胡開(kāi)明，王 水，逄 勇

(1:江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，南京 210036)

(2:江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210036)

(3:河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

太湖是一個(gè)大型淺水湖泊，水面面積2338 km2，流域面積36500 km2，平均水深1.9 ～2.0 m[1]，由于頻繁受風(fēng)的作用，底泥在風(fēng)浪擾動(dòng)下，易發(fā)生再懸浮，導(dǎo)致底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入水體，這種動(dòng)態(tài)內(nèi)源釋放對(duì)水質(zhì)影響很大[2-4].因此，湖泊底泥的再懸浮及內(nèi)源釋放已受到國(guó)內(nèi)外極大的關(guān)注[5-14].對(duì)美國(guó)淺水湖泊Okeechobee 湖和Apopka 湖的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)風(fēng)浪擾動(dòng)可以將表層底泥中的可溶性磷釋放出來(lái)[5，15].S?ndergaard等[16]對(duì)丹麥的Arres? 湖調(diào)查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力懸浮產(chǎn)生的可溶性活性磷(SRP)釋放量最大可增加20 ～30 倍.范成新[17]對(duì)滆湖底泥進(jìn)行模擬研究，表明擾動(dòng)作用使水體磷濃度增加約2 ～4 倍.Reddy 等[18]在實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)對(duì)氨氮而言，懸浮作用(懸浮+擴(kuò)散)造成的上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加可以達(dá)到單純由擴(kuò)散產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的數(shù)10 倍.Robarts 等[19]跟蹤觀測(cè)了日本琵琶湖在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下水體磷含量變化，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)后水體溶解態(tài)反應(yīng)磷(SRP)含量提高了2.5 倍.上述現(xiàn)象表明，風(fēng)浪所產(chǎn)生的擾動(dòng)作用使湖體內(nèi)源負(fù)荷明顯增加.秦伯強(qiáng)等[20]結(jié)合水動(dòng)力作用，提出了基于大型淺水湖泊底泥內(nèi)源釋放的概念性模式.由于太湖中底泥懸浮、遷移主要由湖水表面的風(fēng)擾動(dòng)而引起[21]，因而從風(fēng)速因子著手成為研究太湖內(nèi)源釋放的關(guān)鍵.范成新等[13]就不同風(fēng)速段對(duì)湖區(qū)擾動(dòng)產(chǎn)生懸浮顆粒物(suspended particulate matter，SPM)增量累計(jì)得到太湖全年因風(fēng)力引起的表層再懸浮顆粒量，秦伯強(qiáng)等[14]以動(dòng)力產(chǎn)生的剪切力為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)得到的釋放通量估算太湖全年釋放量.

太湖是一個(gè)大型淺水湖泊，東北部湖灣較多，西南部岸線比較平順，湖心區(qū)地勢(shì)開(kāi)闊，相同的風(fēng)向風(fēng)力在湖灣、沿岸及湖心等區(qū)域形成的湖流結(jié)構(gòu)及水土界面水力要素均有顯著差異，導(dǎo)致了不同湖區(qū)底泥具有不同的再懸浮規(guī)律，且水生植物分布情況不均勻，對(duì)底泥再懸浮也有一定影響，目前研究較少考慮不同湖區(qū)底泥再懸浮規(guī)律的差異.本文選取了3 個(gè)具有代表性的點(diǎn)采集太湖底泥，采用矩形水槽開(kāi)展底泥再懸浮模擬實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合太湖二維水量水質(zhì)模型及太湖全年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了不同湖區(qū)底泥再懸浮通量與風(fēng)速之間的定量關(guān)系;通過(guò)室內(nèi)靜沉降實(shí)驗(yàn)，得到了靜沉降通量與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系;最后將底泥再懸浮實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)化應(yīng)用于太湖二維水量水質(zhì)模型中，估算太湖全年內(nèi)源釋放量，以期為太湖富營(yíng)養(yǎng)化的治理提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 矩形水槽實(shí)驗(yàn) 矩形水槽法利用恒定水位差對(duì)柱狀底泥界面產(chǎn)生動(dòng)力擾動(dòng)作用，克服了傳統(tǒng)方法[13，22-24]的底泥原狀結(jié)構(gòu)和外力條件不可控等問(wèn)題，也可進(jìn)行多組平行實(shí)驗(yàn)，因此是淺水湖泊底泥再懸浮研究較為適合的模擬方法.

1)實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理:本次實(shí)驗(yàn)在河海大學(xué)矩形水槽中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，其主體是由進(jìn)水箱、出水箱及中間的扁長(zhǎng)形水槽(寬15 cm、高5 cm)連接組成，主體裝置都采用透明的有機(jī)玻璃制成，便于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中的底泥起懸情況.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Design of experimental device

兩個(gè)水箱內(nèi)設(shè)有插槽，利用不同高度的隔板控制水槽進(jìn)出口水位，調(diào)節(jié)水位差值改變水槽內(nèi)的流速;進(jìn)水箱與外部的儲(chǔ)水箱通過(guò)水管連接，并用泵使水循環(huán)流動(dòng);水槽上、下部各開(kāi)一個(gè)圓孔，上部圓孔放置流速儀，并用定做的橡皮塞塞緊防止漏水，下部圓孔粘接一段內(nèi)徑為9 cm 的圓管，方便柱狀采樣器的接入.本實(shí)驗(yàn)中，由泵抽水使進(jìn)、出水箱保持溢流，通過(guò)恒定水位差使水槽內(nèi)產(chǎn)生流速穩(wěn)定的水流，用流速儀上的讀數(shù)控制流速大小.裝有太湖底泥樣的采樣柱通過(guò)水槽下部的圓管連接上水槽，用千斤頂將泥柱頂起，使泥面與流速儀旋槳轉(zhuǎn)軸在一個(gè)水平面上，以確保流速儀讀出來(lái)的流速與引起底泥釋放的流速一致.在出水箱設(shè)有一個(gè)底泥收集槽，用來(lái)收集被水流切削起來(lái)的底泥.本實(shí)驗(yàn)利用該裝置探討水動(dòng)力作用下太湖底泥的釋放規(guī)律及與流速的關(guān)系.

圖2 太湖生態(tài)分區(qū)及采樣點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of Lake Taihu regions and sampling sites

2)實(shí)驗(yàn)條件:本次實(shí)驗(yàn)于2009年11月20-28日進(jìn)行，用柱狀采樣器(Φ 9 cm×50 cm)共采集了3 個(gè)采樣點(diǎn)的底泥，分別取自 A 點(diǎn) (太湖服務(wù)區(qū)，31°7'10″N，119°56'25″E)、B 點(diǎn)(宜興市丁蜀鎮(zhèn)八房港，31°11'37″N，119°54'31″E)和 C 點(diǎn)(太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(簡(jiǎn)稱(chēng)“太湖站”)附近 水 域 梅 梁 灣 口 西，31° 24' 24″ N，120°8'45″E)，具體位置見(jiàn)圖2，實(shí)驗(yàn)用水也也是完全取自采泥點(diǎn)的太湖水.總體來(lái)說(shuō)，太湖底部由古沖積平原黃土硬底組成，硬底之上僅覆蓋10 cm 左右主要為黃土硬底長(zhǎng)期浸泡受風(fēng)浪反復(fù)擾動(dòng)而形成的活動(dòng)層泥沙，在水動(dòng)力作用下容易發(fā)生再懸浮.水槽根據(jù)進(jìn)出口恒定水位差確定控制過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉偈蛊浞€(wěn)定，而流速儀旋槳轉(zhuǎn)軸平面上的流速即表示引起底泥釋放的流速，通過(guò)OA 直讀式流速儀(南京水利科學(xué)研究院)讀取.實(shí)驗(yàn)具體方案為:采用 5、10、15、20、30 和 40 cm/s 涵蓋太湖大部分情況的 6 組流速.每種流速方案持續(xù)運(yùn)行 2 min，并在 0、10、20、30、60、90 和 120 s 時(shí)各取 1 次底泥收集槽內(nèi)的泥水，用以測(cè)定釋放區(qū)水體懸浮物(SS)濃度.另外，在沖刷過(guò)程中，通過(guò)搖升千斤頂使泥柱面始終與流速儀旋槳轉(zhuǎn)軸保持在同一水平面.每組2 次平行.

1.1.2 野外懸浮沉降實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)在太湖梅梁灣口東岸“太湖站”棧橋附近水域(31°24'N，120°12'E)進(jìn)行.觀測(cè)點(diǎn)水深約1.6 m，泥深0.3 m 左右，每次實(shí)驗(yàn)均連續(xù)觀測(cè)5 ～7 d.具體時(shí)間為:春季:4月2日8:30-4月7日 8:30、5月 27日 8:30-6月 1日 9:00，夏季:7月 20日 7:00-7月 25日 19:00，秋季:9月 13日 7:00-9月 18日 7:00，冬季 12月 5日 7:00-12月9日7:00.取樣方法、底泥捕獲器及其在水中的布置方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[25].

1.1.3 室內(nèi)靜沉降實(shí)驗(yàn) 在室內(nèi)進(jìn)行了7 次靜沉降實(shí)驗(yàn)，時(shí)間分別為4月7-8日、4月8-9日、5月28-29日、5月30-31日、7月18-19日、9月10-11日、12月10-11日.實(shí)驗(yàn)用水取自“太湖站”棧橋附近的太湖原水，7 次實(shí)驗(yàn)水樣 SS 初始濃度依次為:293.8、48.2、589.5、52.0、57.7、154.2 和 444.2 mg/L，代表了太湖小、中、大風(fēng)浪下太湖SS 的濃度.實(shí)驗(yàn)裝置和取樣方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[26].

1.2 懸浮物濃度測(cè)定

樣品按照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》中的方法進(jìn)行分析[27].快速取出搖勻后的水樣進(jìn)行過(guò)濾(采用預(yù)先烘干稱(chēng)重的Whatman GF/C 玻璃纖維濾膜)，過(guò)濾后將濾膜在105℃下烘4 h 至恒重，在干燥器中冷卻30 min至室溫后稱(chēng)重，此時(shí)的重量減掉膜自重即為SS 質(zhì)量，根據(jù)體積換算后可以得到水體SS 含量.

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 底泥再懸浮通量的計(jì)算方法 底泥再懸浮通量的計(jì)算公式為:

式中，r 為底泥再懸浮通量(g/(m2·d));λ 為模型比尺;V 為相應(yīng)時(shí)間經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)的水樣體積(L);Cv為不同時(shí)刻取樣時(shí)水中SS 濃度(mg/L);C0為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)前水中SS 濃度(mg/L);A 為與水接觸的底泥水平投影表面積(m2);t 為釋放時(shí)間(d).

1.3.2 內(nèi)源釋放量的計(jì)算方法 由于風(fēng)浪的作用，底泥受到擾動(dòng)產(chǎn)生起懸運(yùn)動(dòng)進(jìn)入水體，發(fā)生著復(fù)雜的懸浮沉降過(guò)程，同時(shí)伴隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放和吸附.風(fēng)浪較小或風(fēng)平浪靜時(shí)，底泥不發(fā)生懸浮或懸浮量很少，對(duì)水體中物質(zhì)濃度的影響不大;當(dāng)風(fēng)力增強(qiáng)達(dá)到一定的程度(達(dá)到底泥起懸的臨界風(fēng)速μm)時(shí)，底泥開(kāi)始發(fā)生較為明顯的懸浮，同時(shí)將大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶入水體中;大風(fēng)過(guò)后，原先懸浮起來(lái)的底泥在重力作用下開(kāi)始沉降，并攜帶大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)重新回到底泥中.將底泥在水體中的懸浮過(guò)程和沉降過(guò)程分別計(jì)算，內(nèi)源釋放量即等于再懸浮量與沉降量的差值.計(jì)算公式為:

式中，S 為底泥分布的面積(m2);Mi為不同風(fēng)速下的各因子釋放率(g/(m2·d));Ti為不同風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間(d);Nj為不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的平均沉降率(g/(m2·d));Tj為該風(fēng)速持續(xù)的時(shí)間(d).

圖3 太湖各采樣點(diǎn)懸浮物濃度與流速的關(guān)系(第一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果)Fig.3 Relationship of suspended solid and flow velocity of each sampling site in Lake Taihu

2 結(jié)果與討論

2.1 矩形水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)泥沙起動(dòng)理論，泥沙的起動(dòng)一般可分為3 種狀態(tài)[28]，即“將動(dòng)未動(dòng)”、“少量動(dòng)”和“普遍動(dòng)”，不同起動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的水體中污染物質(zhì)的濃度也有較大的變化，而且底泥釋放的特點(diǎn)也有所不同.本實(shí)驗(yàn)中底泥的起動(dòng)和釋放也符合這一規(guī)律.

從各采樣點(diǎn)SS 濃度和再懸浮通量分別與流速的關(guān)系(圖3 和圖4)可以看出:當(dāng)?shù)啄嗵幱凇皩?dòng)未動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，隨著流速的增大，底泥再懸浮通量呈上升趨勢(shì)，SS 濃度和再懸浮通量的增加幅度都不大，主要是由于底泥只受到了輕微的擾動(dòng)，還未大量懸浮;隨著流速的進(jìn)一步增大，底泥達(dá)到“少量動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，SS 濃度和再懸浮通量較前一階段有了明顯的上升，主要是由于此時(shí)已有部分底泥開(kāi)始大量起動(dòng)，小的泥沙顆粒懸浮到上覆水體中，同時(shí)下層的底泥間隙水也得以大量釋放，致使水體SS 濃度升高;當(dāng)流速達(dá)到30 ～40 cm/s 時(shí)，底泥處于“普遍動(dòng)”狀態(tài)，SS 濃度和再懸浮通量產(chǎn)生一個(gè)較大的突增，底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被完全釋放出來(lái)，A、B、C 點(diǎn)SS 濃度最大值分別達(dá)到70.3、57.3 和47.1 mg/L，是初始狀態(tài)的幾十倍之多;3 個(gè)采樣點(diǎn)的再懸浮通量最大值分別達(dá)到 10170.5、13980.5 和 7584.5 g/(m2·d)，比原來(lái)狀態(tài)高1 ～2 個(gè)數(shù)量級(jí).這充分說(shuō)明水動(dòng)力作用在湖泊內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中扮演著非常重要的角色.3 個(gè)采樣點(diǎn)SS 濃度隨流速變化均可用指數(shù)關(guān)系擬合，參數(shù)略有不同，除考慮實(shí)驗(yàn)誤差以外，這可能也與各采樣點(diǎn)底泥物理屬性存在輕微差異有關(guān)(A、B 兩點(diǎn)位于沿岸區(qū)，C 點(diǎn)位于湖心區(qū)).

由整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)公式(1)可以建立3 個(gè)采樣點(diǎn)再懸浮通量與流速的綜合關(guān)系式:

式中，y 為各采樣點(diǎn)的底泥再懸浮通量(g/(m2·d));x 為水體流速(cm/s).

通過(guò)建立的關(guān)系式可以看出:底泥再懸浮通量與流速的關(guān)系服從指數(shù)分布，在一定的流速范圍內(nèi)，底泥再懸浮通量隨流速的增大而增大.總之，在淺水湖泊中，動(dòng)力懸浮使得表層的數(shù)厘米至數(shù)十厘米底泥發(fā)生懸浮，在風(fēng)浪過(guò)程結(jié)束后，懸浮底泥沉降至湖底，有機(jī)物繼續(xù)降解等待下一次風(fēng)浪的來(lái)臨[2].故控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化除了要控制外源污染外，還特別要加大力度控制湖泊的內(nèi)源釋放.

圖4 太湖采樣點(diǎn)再懸浮通量與流速擬合曲線Fig.4 The response relation curve between resuspended flux and flow velocity in Lake Taihu

2.2 風(fēng)浪作用下的太湖內(nèi)源釋放量估算

2.2.1 底泥再懸浮通量計(jì)算 針對(duì)淺水湖泊在風(fēng)浪作用下，底泥的再懸浮通量主要與底泥物理屬性及水土界面水力要素有關(guān)，而水力要素又受所處湖區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速和地理形態(tài)影響.根據(jù)秦伯強(qiáng)等[2]的野外實(shí)測(cè)，太湖各湖區(qū)沉積物粒度組成幾乎相同，大部分沉積物的粒度介于2.0 ～20.0 μm 之間，其中粒度分布比較集中的范圍是16 ～20 μm，太湖沉積物的粒徑分布經(jīng)過(guò)風(fēng)浪的淘洗、搬遷和輸運(yùn)，顯現(xiàn)出在空間分布上的高度一致性.可以認(rèn)為，對(duì)于太湖而言，不同湖區(qū)沉積物再懸浮規(guī)律的差異主要由于湖區(qū)所處地理形態(tài)及該區(qū)域風(fēng)向、風(fēng)速引起的湖流結(jié)構(gòu)的不同.

根據(jù)太湖各湖區(qū)生態(tài)特點(diǎn)并結(jié)合最新功能區(qū)劃，太湖可分成9 個(gè)湖區(qū)(圖2)，其中竺山灣與梅梁灣形態(tài)以及底泥分布情況相仿，均為半封閉污染嚴(yán)重湖體，五里湖是直接連著梅梁灣的湖區(qū)，貢湖灣、東部沿岸區(qū)和東太湖均是被大面積水生植物覆蓋的東部水域，水動(dòng)力情況相似，將9 大湖區(qū)劃分為5 大類(lèi)(表1)，采用太湖二維水量水質(zhì)模型[29-30]進(jìn)行模擬計(jì)算，使用2005年四季的太湖實(shí)測(cè)風(fēng)速資料作為邊界條件，同期水體SS 濃度實(shí)測(cè)資料做率定，以2.1 節(jié)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論為基礎(chǔ)，重復(fù)調(diào)試參數(shù)使模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在允許的誤差范圍內(nèi)，得到若干組參數(shù)值，采用最小二乘法從中篩選出最優(yōu)的一組，得到了全湖各湖區(qū)不同季節(jié)底泥沉積物再懸浮通量與風(fēng)速關(guān)系曲線，具體見(jiàn)表1.各湖區(qū)不同季節(jié)底泥再懸浮通量與風(fēng)速關(guān)系建立思路如下:

1)Ⅰ區(qū)(五里湖、梅梁灣及竺山灣區(qū)):利用野外沉積物捕獲器在梅梁灣區(qū)分四季開(kāi)展了野外懸浮沉降實(shí)驗(yàn)，獲得了Ⅰ區(qū)分期底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系，同時(shí)在同一地點(diǎn)采樣進(jìn)行室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)，獲得原位資料與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系;

2)Ⅱ、Ⅲ區(qū)(西部沿岸區(qū)和南部沿岸區(qū)):利用水槽實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)梅梁灣、西部及南部沿岸區(qū)3 個(gè)采樣點(diǎn)(圖2)不同流速下的底泥沉積物再懸浮通量進(jìn)行模擬，以Ⅰ區(qū)野外懸浮沉降實(shí)驗(yàn)成果作為準(zhǔn)確值，將室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)規(guī)律和野外實(shí)驗(yàn)成果建立耦合關(guān)系，對(duì)比得到Ⅱ、Ⅲ區(qū)底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，利用Ⅰ區(qū)春、夏、秋、冬季同等風(fēng)速下的底泥再懸浮通量的比值得到Ⅱ、Ⅲ區(qū)分期底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系;

3)Ⅳ、Ⅴ區(qū)(湖心區(qū)和貢湖灣、東部沿岸區(qū)及東太湖):利用以往全太湖各湖區(qū)SS 濃度與風(fēng)速資料獲得梅梁灣、西部沿岸區(qū)、湖心區(qū)及東太湖SS 濃度與風(fēng)速的擬合關(guān)系，利用模型進(jìn)行模擬試算獲得底泥再懸浮通量與SS 濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)SS 濃度模擬值與同一湖區(qū)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，求得Ⅳ、Ⅴ區(qū)分期底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系，最終得到整個(gè)太湖不同季節(jié)不同湖區(qū)SS 再懸浮通量與風(fēng)速之間的定量關(guān)系.

通過(guò)比較相同風(fēng)速范圍內(nèi)4 個(gè)季節(jié)的底泥沉積物再懸浮通量得知:太湖底泥沉積物再懸浮通量時(shí)空變化顯著.春、秋季再懸浮通量較小，夏、冬季較大，這可能與不同季節(jié)不同湖區(qū)水生植物的生長(zhǎng)情況有關(guān).風(fēng)速與再懸浮通量基本呈正相關(guān)，且相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均大于0.6.比較9 個(gè)湖區(qū)相同時(shí)段的底泥再懸浮通量得知:湖心區(qū)和沿岸區(qū)再懸浮通量最大，北部湖區(qū)次之，東太湖最小，這主要是因?yàn)楹膮^(qū)和沿岸區(qū)除局部外幾乎沒(méi)有地形障礙物，有相當(dāng)大的風(fēng)暴露面積，風(fēng)速對(duì)水體擾動(dòng)影響很明顯;北部梅梁灣、竺山灣雖然是半封閉地形，風(fēng)速影響較湖心區(qū)弱，但這種口袋狀地形極易形成環(huán)流，造成沉積物再懸浮;東部湖區(qū)覆蓋大面積植被，水草具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪及平復(fù)能力，從而使風(fēng)力對(duì)水體SS 的影響減小.

表1 太湖各湖區(qū)不同季節(jié)底泥再懸浮通量與風(fēng)速的關(guān)系曲線*Tab.1 Relationships of resuspended flux and wind speed of each lake region in Lake Taihu in different seasons

2.2.2 懸浮物靜沉降通量計(jì)算 根據(jù)7 次室內(nèi)靜沉降實(shí)驗(yàn)，得到了不同風(fēng)速下平均靜沉降通量.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉降速率基本上均呈隨著沉降時(shí)間而減緩的規(guī)律，表明太湖底泥在沉降過(guò)程中，前期沉速快、沉降量大的特征.在相同沉降時(shí)間內(nèi)，平均沉降通量與SS初始濃度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)，而不同湖區(qū)SS 初始濃度又與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，為了能夠在數(shù)值模擬的過(guò)程中統(tǒng)一參數(shù)，此處通過(guò)轉(zhuǎn)化建立了平均沉降通量與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系為:y=111.7e0.2186x(式中，x 為風(fēng)速(m/s)，y 為沉降通量(g/(m2·d));R2=0.679).

2.2.3 內(nèi)源釋放量計(jì)算結(jié)果 1)底泥起懸臨界風(fēng)速(μm)的確定:對(duì)2000-2008年太湖各湖區(qū)風(fēng)速和SS 濃度的觀測(cè)資料進(jìn)行回歸分析，得到SS 起懸臨界風(fēng)速(μm)的統(tǒng)計(jì)值，五里湖、梅梁灣、竺山灣、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、貢湖灣、東太湖和其他區(qū)分別為 3.2、3.6、2.7、3.4、3.0、2.8、2.6 和 3.4 m/s.結(jié)果表明，在風(fēng)速小于臨界風(fēng)速(μm)的情況下，各湖區(qū)水體中的SS 濃度值在20 ～50 mg/L 之間變化，沒(méi)有明顯的上升趨勢(shì)，是因?yàn)檩^小擾動(dòng)沒(méi)有使底泥懸浮，只是使水體中原有的物質(zhì)上下浮動(dòng).這樣，對(duì)底泥懸浮沉降過(guò)程進(jìn)行劃分和概化:風(fēng)速范圍為μ ＞μm時(shí)，底泥受風(fēng)浪的作用發(fā)生起懸，此過(guò)程懸浮運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用;風(fēng)速范圍為μ≤μm，風(fēng)速對(duì)底泥起懸的影響較小，SS 受重力作用以沉降運(yùn)動(dòng)為主.張運(yùn)林等[31]在1998年2-3月對(duì)太湖 SS 的野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，底泥懸浮的臨界風(fēng)速大約在5.0 ～6.5 m/s 之間.秦伯強(qiáng)等[2]對(duì)2002年7月23-24日太湖中心附近觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速大于4.0 m/s 時(shí)底泥才開(kāi)始出現(xiàn)再懸浮現(xiàn)象.本文計(jì)算值偏小于張運(yùn)林、秦伯強(qiáng)等的研究結(jié)果，一方面是因?yàn)榍叭酥饕槍?duì)某一個(gè)起懸過(guò)程進(jìn)行分析因而得到的是瞬時(shí)值，而本文對(duì)多年資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要體現(xiàn)的是起懸發(fā)生的平均風(fēng)速值;另一方面，觀測(cè)位置的差異也導(dǎo)致底泥受風(fēng)速作用的效果不同.

2)風(fēng)速頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果:對(duì)1990-1995年及2000-2008年太湖站33 個(gè)觀測(cè)站[26]的風(fēng)速資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(年風(fēng)速出現(xiàn)頻率按日平均風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算，根據(jù)范成新等[13]的研究成果，按1 m/s 風(fēng)速段考慮風(fēng)的消長(zhǎng)周期而言，每一風(fēng)速增長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間約為0.9 d，基本上可以看作一天代表一個(gè)風(fēng)浪過(guò)程)，太湖日平均風(fēng)速以2 ～5 m/s 為主，占全年日出現(xiàn)頻率的64.1%，大于5 m/s 的風(fēng)速頻率為17.5%;而日最大風(fēng)速出現(xiàn)頻率在高風(fēng)速區(qū)則普遍較大，如大于5 m/s 的日最大風(fēng)速頻率占89.5%，大于8 m/s 的頻率占到34.2%，是大于7 m/s日平均風(fēng)速頻率(3.8%)的9 倍，反映湖面頻繁地受到了大風(fēng)的瞬時(shí)擾動(dòng).

3)太湖內(nèi)源釋放量估算:太湖除湖心區(qū)外，各主要湖區(qū)均有較大范圍的底泥分布，根據(jù)對(duì)全湖底泥覆蓋面積求積的結(jié)果[32]，全湖底泥分布面積約為1632.9 km2，其中五里湖、梅梁灣、竺山灣、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、貢湖灣、東太湖和其他區(qū)底泥面積分別為 5.6、61.9、29.7、216.9、313.8、74.8、134.2 和 796 km2.五里湖水面小，南部有150 m 左右的山脈作為屏障，北部有城市類(lèi)型的下墊面形成的緩沖，受風(fēng)力影響較小，SS濃度幾乎不隨風(fēng)速加大而上升[13].由于地形、水生植被等影響導(dǎo)致不同湖區(qū)的再懸浮特征有所差異.總體而言，太湖底泥的物理化學(xué)特性在水平空間上差別不大[2].根據(jù)以往對(duì)太湖總磷(TP)、總氮(TN)等與富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，SS 與TP、TN 等存在顯著正相關(guān)關(guān)系[26].根據(jù)2009年太湖水體中營(yíng)養(yǎng)鹽及SS 濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果，底泥懸浮沉降過(guò)程中水體TN、TP、COD 和SS 濃度的比值:五里湖、梅梁灣、竺山灣、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、貢湖灣、東太湖和其他區(qū) COD/SS 值分別為5.29%、5.29%、2.35%、1.07%、4.10%、4.34%、5.82%和 4.59%;TN/SS 比值分別為 1206.31、1206.31、1644.54、1314.52、845.26、823.04、3007.32 和 925.61 mg/kg;TP/SS 值分別為 554.35、554.35、519.23、301.35、541.56、460.77、627.78 和460.36 mg/kg.根據(jù)公式(2 ～4)計(jì)算2009年太湖各湖區(qū)春、夏、秋、冬季對(duì)應(yīng)12 個(gè)月每日的營(yíng)養(yǎng)鹽懸浮沉降量，由于風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值是按照日平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，這樣會(huì)掩蓋掉部分幾個(gè)小時(shí)的短期大風(fēng)過(guò)程，事實(shí)上，夏季瞬時(shí)的強(qiáng)風(fēng)過(guò)程是比較普遍的，因此，實(shí)際發(fā)生的頻率可能高于此統(tǒng)計(jì)值，故在計(jì)算整個(gè)太湖內(nèi)源釋放量時(shí)乘以浮動(dòng)系數(shù)1.5，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5 和表2，風(fēng)力過(guò)大超出野外實(shí)驗(yàn)期間觀測(cè)到的風(fēng)速范圍的情況，以實(shí)驗(yàn)所得的風(fēng)速隨再懸浮通量及沉降通量的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮到不同區(qū)域底泥的最大可懸浮量進(jìn)行削減.其中:春季對(duì)應(yīng)3-5月、夏季對(duì)應(yīng)6-8月、秋季對(duì)應(yīng)9-11月、冬季對(duì)應(yīng)12月至次年2月.

結(jié)果顯示，太湖每日的內(nèi)源釋放量受風(fēng)速影響顯著，和風(fēng)速變化趨勢(shì)較為接近，水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著風(fēng)力的增大而增加，隨著風(fēng)速的減小而減少.夏、冬季各營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的變化幅度較大，COD、TN 和TP 的最大懸浮量分別為3.81×104、767.14 和427.22 t.可以看出，風(fēng)浪作用下，底泥與水體發(fā)生著頻繁的交換，并且交換量相當(dāng)大.然而，沉降量受懸浮量和風(fēng)速的共同影響，無(wú)論哪個(gè)季節(jié)，平均日懸浮量越大，平均日沉降量也越大，圖上則顯示為懸浮沉降量數(shù)值之間的距離越遠(yuǎn)(圖5).

圖5 太湖2009年全年每日風(fēng)速及營(yíng)養(yǎng)鹽釋放變化Fig.5 Daily changes of wind speed and release amount of internal load in 2009 in Lake Taihu

懸浮量最終又轉(zhuǎn)為沉降量，隨著底泥再懸浮進(jìn)入水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又會(huì)被帶回底泥中去，所以全年進(jìn)入水體的營(yíng)養(yǎng)鹽累積量并不是很大.太湖全年進(jìn)入水體的凈底泥量有47.81×104t，夏季最大，冬季次之;就營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放量而言，COD 約為 2.06× 104t、TN 約為 1149.05 t、TP 約為 564.35 t，其中秋季營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放量最小，夏季最大，這也可能是夏季水華暴發(fā)的原因之一.然而，秦伯強(qiáng)等[14]從動(dòng)力對(duì)底泥的剪切力角度考慮，進(jìn)行室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)計(jì)算總氮、總磷的釋放通量，得到太湖全年的總氮釋放量為8.1×104t，總磷釋放量為2.1×104t.比較發(fā)現(xiàn):秦伯強(qiáng)等的計(jì)算結(jié)果偏大，主要是因?yàn)閯?dòng)力的剪切力作用僅能體現(xiàn)湖底被風(fēng)浪掀起的底泥量，卻不能反映下沉的那部分量.總體而言，本研究結(jié)果表明風(fēng)浪作用下的太湖內(nèi)源年釋放總量并非很大.

表2 太湖內(nèi)源釋放量估算結(jié)果Tab.2 Annual average release amount of internal load in Lake Taihu

3 結(jié)論

1)本文通過(guò)矩形水槽實(shí)驗(yàn)，建立了太湖3 個(gè)具有代表性點(diǎn)的底泥再懸浮通量與流速的相關(guān)關(guān)系，可以看出3 個(gè)采樣點(diǎn)SS 濃度隨流速變化均可用指數(shù)關(guān)系擬合，參數(shù)略有不同，且相關(guān)性較好，在一定的流速范圍內(nèi)，底泥再懸浮通量隨流速的增大而增大.太湖A、B 和C 3 個(gè)采樣點(diǎn)的再懸浮通量最大分別達(dá)到10170.5、13980.5 和 7584.5 g/(m2·d).

2)太湖底泥再懸浮通量與風(fēng)速呈現(xiàn)線形正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性較好.同等風(fēng)速范圍內(nèi)，春、秋兩季再懸浮通量較小，夏、冬兩季較大;湖心區(qū)和沿岸區(qū)再懸浮通量最大，北部湖區(qū)次之，東太湖最小;風(fēng)速對(duì)再懸浮通量的影響很大并且時(shí)空變化顯著.同時(shí)，計(jì)算了太湖SS 靜沉降通量，平均靜沉降通量與SS 初始濃度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，SS 濃度越大，平均沉降通量也越大.

3)太湖每日的內(nèi)源釋放量受風(fēng)速影響顯著，和風(fēng)速變化趨勢(shì)較為接近，水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著風(fēng)力的增大而增加，隨著風(fēng)速的減小而減少.風(fēng)浪作用下，底泥與水體發(fā)生著頻繁的交換，并且交換量相當(dāng)大，各營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放夏、冬變化幅度較大，COD、總氮和總磷最大懸浮量分別為3.81×104、767.14 和427.22 t.然而，平均日懸浮量越大，平均日沉降量也越大，年進(jìn)入水體的營(yíng)養(yǎng)鹽累積量并不是很大.

4)太湖全年進(jìn)入水體的凈底泥量有47.81×104t，夏季最大，冬季次之;就營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放量而言，COD 約為2.06×104t、總氮約為1149.05 t、總磷約為564.35 t，其中秋季營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放量最小，夏季最大.風(fēng)浪引起底泥的起懸，然而大部分懸浮量最終又轉(zhuǎn)為沉降量，隨底泥再懸浮進(jìn)入水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又被帶回底泥中去，風(fēng)浪作用下的太湖內(nèi)源年釋放總量并非很大.

[1]孫順才，黃漪平.太湖.北京:海洋出版社，1993:19-21.

[2]Qin BQ，Hu WP，Gao G et al.Dynamics of sediment resuspension and the conceptual schema of nutrient release in the large shallow Lake Taihu，China.Chinese Science Bulletin，2004，49(1):54-64.

[3]Sun XJ，Zhu GW，Luo LC et al.Experimental study on phosphorus release from sediments of shallow lake in wave flume.Science in China:Series D:Earth Sciences，2006，49(Suppl.1):92-101.

[4]Zhu GW，Qin BQ，Gao G.Direct evidence of phosphorus outbreak release from sediment to overlying water in a large shallow lake caused by strong wind wave disturbance.Chinese Science Bulletin，2005，50(6):577-582.

[5]Canfield Jr DE，Hoyer MV.The eutrophication of Lake Okeechobee.Lake and Reservoir Management，1988，4(2):91-99.

[6]House WA，Denison FH，Smith JT et al.An investigation of the effects of water velocity on inorganic phosphorus influx to a sediment.Environmental Pollution，1995，89(3):263-271.

[7]McManus J，Berelson WM，Coale KH et al.Phosphorus regeneration in continental margin sediments.Geochimica et Cosmochimica Acta，1997，61(14):2891-2907.

[8]Granéli W.Internal phosphorus loading in Lake Ringsj?n.Hydrobiologia，1999，404:19-26.

[9]H?kanson L，Parparov A，Hambright KD.Modelling the impact of water level fluctuations on water quality(suspended particulate matter)in Lake Kinneret，Israel.Ecological Modelling，2000，128(2/3):101-125.

[10]Montgomery S，Lucotte M，Cournoyer L.The use of stable carbon isotopes to evaluate the importance of fine suspended particulate matter in the transfer of methylmercury to biota in boreal flooded environments.Science of the Total Environment，2000，261(1/2/3):33-41.

[11]張 路，范成新，秦伯強(qiáng)等.模擬擾動(dòng)條件下太湖表層沉積物磷行為的研究.湖泊科學(xué)，2001，13(1):35-42.

[12]Malmaeus JM，H?kanson L.A dynamic model to predict suspended particulate matter in lakes.Ecological Modelling，2003，167(3):247-262.

[13]Fan CX，Zhang L，Qin BQ et al.Estimation on dynamic release of phosphorus from wind-induced suspended particulate matter in Lake Taihu.Science in China:Series D:Earth Sciences，2004，47(8):710-719.

[14]Qin BQ，Zhu GW，Zhang L et al.Estimation of internal nutrient release in large shallow Lake Taihu，China.Science in China:Series D:Earth Sciences，2006，49(Suppl.1):38-50.

[15]Carriek HJ，Aldridge FJ，Schelske CL.Wind influences phytoplankton biomass and composition in a shallow，productive lake.Limnology and Oceanography，1993，38(6):1179-1192.

[16]S?ndergaard M，Kristensen P，Jeppesen E.Phosphorus release from resuspended sediment in the shallow and wind-exposed Lake Arres?，Denmark.Hydrobiologia，1992，228(1):91-99.

[17]范成新.滆湖沉積物理化特征及磷釋放模擬.湖泊科學(xué)，1995，7(4):341-350.

[18]Reddy KR，F(xiàn)isher MM，Ivanoff D.Resuspension and diffusive flux of nitrogen and phosphorus in a hypereutrophic lake.Journal of Environmental Quality，1996，25(2):363-371.

[19]Robarts RD，Waiser MJ，Hadas O et al.Relaxation of phosphorus limitation due to typhoon-induced mixing in two morphologically distinct basins of Lake Biwa，Japan.Limnology and Oceanography，1998，43(6):1023-1036.

[20]秦伯強(qiáng)，范成新.大型淺水湖泊內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的概念性模式探討.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2002，22(2):150-153.

[21]羅瀲蔥，秦伯強(qiáng).太湖波浪與湖流對(duì)沉積物再懸浮不同影響的研究.水文，2003，23(3):1-4.

[22]Laima MJC，Matthiesen H，Lund-Hansen LC et al.Resuspension studies in cylindrical microcosms:Effects of stirring velocity on the dynamics of redox sensitive elements in a coastal sediment.Biogeochemistry，1998，43:293-309.

[23]李一平，逄 勇，陳克森等.水動(dòng)力作用下太湖底泥起動(dòng)規(guī)律研究.水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(6):770-774.

[24]朱廣偉，秦伯強(qiáng)，張 路等.太湖底泥懸浮中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的波浪水槽試驗(yàn).湖泊科學(xué)，2005，17(1):61-68.

[25]李一平，逄 勇，李 勇.水動(dòng)力作用下太湖底泥的再懸浮通量.水利學(xué)報(bào)，2007，38(5):558-564.

[26]逄 勇，顏潤(rùn)潤(rùn)，余鐘波等.風(fēng)浪作用下的底泥懸浮沉降及內(nèi)源釋放量研究.環(huán)境科學(xué)，2008，29(9):2456-2464.

[27]金相燦，屠清瑛.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范:第2 版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990:143-144.

[28]竇國(guó)仁.再論泥沙起動(dòng)流速.泥沙研究，1999，(6):1-9.

[29]逄 勇，濮培民.太湖風(fēng)生流三維數(shù)值模擬試驗(yàn).地理學(xué)報(bào)，1996，51(4):322-328.

[30]Pang Y，Li YP，Luo LC.Study on the simulation of transparency of Lake Taihu under different hydrodynamic conditions.Science in China:Series D:Earth Sciences，2006，49(Suppl.1):162-175.

[31]張運(yùn)林，秦伯強(qiáng)，陳偉民等.太湖水體中懸浮物研究.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2004，13(3):266-271.

[32]范成新，劉元波，陳荷生.太湖底泥蓄積量估算及分布特征探討.上海環(huán)境科學(xué)，2000，19(2):72-75.