太湖水體中懸浮物的分布規(guī)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(guān)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(jié)影響的變化規(guī)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(guān)關(guān)系；高小孟等[4]研究了懸浮物沉降速度與其濃度的關(guān)系，總結(jié)了懸浮物的動態(tài)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(yǎng)化進行了綜合性評價。由此可知，懸浮物濃度是評價水質(zhì)的重要指標(biāo)，而風(fēng)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(yīng)力，分析了湍流情況與懸浮物擴散之間的關(guān)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(fēng)速、波流綜合切應(yīng)力和水土接觸界面的相關(guān)關(guān)系；曹志先等[9]建立了湍流猝發(fā)與懸浮物沉降及擴散的對應(yīng)關(guān)系模型；周陽等[10]基于風(fēng)速的變化，比較了不同風(fēng)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(fēng)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(zhì)治理提供了科學(xué)的依據(jù)。

2 區(qū)域概況和試驗設(shè)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(fēng)速為4.3 m/s，秋冬平均風(fēng)速為0.9 m/s。本次研究主要區(qū)域位于接近太湖中央的一塊區(qū)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(fēng)速，于水底泥面以上10 cm處，水面以下30 cm處分別設(shè)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(jiān)測一次，同時記錄了包括風(fēng)向、采樣時間、水位等數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 水-土界面切應(yīng)力

1) 由波浪引起的切應(yīng)力。在水-土界面水顆粒質(zhì)點沿近圓形軌道運動，然而隨著水深的減小，質(zhì)點將逐漸演化成沿直線運動，故在接近底面的波浪質(zhì)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(yīng)力則可以通過下式確定：

(3)

式中：τw、ρ分別為波切應(yīng)力(N/m2)、水體密度(kg/m3)；波摩擦系數(shù)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(zhì)點振幅，由下式確定：

(5)

2) 由湖流引起的切應(yīng)力。該切應(yīng)力可由下式確定：

(6)

(7)

3) 波流綜合切應(yīng)力。綜合切應(yīng)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(yīng)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(jiān)測一次，滿足不了數(shù)據(jù)需求。因此，為了提高數(shù)據(jù)密度，建立了ADV回聲強度(EI)和懸浮物濃度(SSC)之間的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 SSC與EI擬合曲線

4 試驗結(jié)果分析

4.1 湖底污染沉積物與風(fēng)速關(guān)系

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

圖2 SSC與風(fēng)速擬合曲線

從圖2中可以看出，在風(fēng)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(fēng)速達(dá)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(xiàn)出明顯的加速上升趨勢；在達(dá)到5～6 m/s的風(fēng)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(shù)形式，此時表層的濃度曲線依舊保持平緩；在風(fēng)速達(dá)到7 m/s時，表層的濃度開始表現(xiàn)出上升加快的趨勢，而底層的沉積物已經(jīng)開始大范圍的懸浮，濃度上漲的速度接近峰值；在風(fēng)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(yuǎn)小于底層。

從圖2中可以看出，底泥起懸的風(fēng)速臨界值大約在4～5 m/s，然而僅觀測11 d的數(shù)據(jù)不能得出準(zhǔn)確的結(jié)論，因此筆者收集了往年的數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果見圖3。

圖3 長期SSC與風(fēng)速擬合曲線

從圖3中可以看出，在風(fēng)速4.5 m/s以下時，曲線基本處于一個平緩的狀態(tài)，在此之后曲線便進入了加速上升階段。同時，在4.5 m/s風(fēng)速以下的階段，懸浮物濃度都在50 mg/L之下，此時可以認(rèn)定底泥并未起懸，隨著風(fēng)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(fēng)速呈正相關(guān)趨勢，并且是一個接近二次多項式的關(guān)系，從曲線中可估計臨界風(fēng)速值約為4.5 m/s。

4.2 水-土界面切應(yīng)力特征

由以上內(nèi)容可知，懸浮物濃度與風(fēng)速值密切相關(guān)，而風(fēng)速正是通過影響水流進而影響各類切應(yīng)力，當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到臨界值時，克服了底泥顆粒的自重，因此導(dǎo)致了底泥起懸。因此，試驗中測量計算了各類切應(yīng)力，并研究其和風(fēng)速以及懸浮物濃度之間的相關(guān)關(guān)系，具體結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 波切應(yīng)力與流切應(yīng)力比值和風(fēng)速的關(guān)系

從圖4中可以看出，在風(fēng)速小于2 m/s時，波切應(yīng)力與流切應(yīng)力的比值集中在3以下，并且比值小于1的情況時有出現(xiàn)，意味著在風(fēng)速較小的階段，流切應(yīng)力對底泥起懸也有一定的影響；在風(fēng)速上升到3～4 m/s后，比值基本在1以上，這表明在風(fēng)速增大以后，流切應(yīng)力的影響逐漸減小，底泥起懸主要受波切應(yīng)力的作用；當(dāng)風(fēng)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(fēng)速的持續(xù)增長，比值集中區(qū)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(yīng)力，流切應(yīng)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(yīng)力影響，流切應(yīng)力只在小風(fēng)速情況下有所作用，在風(fēng)速增大后，兩者比值最大可達(dá)到18。由此觀之，若要研究水-土界面切應(yīng)力對沉積物的影響，波切應(yīng)力應(yīng)該是主要關(guān)注點。

圖5 綜合切應(yīng)力與SSC擬合曲線

圖5為綜合切應(yīng)力與懸浮物濃度的擬合曲線。由圖5可以看出，在綜合切應(yīng)力小于0.1 N/m2時，懸浮物濃度增長緩慢，在切應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。

4.3 湍流動能與沉積物懸浮關(guān)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)湍流動能與懸浮物濃度變化趨勢相關(guān)，具體結(jié)果見圖6。

圖6 湍流動能和SSC與時間關(guān)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(yīng)力之間的關(guān)系，見圖7。由圖7可知，湍流動能與切應(yīng)力基本呈正相關(guān)關(guān)系，并且接近線性相關(guān)。因此，隨著風(fēng)速的加快，水-土界面的切應(yīng)力增加，湍流動能隨之增大，最后導(dǎo)致的結(jié)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(yīng)力擬合曲線

5 結(jié) 論

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

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

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

本次試驗研究了風(fēng)速影響下，湍流特征與湖泊沉積物懸浮沉降的關(guān)系，為水環(huán)境分析提供了良好的科學(xué)依據(jù)。