李一平，王建威,姜 龍，唐春燕，杜 薇，羅瀲蔥，戴淑君

(1:河海大學環(huán)境學院，南京 210098)(2:河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)(3:中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)(4：新加坡南洋理工大學南洋環(huán)境與水源研究院環(huán)境模擬中心，新加坡 637457)

淺水湖泊動力作用下水-土界面底泥起懸驅(qū)動力野外觀測

李一平1,2，王建威1,姜 龍1，唐春燕4，杜 薇1，羅瀲蔥3，戴淑君3

(1:河海大學環(huán)境學院，南京 210098)(2:河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)(3:中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)(4：新加坡南洋理工大學南洋環(huán)境與水源研究院環(huán)境模擬中心，新加坡 637457)

動力擾動引起的水-土界面沉積物懸浮是淺水湖泊藍藻水華控制的難點，本文基于聲學高頻流速儀、濁度儀、氣象、波浪等觀測儀器獲取的高時空分辨時間序列參量，以太湖為例對動力擾動下的底泥起懸驅(qū)動力進行研究. 結果表明風速小于3 m/s時，水-土界面處平均懸浮物濃度為59 mg/L，波流綜合切應力小于0.015 N/m2，底泥未起懸或在底床附近極小范圍內(nèi)發(fā)生起懸；風速在3～6 m/s時，水-土界面處平均懸浮物濃度為103 mg/L，波浪產(chǎn)生的底切應力大部分情況遠大于湖流產(chǎn)生的切應力，波流綜合切應力處于0.015～0.25 N/m2范圍內(nèi)，底泥中等規(guī)模起懸；風速大于6 m/s時，水-土界面處平均懸浮物濃度為174 mg/L，波浪產(chǎn)生的底切應力占據(jù)絕對的主導地位，波流綜合切應力大于0.25 N/m2，底泥大規(guī)模起懸. 梅梁灣底泥起懸的臨界切應力在0.015 N/m2左右，臨界風速大約為3 m/s.

水-土界面；風；底泥起懸；切應力；太湖；懸浮物濃度

大型淺水湖泊由于其水淺的特點，易受到風動力的影響. 在風場的強迫作用下，形成水面波動和底層湖流的剪切作用[1]，導致水-土界面底泥再懸浮和水體污染的內(nèi)源釋放. 水-土界面是負責水體和沉積物之間物質(zhì)輸送和交換的重要邊界環(huán)境，該界面處天然水體的物理、化學和生物特征具有顯著的差異性，根據(jù)以往經(jīng)驗來看底邊界層內(nèi)底泥起懸引起的內(nèi)源釋放是湖泊富營養(yǎng)化的主要來源[2-3]，這種動態(tài)釋放嚴重影響了湖泊的水質(zhì)，因此湖泊沉積物的起懸及內(nèi)源釋放日益受到重視. Lick[4]基于對美國Great Lakes開展的野外觀測，發(fā)現(xiàn)懸浮物濃度(Suspended Solid Concentration, SSC)與底泥粒徑大小及水-土界面切應力密切相關. 秦伯強等[5-6]在野外調(diào)查觀測與試驗分析的基礎上，研究了太湖沉積物懸浮的動力機制及相關的水動力過程，羅瀲蔥等[1,7]借助波浪與水化學指標的實測資料也曾進行過類似的研究，但前人設置的觀測點往往遠離水-土界面，使獲取的水-土界面底泥臨界驅(qū)動力的有效性大大降低. 逄勇等[8]采用太湖湖區(qū)底泥, 根據(jù)波浪水槽實驗總結了各種擾動強度下太湖底泥的起動切應力，李一平等[9]利用泥沙起動的理論模型計算了太湖底泥在3種不同起動標準(個別動、少量動、普遍動)下的起動流速和起動切應力，湯露露等[10]利用ECOMSED模型對太湖湖流、波浪、沉積物的三維數(shù)值進行模擬. 總的來看，前人的研究多側(cè)重于室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬，無論是室內(nèi)試驗還是數(shù)值模擬都有其不可避免的缺陷性. 室內(nèi)試驗難以保證底泥的原狀性，表層上覆水體特征與野外真實情況存在差異，且室內(nèi)水槽實驗基本上都只是構建了波浪或湖流單獨作用的水動力環(huán)境. 數(shù)值模擬由于假設條件及基于建模者的某些參數(shù)的取值，往往造成與實際結果存在必然的差異. 在過去有限的關于沉積物起懸的原位觀測中，受觀測條件和觀測儀器的限制，很難得到水-土界面同一采樣點上的流速和SSC的高頻時間序列，使得沉積物再懸浮的驅(qū)動機制以及內(nèi)源釋放模式在國內(nèi)外仍具有爭議[11]. 近年來隨著科技的發(fā)展，基于聲學設備Acoustic Doppler Velocimeter(ADV)、Acoustic Doppler current profiler(ADCP)及光學設備Optical Backscatter Sensor(OBS)探討底邊界層上懸浮物動力過程成為沉積物動力學研究領域的熱點，目前這些儀器被廣泛應用于海洋中，在太湖中應用仍不多，Zheng等[12]借助ADCP研究了太湖不同風速下的沉積物再懸浮過程，但其監(jiān)測剖面的最底層距泥床仍有十幾厘米的差距.

太湖是我國典型的大型淺水湖泊，本研究以太湖為例，選取典型湖區(qū)，搭建野外觀測平臺，配備能夠觀測近底點流速和SSC高頻時間序列的儀器，以及氣象、波浪等觀測儀器. 基于獲取的水體垂向及水-土界面高時空分辨率的波浪、瞬時三維流速、SSC等時間序列參量，界定水-土界面底泥起懸的臨界切應力與臨界風速，為今后湖泊內(nèi)源污染治理措施的制定和懸浮泥沙擴散輸移模型的建立提供理論支撐.

圖 1 太湖梅梁灣監(jiān)測點位Fig.1 Location of the study site at Meiliang Bay in Lake Taihu

1 儀器與方法

1.1 采樣地點及時間

太湖位于長江三角洲南緣，是我國第三大淡水湖. 太湖水域面積2338 km2，南北長68.5 km，東西寬34 km，多年平均水深1.89 m. 太湖的風速可從0 m/s變化至10 m/s，春、夏季平均風速為4.3 m/s，秋、冬季平均風速為0.9 m/s[13]. 環(huán)湖河流共有228條，2014年入湖水量為101.56×108m3、出湖水量為104.06×108m3. 湖西區(qū)仍是入湖水量的主要來源，全年有71%的入湖水量來自湖西區(qū). 梅梁灣系太湖北部一半封閉湖灣，南北長約14 km，東西寬約7 km，水面面積約129 km2，平均水深2.1 m，是無錫市主要旅游區(qū)及水源地. 梅梁灣主要入湖河道有3條，為武進港、直湖港和梁溪河.

本研究于2014年4月23-27日在太湖梅梁灣與湖心區(qū)交界處拖山附近(31°23′34.29″N，120°9′24.86″E)(圖1)搭建的野外觀測平臺進行定點連續(xù)觀測，測點北部為梅梁灣湖灣區(qū)，南部為開闊湖區(qū). 觀測期間太湖處于高水位，水位在2.63～2.81 m范圍內(nèi)變化，平均水深2.7 m.

1.2 觀測方案及儀器配置

本研究現(xiàn)場同步高頻監(jiān)測了風場、湖流、波浪、濁度等數(shù)據(jù). 風速和風向測定采用固定于風浪觀測支架上的PH-ⅡHandheld手持式氣象站和PHWD風向傳感器，頻率為10 min，距離水面5 m. 流速采用單點聲學高頻流速儀ADV Ocean(工作頻率為5 MHz)進行連續(xù)觀測. 其探頭靠近湖底，實際測點距離底部5 cm，監(jiān)測頻率10 Hz，獲取底層距離泥床5 cm范圍內(nèi)的三維流速序列. 波浪采用MIDAS DWR方向波潮儀連續(xù)監(jiān)測，采樣間隔為5 min，儀器固定在水下95 cm，采用線性波理論分析方法，64位數(shù)字處理技術，實時測量有效波高、波周期、平均波向及其他統(tǒng)計要素. 濁度采用2臺OBS-3A型濁度儀自動采集高頻濁度數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率均為3 min一次. 上層OBS(測量范圍為0～250 NTU)放置在水面以下95 cm，用于監(jiān)測近表層濁度值；底層 OBS(測量范圍為0～1000 NTU)放置在與ADV Ocean同高度處，用于監(jiān)測水-土界面濁度值，此外通過真空泵現(xiàn)場抽濾采集近表層與底層的水樣，同時記錄下不同深度水樣的采集時間，采樣頻率約為3 h一次，一天進行4次，水樣在實驗室進行分析得到SSC.

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 湖泊水-土界面由波浪產(chǎn)生的切應力 水表面質(zhì)點沿橢圓軌道運動，當波進入淺水區(qū)時，水質(zhì)點的橢圓形路徑逐漸壓扁呈水平直線，尤其是在沒有垂直流的底部. 隨著軌道被壓扁，水質(zhì)點的運動逐漸變?yōu)樗秸鹗? 底床附近最大的波動軌道速度可用下式表示：

(1)

(2)

式中，uw為底床附近最大的波動軌道速度(m/s)；h代表觀測點水深(m)；Hs為有效波的波高(m)；Ts為有效波的周期(s)；Ls為有效波的波長，其初值可取與研究區(qū)域中有效波長相近的數(shù)值，經(jīng)多次迭代達到穩(wěn)定可輸入式(1)參與計算.

基于Grand & Madsen系統(tǒng)地提出的水底邊界層切應力計算的基本理論，波切應力τw可采用下式進行計算[14]：

(3)

式中，τw表示波切應力(N/m2)；ρ為水體密度(kg/m3)；uw為底床附近最大的波動軌道速度(m/s)；fw表示波摩擦系數(shù)，無量綱，其與水底粗糙度和雷諾數(shù)有關.fw計算公式為[15]：

(4)

fw,max=0.3 (若Aδ/Ks≤1.57)

式中，Ks為湖底物理粗糙度，難以通過野外觀測獲得其真實值，本文參照Luetich等[16]、Hawley[17]和秦伯強等[6]的取法，取0.0002 m；Aδ為近底波浪質(zhì)點振幅(m)，通過線性波理論確定：

(5)

1.3.2 湖泊水-土界面由湖流產(chǎn)生的切應力 湖流產(chǎn)生的切應力主要是根據(jù)流速的對數(shù)分布，與摩阻流速的平方呈正比，其計算方法為[17-18]：

(6)

(7)

1.3.3 湖泊水-土界面由波流產(chǎn)生的綜合切應力 波流相互作用生成了強度和方向都發(fā)生變化的切應力. 綜合切應力τcw計算方法為[19]：

(8)

(9)

式中，τcw表示波流產(chǎn)生的綜合切應力(N/m2)；α和δ是波和流的方向.

1.3.4 湖泊水-土界面濁度的標定 通過實驗室分析得到SSC，建立起其與水-土界面濁度的關系，將濁度時間序列轉(zhuǎn)換成SSC時間序列. OBS測得的濁度在標定范圍內(nèi)(0～1000 NTU)存在良好的線性關系，相關系數(shù)R2為0.9375(圖2). 秦伯強等在野外調(diào)查觀測與實驗室試驗分析的基礎上，發(fā)現(xiàn)了太湖水-土界面物質(zhì)交換主要發(fā)生在沉積物表層5～10 cm范圍內(nèi)[6]. 羅瀲蔥等對太湖不同湖區(qū)沉積物粒徑分析結果表明深度達到10 cm的沉積物粒徑比較穩(wěn)定，而深度在10 cm以下的會出現(xiàn)波動[20]. 因此可初步判定本研究中野外觀測點位懸浮物粒徑組成相對比較穩(wěn)定，OBS觀測得到的濁度與懸浮物濃度SSC的線性關系比較可靠，可通過濁度推演水體懸浮物濃度.

2 結果與討論

2.1 動力條件下水體SSC垂向變化特征

采用監(jiān)測時間段每隔1 h的同步數(shù)據(jù)，進行風速與上層和底層SSC的關系分析(圖3). 結果表明，在風速小于3 m/s時，上層和底層SSC變化范圍相差不大，集中在50～90 mg/L左右，這是由于上層懸浮物中有機物占一半以上，因此在風速很小時，懸浮物同樣可以浮到上層[5]. 風速在3～6 m/s時，SSC波動范圍較大，表層集中在54～140 mg/L，最大增加到小風速的2～3倍，底層集中在45～238 mg/L，最大增加到小風速的4～5 倍，底層SSC變化范圍明顯大于表層，這種情況可能是因為底泥發(fā)生起懸. 在風速大于6 m/s后，整個水體的SSC大幅增加，表層集中在30～210 mg/L，底層集中在45～296 mg/L，底層水體SSC變化要比表層水體劇烈得多，平均SSC底層比表層大7 mg/L左右. 風浪擾動強度，除了與風速相關外，還與風的吹程有關，而風的吹程與風向密切相關，因此有必要對觀測期間不同風向下(E、ENE、ESE、SE、SSE、W、WNW)底層SSC與風速的變化關系進行分析(圖4). 在W和WNW風場中，即使風速大于6 m/s，SSC變化也并不明顯，這主要是因為W和WNW風場的吹程短，風區(qū)長度小，即使大風速下氣-水界面處也沒有產(chǎn)生很大的能量，在觀測到的其他風向下，SSC的整體變化趨勢隨風速的增大而增大. E、ESE、SE是觀測期間出現(xiàn)頻率較高且風區(qū)長度相對較大的風場，綜合3種風向下底層SSC和風速的變化關系來看，也是近似符合風速3～6 m/s時SSC初步增加、風速大于6 m/s時SSC大幅增加的規(guī)律的. 在E和ESE風場中，相對仍有個別代表小風速大SSC和大風速小SSC的點，這可能是由于水面波動對風場變化的滯后效應，也有可能風速的瞬時變化率才是影響沉積物起懸的關鍵因素.

圖2 現(xiàn)場水樣抽濾物質(zhì)濃度標定水-土界面濁度Fig.2 Calibration of OBS turbidity in the bottom layer with bottle samples

圖3 上層和底層懸浮物濃度與同時刻風速的變化關系Fig.3 The relationship between SSC in the surface and bottom layers and wind speed

圖4 觀測期間不同風向情況下風速與底層懸浮物濃度的關系Fig.4 The relationship between SSC in the bottom layer and wind speed with different wind directions during the observation

2.2 風驅(qū)動下太湖水-土界面綜合切應力特征及波流貢獻率的界定

波切應力、流切應力和綜合切應力隨風速的變化而變化，且三者變化趨勢與風速的變化趨勢基本一致，只是在大風速的情況下，產(chǎn)生較大的風浪，波浪產(chǎn)生的切應力和綜合切應力在量級上遠大于湖流產(chǎn)生的切應力(圖5). 只有在風速較小的情況下(例如，4月26日6:00-8:00)，湖流產(chǎn)生的切應力與波浪產(chǎn)生的切應力、綜合切應力相對接近(切應力在0.005～0.02 N/m2左右). 監(jiān)測期間綜合切應力的大小及變化趨勢與波浪切應力基本一致，這主要是由于大部分時間內(nèi)波浪產(chǎn)生的切應力占主導作用，具體可以通過比較波切應力與流切應力比值來反映波、流切應力對綜合切應力的貢獻(圖6). 當風速小于3 m/s時，波切應力與流切應力的比值(以下簡稱切應力的比值)小于1和大于1的情況都有出現(xiàn)，說明小風速情況下流切應力對水-土界面沉積物懸浮的貢獻是可能大于波切應力的. 當風速在3～6 m/s之間時，切應力的比值大多數(shù)時候大于1，最大達到17.7，即大部分情況下水-土界面沉積物懸浮是由波切應力引起的. 當風速大于6 m/s時，切應力的比值始終大于1，波浪產(chǎn)生的切應力在底泥起懸的動力過程中占據(jù)了絕對主導地位，此時可以忽略流切應力.

圖5 2014年觀測期間風速與底層波切應力、流切應力、綜合切應力的比較Fig.5 Comparison of wind speed and shear stress induced by wave, current and combination during the observation of 2014

2.3 動力條件下太湖水-土界面底泥起懸臨界切應力與臨界風速的確定

上文中切應力與風速的變化關系同風速與底層SSC的變化關系在量上保持高度一致，即當風速達到3～6 m/s以上時，剪切力迅速增強，底層SSC也隨即增大，這可能由于底泥顆粒物的內(nèi)聚力被打破. 為了進一步說明風引起的底部剪切力與底層SSC的關系，將兩者進行曲線擬合(圖7). 本次觀測中，按照懸浮物濃度隨底層剪切力的整體變化規(guī)律，將底泥起懸分為3個階段：

A階段：底泥未起懸或在底床附近極小范圍內(nèi)發(fā)生起懸，τcw< 0.015 N/m2. 此時床面處于穩(wěn)定狀態(tài)，水-土界面處SSC變化不大，平均SSC為59 mg/L.

B階段：底泥中等規(guī)模起懸，0.015≤τcw<0.25 N/m2. 此時底床受到破壞，水-土界面處SSC開始增大，隨著剪切力的增加，不斷掀起底泥，懸浮物濃度增速加快，平均SSC達到103 mg/L.

C階段：底泥大規(guī)模起懸，τcw≥0.25 N/m2. 此時床面受到大程度破壞，水-土界面水體很快便完全渾濁，平均SSC達到174 mg/L.

以底泥中等規(guī)模起懸為標準，本次觀測得到的臨界剪切力在0.015 N/m2左右，其與水深、流速、底泥特性等有關. 沉積物懸浮的臨界剪切力一般取值范圍為0.01～0.1 N/m2[18,21-22]，本次觀測得到的臨界切應力在此范圍之內(nèi). 將不同風速下綜合切應力與水-土界面沉積物懸浮臨界切應力相比較可知，當風速大于3 m/s時，切應力隨風速變化呈線性上升趨勢，綜合切應力的數(shù)值遠大于臨界切應力，該過程對應底泥中等規(guī)模與大規(guī)模起懸. 當風速小于3 m/s時，綜合切應力與風速變化的相關性較弱，綜合切應力的數(shù)值基本處于臨界切應力以下，該過程底泥處于未起懸或者在底床附近極小范圍內(nèi)起懸的狀態(tài)(圖8). 因此本次觀測得到的泥沙起懸臨界風速大約為3 m/s.

圖6 觀測期間波切應力與流切應力的比值隨風速的變化關系Fig.6 The relationship between the wind and ratio of wave-induced shear stress/current-induced shear stress during the observation

圖7 觀測期間底層SSC與波流綜合切應力之間的關系Fig.7 The relationship between SSC in the bottom layer and shear stress generated by wind-induced waves and currents during the observation

圖8 不同風速下波流綜合切應力與底層沉積物懸浮臨界切應力的比較Fig.8 Comparison of shear stress generated by wind-induced waves and currents and the critical stress of sediments on sediment-water interface

3 討論

風的擾動是影響太湖底泥起懸的主要因子，秦伯強等[5-6]、張運林等[23]基于1998年2-3月太湖梅梁灣SSC的觀測發(fā)現(xiàn)深層水懸浮物濃度要大于表層水，隨著風速的增強，垂直方向的差異更加明顯，這與本文的結果是一致的. 以上結果同時證明由于風浪對沉積物的擾動引起的再懸浮在水-土界面尤為強烈，因此在風浪條件下是無法用表層SSC計算整個水柱的懸浮物總量的，前人通過高精度分層同步采樣器曾獲得類似的結果[24]. 風并不是直接作用于底泥，而是先作用于湖面，使得水動力條件發(fā)生變化，然后水-土界面的沉積物在波浪和湖流綜合切應力作用下產(chǎn)生懸浮、輸移. 羅瀲蔥[7]、秦伯強[6]等認為小風速下波浪與湖流產(chǎn)生的切應力大致相當, 但是當風速較大時, 波浪作用占主導，本文的結果與其相似. 在獲得了底層切應力及SSC后，可通過分析SSC的變化來獲得臨界切應力. 秦伯強等[6]在實驗室獲得的底泥的臨界起動切應力約為0.037 N/m2，臨界風速為4 m/s，當風速達到6.5 m/s時，沉積物發(fā)生大規(guī)模懸浮. 前人獲得的臨界切應力比本文的結果大，主要是因為秦伯強等將沉積物起動標準定義為普遍動，在進行室內(nèi)水槽實驗時無法保證底泥的原狀性且只考慮了波浪的單一作用. Zheng等[12]認為底泥起懸的臨界風速為3.7～4.0 m/s，臨界切應力為0.011 N/m2，底泥大規(guī)模起懸時風速達到6 m/s，本文結果與之相近，但臨界風速比其結果略大，可能是因為Zheng等測量得到的 SSC數(shù)列較少，與風速擬合的精確度有限所致. 羅瀲蔥等[1,7]在分析波浪與湖流對沉積物再懸浮的不同影響時指出當風速達5 m/s以上時，SSC將顯著增加. 羅瀲蔥得到的起懸風速之所以明顯大于本文結果是因為其參考標準是剖面SSC變化，且因觀測手段和資料有限，僅僅獲取了湖底以上0.5 m處的流速，并不能真正反映水-土界面處流速及相應切應力的變化情況，而本文不但觀測到了水-土界面以上5 cm的三維高頻流速序列，而且獲取了相應高度的高頻SSC序列，因此本次監(jiān)測獲得的臨界切應力、臨界風速作為底泥起懸的判別標準更具有合理性和代表性，可為今后懸浮泥沙擴散輸移的數(shù)值模擬提供更加準確的參數(shù)依據(jù). 從微觀紊動角度來看，三維高頻流速序列的垂向流速對沉積物再懸浮也是有影響的，床面上的紊動作用使得低流速水團可以直接挾帶一部分泥沙顆粒上升到主流區(qū)，但本文的側(cè)重點為與底泥懸浮相關的平均態(tài)動力參數(shù)，因此與底泥懸浮相關的脈動參數(shù)可以在以后的工作中進行更為細致的研究. 竇國仁[25]認為泥沙起動可分為3種狀態(tài)，即個別動、少量動和普遍動，并將少量動定為泥沙起動的標準，本文要說明的是竇先生研究的主要是泥沙顆粒從推移運動到懸移運動的狀態(tài)變化過程，但是太湖泥沙不經(jīng)躍移過程，直接從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)為懸移運動是存在的，這時候得到的切應力實為臨界揚動切應力，這種過程可能和床面附近的紊動作用有關聯(lián).

4 結論

基于野外原位觀測實驗獲取的風場、流場、波浪場、濁度等數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在風速小于3 m/s時，上層和水-土界面處SSC變化集中在50～90 mg/L左右，波、流切應力相當，τcw<0.015 N/m2，底泥未起懸或者在底床附近極小范圍內(nèi)發(fā)生起懸；風速在3～6 m/s時，上層SSC集中在54～140 mg/L，水-土界面處SSC集中在45～238 mg/L，波浪產(chǎn)生的切應力大部分情況遠大于湖流產(chǎn)生的切應力，0.015≤τcw<0.25 N/m2，底泥中等規(guī)模起懸；風速大于6 m/s時，上層SSC集中在30～210 mg/L，水-土界面處SSC集中在45～296 mg/L，水-土界面處水體SSC變化要比上層水體劇烈得多，波浪產(chǎn)生的切應力占據(jù)絕對的主導地位，τcw≥0.25 N/m2，底泥大規(guī)模起懸. 梅梁灣底泥起懸的臨界切應力在0.015 N/m2左右，臨界風速大約為3 m/s. 本研究反映出淺水湖泊水-土界面的底泥易受到擾動而發(fā)生起懸，在本文的基礎上研究太湖及其他大型淺水湖泊沉積物再懸浮驅(qū)動機理時必須更多地考慮具體觀測位置的地形、地貌等因素，不同的地形、地貌有著不同的底泥特征及風浪孕育程度.

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The driving force of sediment suspension on sediment-water interface in shallow lakes

LI Yiping1,2, WANG Jianwei1**, JIANG Long1, TANG Chunyan4, DU Wei1, LUO Liancong3& DAI Shujun3

(1:CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,P.R.China)(2:KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,P.R.China)(3:NanjingInstituteofGeographyandLiminology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)(4:EnvironmentalProcessModellingCentre,NanyangEnvironmentalandWaterResearchInstitute,NanyangTechnologicalUniversity, 637457,Singapore)

Sediment suspension on sediment-water interface caused by dynamic disturbance is the difficult issue in shallow lake eutrophication control. To study the driving force of sediment suspension in Meiliang Bay of Lake Taihu, a set of synchronous, high-frequency data of current, turbidity, wind, wave are obtained using the Acoustic Doppler Velocimeter, Optical Backscatter Sensor, PH-II Handheld weather stations, and RBRduo T.D. wave tide gauge. The results show that when the wind speed is less than 3 m/s, the average suspended solid concentration (SSC) on sediment-water interface is approximately 59 mg/L. The bottom shear stresses generated by waves is nearly equal to that generated by currents, where no sediment suspension can be found and the comprehensive shear stress generated by wind-induced waves and currents is less than 0.015 N/m2. When the wind speed ranges from 3 to 6 m/s, the average SSC on sediment-water interface is approximately 103 mg/L. The bottom shear stresses generated by waves is greater than that generated by currents in most cases, where a medium amount of sediment is suspended and the comprehensive shear stress generated by wind-induced waves and currents ranges from 0.015 to 0.25 N/m2. When the wind speed exceeds 6 m/s and the average SSC on sediment-water interface is approximately 174 mg/L, the wave-generated shear stress plays an absolute leading role in large amount of sediment suspension and the comprehensive shear stress generated by wind-induced waves and currents is larger than 0.25 N/m2. The critical shear stress of sediment suspension in Meiliang Bay is approximately 0.015 N/m2while the critical wind speed is 3 m/s.

Sediment-water interface; wind; bottom sediment suspension; shear stress; Lake Taihu; suspended solid concentration

*國家自然科學基金項目(51579071, 51379061)、中央高校基本科研業(yè)務項目基金項目(2014B07314)和江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程項目聯(lián)合資助. 2016-03-20收稿; 2016-05-11收修改稿. 李一平(1978～)，男，博士，教授; E-mail: liyiping@hhu.edu.cn.

*通信作者; E-mail: 1403860485@qq.com.

J.LakeSci.(湖泊科學)， 2017， 29(1)： 43-51

DOI 10.18307/2017.0105

?2017 byJournalofLakeSciences