李 寶，申秋實，孫春意，赫國勝，劉 陽

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室，臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，276005，山東臨沂；2.湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，210008，南京)

底泥-水界面是江河湖庫中最重要的環(huán)境界面之一，風(fēng)浪、湖流等水動力作用下底泥會發(fā)生再懸浮和沉降等過程，進而引起一系列環(huán)境效應(yīng)[1-2]。南四湖地處山東省西南部，平均水深1.46 m，是南水北調(diào)東線工程重要的輸水通道和京杭大運河重要的航運路段，其底泥-水界面受到風(fēng)浪和船只的擾動頻繁，在此開展風(fēng)浪等動力擾動下底泥再懸浮和沉降過程模擬研究，對區(qū)域水土保持與環(huán)境保育具有重要意義。目前關(guān)于風(fēng)浪條件下湖庫底泥再懸浮的研究方法主要有現(xiàn)場觀測[3]和室內(nèi)模擬2種，現(xiàn)場觀測可獲取實時數(shù)據(jù)，但受限于風(fēng)情等不可控因素，難以推廣；室內(nèi)模擬主要有振蕩法[2]、波浪水槽法[4]、環(huán)行槽法[5]和Y型再懸浮發(fā)生裝置法[6]等，振蕩、波浪水槽和環(huán)行槽法均采用機械方法產(chǎn)生上覆水的定向流動使底泥發(fā)生懸浮，條件易于控制，但存在底泥的原狀性受到一定程度的破壞和較淺的上覆水與湖泊實際情況差異較大等問題，Y型再懸浮發(fā)生裝置法用電動可調(diào)傳動裝置斜向和垂向?qū)Φ啄嘟缑婧退a(chǎn)生動力擾動作用，模擬水深1.6 m，能較好的克服底泥原狀破壞和模擬水深較淺問題，是目前較為適用的淺水水體底泥再懸浮模擬方法[6]。筆者利用Y型底泥再懸浮裝置，選取南四湖中污染最為嚴重的南陽湖區(qū)為代表，對其在常見風(fēng)情條件下底泥的再懸浮和沉降過程進行模擬，分析不同風(fēng)浪條件下夏冬季節(jié)底泥懸浮顆粒物在水體中的分布特征，并估算風(fēng)浪對表層底泥的物理侵蝕深度，為南四湖流域的水土保持和水環(huán)境保護提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 風(fēng)速數(shù)據(jù)獲取與特征分析

在南陽湖區(qū)東湖站(E 116°35′04″，N 35°19′38″)設(shè)立全自動風(fēng)速測定儀(MODAS)(圖1)。選用2012年10月1日至2013年9月31日每10 min 1次的風(fēng)速自動記錄結(jié)果進行統(tǒng)計，儀器記錄到的全年最大風(fēng)速為9.1 m/s，平均風(fēng)速為2.1 m/s，0～1.0 m/s低風(fēng)速占比較大，約占全年風(fēng)速出現(xiàn)頻率的38.9%，6 m/s以上大風(fēng)速相對較少，僅占全年的2.4%。

圖1 南陽湖東湖站和采樣點位置Fig.1 Locations of Donghu station and sampling points in Nanyang lake

將累積頻率95%以上的風(fēng)速作為大風(fēng)速過程，累積頻率<95%的風(fēng)速平均3等分，對落入每等份頻率的風(fēng)速進行累積加權(quán)統(tǒng)計，分別記為背景風(fēng)速、小風(fēng)速和中風(fēng)速(表1)。

表1 南陽湖全年(2012年10月—2013年9月)各頻率段風(fēng)速累計加權(quán)均值統(tǒng)計Tab.1 Cumulative weighted mean statistics of wind speeds in differen frequency bands (from October 2012 to September 2013) of Nanyang lake

南陽湖區(qū)背景風(fēng)和小風(fēng)居多，歷時很長，難以進行準確統(tǒng)計，風(fēng)速在3.0～3.5 m/s的中風(fēng)過程全年平均歷時約150 min，風(fēng)速在6.0～6.5 m/s的大風(fēng)過程平均歷時約120 min。不同風(fēng)速的起落時長也有差別，其過程并非簡單的單調(diào)增加或減小，背景風(fēng)和小風(fēng)的起風(fēng)落風(fēng)過程可在10 min內(nèi)完成，中風(fēng)和大風(fēng)過程相對復(fù)雜，起風(fēng)落風(fēng)一般在3 h左右完成，大中風(fēng)的起風(fēng)落風(fēng)過程大致呈對稱分布。

1.2 模擬實驗條件的確定

Y型旋漿式底泥再懸浮發(fā)生裝置由Y型聚乙烯管、側(cè)位攪拌電機、上部擾動電機和調(diào)頻電機等主件組成[7]。原狀底泥緩慢移入Y型管并注入現(xiàn)場采集的上覆水，柱狀底泥和上覆水柱長度分別為20和160 cm(圖2)。

圖2 原位柱狀底泥采集及Y型再懸浮裝置擾動實驗Fig.2 Intact columnar sediment collecting and Y-shape apparatus disturbance experiment

根據(jù)尤本勝[8]對模擬水柱再懸浮顆粒物垂向分布的研究結(jié)果，確定小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)模擬時的電機擾動頻率。依照南陽湖區(qū)不同風(fēng)速所呈現(xiàn)的歷時規(guī)律，確定各典型風(fēng)速時長均為3 h，完整的模擬過程包括起風(fēng)、再懸浮、落風(fēng)和沉降4個階段，時長分別為1、3、1和19 h，共24 h。

1.3 樣品采集與實驗

2014年8月(夏季)和2015年2月(冬季)分別在南陽湖區(qū)湖心(E 116°39′50.9″，N 35°9′26.7″)和泗河河口位置(E 116°39′51.1″，N 35°13′11.0″)采集原位柱狀樣(泥深≥20 cm)(圖1和圖2)，每個樣點采集柱狀底泥12根(3根對照、9根分別用于小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動模擬)，上部用原點位湖水注滿后2端橡膠塞塞緊，垂直放置；另外，在采樣點采集原位湖水，作為實驗過程中上覆水；同時現(xiàn)場采集柱狀樣，按間隔5 cm進行切樣，用于含水率和粒度測定[9]。所有泥樣及水樣于48 h內(nèi)運回實驗室，低溫4 ℃保存。

實驗室內(nèi)將柱狀底泥(高20 cm)慢慢移入Y型再懸浮發(fā)生裝置，每實驗組設(shè)3次平行，分別于2、4、6、10和24 h在距離底泥-水界面5、15、30、55、105和135 cm處采集水樣50 mL，過濾重量法[10]測定懸浮物(suspended solid，SS)質(zhì)量濃度。

1.4 水柱中總懸浮物增量計算

一定時間內(nèi)單位面積水柱中懸浮物增量可通過下式進行計算[10]：

FSS,t=TSS,t-TSS,0。

式中：FSS,t為風(fēng)浪過程中t時刻懸浮物增量，g/m2；TSS,t為風(fēng)浪過程中t時刻水柱總懸浮物量g/m2；TSS,0為風(fēng)浪起始時水柱總懸浮物量，g/m2。其中：

TSS=∑cSS,i×Δhi。

式中：TSS為水柱總懸浮物量，g/m2；cSS,i為第i水層懸浮物質(zhì)量濃度，mg/L；Δhi為第i水層厚度，m。筆者在距離泥-水界面1.55、1.05、0.55、0.30、0.15和0.05 m處采集水樣，測定懸浮物質(zhì)量濃度(cSS)，代表的水層厚度分別為0.40、0.50、0.30、0.20、0.10和0.10 m，共1.60 m。

1.5 風(fēng)浪對底泥最大侵蝕深度的估算

水柱中的懸浮物來自同一底面上的表層底泥，因此風(fēng)浪對底泥的侵蝕深度可通過對水柱中顆粒物總量的堆積密度計算獲得[10]：

L=M×10-3/(ρ(1-γ))。

式中：L為侵蝕深度，mm；M為最大懸浮量，g/m2；γ為表層底泥含水率，%；ρ為濕密度，g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季南陽湖底泥再懸浮和沉降過程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動態(tài)變化

如圖3所示，冬季南陽湖湖心和河口水體懸浮物質(zhì)量濃度均有隨風(fēng)浪擾動強度增加而增加的趨勢，其增量對風(fēng)浪強度有明顯依賴關(guān)系。湖心區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始的30.6、44.2和44.0 mg/L增大到147.6、640.8和898.7 mg/L，大風(fēng)擾動下懸浮物平均質(zhì)量濃度是中風(fēng)擾動下的1.4倍，是小風(fēng)擾動下的6.1倍；河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始20.3、17.2和19.5 mg/L增大到86.1、175.8和695.7 mg/L，大風(fēng)擾動下懸浮物平均質(zhì)量濃度是中風(fēng)擾動下的3.9倍，是小風(fēng)擾動下的8.1倍，這種倍數(shù)的顯著差異與河口區(qū)和湖心區(qū)表層底泥粒度的差異相一致，河口區(qū)底泥粒度中值粒徑為18.13～263.37 μm，維持在中粉砂至細砂水平，湖心區(qū)中值粒徑為6.47～28.89 μm，維持在極細粉砂至中粉砂水平。風(fēng)浪擾動停止后，水柱中懸浮物質(zhì)量濃度快速下降，沉降20 h后，湖心區(qū)和河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別下降至40.1、65.2、61.7和29.5、62.2、89.1 mg/L，沉降20 h，3種風(fēng)速對底泥再懸浮的影響已基本結(jié)束。

圖3 風(fēng)浪擾動下冬季南陽湖底泥再懸浮和沉降過程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of SS (suspended solid)concentration in water column during sediment resuspension and settlement process in winter under different winds and waves disturbance in Nanyang lake

2.2 夏季南陽湖底泥再懸浮和沉降過程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動態(tài)變化

如圖4所示，湖心區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始12、19.5和19.8 mg/L增大到164.7、373.3和2 209.3 mg/L；河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動4 h后，水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別由初始16.1、16.5和29.4 mg/L增大到127.1、294.3和1 170.8 mg/L。風(fēng)浪擾動停止后，水柱中懸浮物質(zhì)量濃度快速下降，沉降20 h后，湖心區(qū)和河口區(qū)，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下水柱中懸浮物平均質(zhì)量濃度分別下降至22.5、37.2、78.5和18.5、34.2、66.1 mg/L。

圖4 風(fēng)浪擾動下夏季南陽湖底泥再懸浮和沉降過程水柱中懸浮物質(zhì)量濃度動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of SS concentration in water column during sediment resuspension and settlement process in summer under winds and waves disturbance in Nanyang lake

2.3 夏季和冬季不同風(fēng)浪強度下南陽湖底泥再懸浮量的變化

如圖5所示，小風(fēng)浪和中風(fēng)浪擾動作用下，底泥再懸浮過程穩(wěn)定時間相對較短，第2 h的懸浮物增量與第4 h的懸浮物增量差別較小，小風(fēng)和中風(fēng)作用2 h后，隨時間的延長未導(dǎo)致更多的底泥發(fā)生懸浮。大風(fēng)較中小風(fēng)能導(dǎo)致更多的底泥懸浮，穩(wěn)定時間也相對較長，第2 h和第4 h懸浮物增量差別在200 g/m2以上，因此，隨風(fēng)浪強度的增加，TSS平衡所用時間相對延長。在風(fēng)速停止后的自然沉降過程(4～24 h)中，水柱中懸浮物量隨之降低，小風(fēng)時降低不明顯，小的水動力作用僅使較小顆粒發(fā)生懸浮，較小懸浮物的沉降相對于風(fēng)速變化存在明顯滯后效應(yīng)，該現(xiàn)象在野外觀測中亦有發(fā)現(xiàn)[3]。在沉降階段的最初6 h，3種風(fēng)速下的懸浮物量均出現(xiàn)較大幅度下降，下降速率>85%，風(fēng)浪過后的最初6 h是水體透明度恢復(fù)極為重要的階段，沉降20 h后，水柱中懸浮物濃度與風(fēng)浪前的初始濃度趨于一致。

圖5 南陽湖底泥再懸浮量對風(fēng)浪過程的響應(yīng)Fig.5 Response of sediment resuspension increment to wind and wave process in Nanyang lake

湖心區(qū)，夏季和冬季大風(fēng)下懸浮物最大增量為3 203和1 290 g/m2，分別是中風(fēng)的5.7和1.37倍，是小風(fēng)的11.9和6倍。河口區(qū)，夏季和冬季大風(fēng)下懸浮物最大增量分別為1 695和998 g/m2，分別是中風(fēng)的4.0和6.9倍，是小風(fēng)的9.8和10.1倍。風(fēng)浪擾動下湖心區(qū)和河口區(qū)懸浮物增量存在較大差異，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下，夏季和冬季湖心區(qū)最大懸浮物增量分別比河口區(qū)高35.8%、25.0%、47.1%和54.2%、74.1%、22.7%，這種差異與河口表層底泥(0～20 cm)顆粒尺寸相對較大有關(guān)。底泥粒度分布蘊含著水動力強弱信息，河口區(qū)與湖心區(qū)粒度分布的不同反映出2個區(qū)域水動力作用存在強烈差異，進而對底泥再懸浮和沉降過程產(chǎn)生影響。

南陽湖底泥再懸浮規(guī)律在冬季和夏季差異顯著，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)下均表現(xiàn)為冬季再懸浮量較小，夏季再懸浮量較大的特征。湖心區(qū)和河口區(qū)在冬季大風(fēng)下最大懸浮物增量分別為1 290和998 g/m2，而夏季大風(fēng)下最大懸浮物增量則高達 3 203 和1 290 g/m2，大風(fēng)下夏季比冬季的最大懸浮物增量高62.2%和22.6%。水生植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)者，在固定底泥、防止底泥再懸浮、凈化水質(zhì)、改善水體氧化還原狀況等方面具有重要的作用[11]。南陽湖在冬季整個湖面長有大量菹草，模擬研究出現(xiàn)的再懸浮量季節(jié)性差異與菹草的固著能力有著極其密切的關(guān)系。You等[12]在太湖的研究也發(fā)現(xiàn)，無水生植被的梅梁灣底泥相對于有水生植被覆蓋的漫山湖更易發(fā)生再懸浮。風(fēng)浪作用下，南陽湖冬季菹草的消浪作用和根系對提高底泥的穩(wěn)定性和抗剪強度發(fā)揮重要優(yōu)勢，很大程度上減弱底泥的再懸浮能力。

2.4 風(fēng)浪作用下南陽湖底泥侵蝕深度估算

不同風(fēng)浪擾動下南陽湖底泥侵蝕深度如表2所示，不同風(fēng)浪擾動下表層底泥侵蝕深度在0.09～13.73 mm之間，除夏季大風(fēng)浪擾動下湖心區(qū)底泥侵蝕深度為厘米量級外，其他均屬于毫米量級，與胡春華等[3]在太湖長兜港和太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站等地的原位觀測計算結(jié)果(0.41～3.83 mm)較為接近。定量研究可以確定：在南陽湖區(qū)，除風(fēng)涌水和反射波等作用因素外，常規(guī)風(fēng)情條件下，很難出現(xiàn)分米級甚至厘米級表層底泥的侵蝕。

表2 不同風(fēng)浪擾動條件下南陽湖底泥侵蝕深度估算Tab.2 Estimation of erosion depth under different winds and waves disturbance in Nanyang lake

3 結(jié)論

1)隨風(fēng)浪擾動強度的增大，南陽湖區(qū)底泥再懸浮量也隨之增大，但在小風(fēng)浪和中風(fēng)浪時，底泥再懸浮過程穩(wěn)定時間較短，2 h內(nèi)懸浮物質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，大風(fēng)浪條件下，再懸浮穩(wěn)定時間相對延長，4 h再懸浮模擬過程中，懸浮物質(zhì)量濃度一直處于增加狀態(tài)；沉降階段，最初6 h內(nèi)，不同風(fēng)速下懸浮物量下降85%以上，風(fēng)浪過后的最初6 h是水體透明度恢復(fù)極為重要的階段，沉降20 h后，水柱中懸浮物質(zhì)量濃度與風(fēng)浪前的初始濃度趨于一致。

2)冬季和夏季南陽湖區(qū)底泥再懸浮規(guī)律空間差異顯著，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)擾動條件下，夏季和冬季湖心區(qū)最大懸浮物增量分別比河口區(qū)高35.8%、25.0%、47.1%和54.2%、74.1%、22.7%，這與河口區(qū)表層底泥顆粒尺寸較大有關(guān)；南陽湖區(qū)底泥再懸浮規(guī)律在冬季和夏季亦差異顯著，大風(fēng)作用下湖心區(qū)和河口區(qū)夏季比冬季的最大懸浮物增量分別高62.2%和22.6%，這與南陽湖區(qū)在冬季整個湖面被大量菹草覆蓋有關(guān)，菹草在很大程度上減弱底泥的再懸浮能力。

3)南陽湖區(qū)在不同風(fēng)浪擾動條件下表層底泥侵蝕深度在0.09～13.73 mm之間，除夏季大風(fēng)浪擾動下湖心區(qū)底泥侵蝕深度為厘米量級外，其他均屬于毫米量級，常規(guī)風(fēng)情條件下，南陽湖區(qū)很難出現(xiàn)分米級甚至厘米級表層底泥的侵蝕。