沉積物再懸浮測量方法綜述

謝倩雯，李一平，孔 文

(1.河海大學環(huán)境學院,江蘇南京 210098；2.深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心,廣東深圳 518040；3.南京智慧新城工程管理有限公司,江蘇南京 210012)

沉積物再懸浮測量方法綜述

謝倩雯1，2，李一平1，孔 文3

(1.河海大學環(huán)境學院,江蘇南京 210098；2.深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心,廣東深圳 518040；3.南京智慧新城工程管理有限公司,江蘇南京 210012)

為了研究沉積物侵蝕、再懸浮、運輸?shù)纫幌盗行袨闄C制,從實驗室裝置模擬法、室外原位裝置測量和野外直接測量3個方面總結(jié)了沉積物再懸浮測量方法。將沉積物再懸浮測量裝置分為循環(huán)水槽、直流水槽及其他儀器,描述了各類裝置的基本工作原理、優(yōu)缺點及適用環(huán)境,并對不同裝置的測量結(jié)果進行對比。基于現(xiàn)有的技術(shù)和方法,主要是通過測量底床侵蝕剪切力和懸浮物濃度變化來定量分析沉積物再懸浮現(xiàn)象,剪切力施加方式、測試時間及儀器大小等因素的不同造成了各類裝置測量結(jié)果的差異性。

沉積物；再懸浮；侵蝕閾值；剪切應(yīng)力；測量方法

沉積物再懸浮是湖泊、河口、近海等環(huán)境中普遍存在的一種現(xiàn)象[1]。沉積物再懸浮影響湖泊營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán),是大型淺水湖泊富營養(yǎng)化的內(nèi)源[2],且黏性沉積物有吸附有機污染物和重金屬的能力[3],一旦遇到洪水和風暴,將發(fā)生大規(guī)模再懸浮,從而影響水生生態(tài)系統(tǒng)健康,降低水體透明度,窒息底棲生物群落[4],懸浮物所吸附的污染物也將釋放到水體中去[3]。此外,沉積物侵蝕、再懸浮、輸移、沉降等一系列動力學行為對水利工程應(yīng)用來說也是十分重要的,其影響航道和岸線的穩(wěn)定性[5]。黏性沉積物包括細顆粒粉砂和直徑小于0.075mm的黏土碎屑,非黏性沉積物主要由直徑介于0.075～0.5mm之間的細砂組成[6]。湖泊、河岸、河口潮間帶等環(huán)境中的沉積物大都是細砂、淤泥和黏土的混合物。Lam等[7]指出水流速度達到2～3 cm/s就足以使土黏和粉砂顆粒再懸浮,而要使沙再懸浮,水流速度需達到20 cm/s。由此可見,黏性沉積物是很容易發(fā)生再懸浮的,并以懸移質(zhì)形式進行輸移,而粗砂和礫石(直徑大于0.5mm)通常情況下是呈推移質(zhì)形式運動的。

非黏性沉積物的侵蝕阻力主要是重力沉降,而黏性底床的侵蝕阻力是由粒子間吸引力、聚合物摩擦力和電化學阻力共同決定的,而這些又隨黏性沉積物性質(zhì)和水流條件等變化[8]。決定黏性沉積物再懸浮的兩個因素是:①黏性顆粒之間的凝結(jié)強度；①水流所施加的剪切力。當水流產(chǎn)生的剪切力超過沉積底床凝結(jié)強度時,沉積物開始脫離底床,水流變得渾濁,這標志著侵蝕的開始[9]。黏性底床的侵蝕過程通常被劃分成兩種侵蝕類型[10]。類型Ⅰ是深度受限侵蝕,由于底床剪切強度在垂向上存在一個很大的梯度,當達到某個侵蝕深度時,底床剪切強度與水流剪切力相平衡,則侵蝕停止。類型Ⅱ是恒定侵蝕,其特點是勻質(zhì)底床剪切強度不隨沉積物深度的變化而改變,這種情況下的侵蝕速率是恒定的[10]。相對于非黏性沉積物而言,黏性沉積物侵蝕、懸浮、運輸?shù)纫幌盗行袨闄C制要復(fù)雜得多,相關(guān)的物理、化學、生物進程都還尚未完全了解。目前,研究者們主要通過實驗室研究和現(xiàn)場原位測量來了解沉積物再懸浮機制,研究者們根據(jù)不同的研究目的以及水動力情況,設(shè)計出了許多形狀各異、大小不一的再懸浮測量裝置,它們有著各自的適用環(huán)境、優(yōu)勢與弊端,如今正缺少對這些測量裝置及方法的歸納與總結(jié)。筆者回顧了沉積物再懸浮測量技術(shù)的發(fā)展,描述了各種裝置的基本工作原理、優(yōu)缺點及適用范圍,為研究沉積物再懸浮實驗裝置和方法的選擇提供借鑒和參考。

1 實驗室裝置模擬法

對沉積物侵蝕性能及再懸浮機制的了解主要是基于實驗室研究,實驗室研究可以控制水動力條件及沉積物性質(zhì)相關(guān)參數(shù),比如沉積物顆粒大小、容積密度、水含量等。然而,自然黏性沉積物組成復(fù)雜,經(jīng)人工處理的沉積物樣品無法反映出自然環(huán)境中沉積物的物理、化學和生物特性[5,10]。即使是從現(xiàn)場采集原狀泥樣,在采樣和運輸過程中也可能遭受擾動而使樣品性能發(fā)生顯著改變[11]。

1.1 小型水流擾動模擬裝置

小型沉積物再懸浮模擬裝置通常是在燒杯、錐形瓶等容器內(nèi)裝入一定量的沉積物和水樣,通過攪拌或振蕩產(chǎn)生擾動,模擬沉積物侵蝕的發(fā)生。如顆粒起動模擬器(PES)[12]是通過振蕩網(wǎng)格的來回運動生成湍流,對沉積物進行擾動。但PES不能直接得到侵蝕剪切力的大小,需要通過環(huán)形水槽校準實驗來建立振蕩頻率與剪切力之間的關(guān)系[13]。范成新等[14]用振蕩三角瓶法,結(jié)合太湖現(xiàn)場風力觀測數(shù)據(jù),以振蕩頻率模擬了不同風速對沉積物擾動產(chǎn)生的懸浮物量。該方法操作方便,但體系過小導(dǎo)致懸浮物濃度增長受限,與實際情況有差異。Y型旋槳式沉積物再懸浮發(fā)生裝置[15]從斜向和垂向同時對底泥表面和水柱產(chǎn)生擾動,能夠減低懸浮物與器壁碰撞幾率,裝置外壁不同高度處的取樣口可以測定懸浮物濃度垂向分布?？傮w來說,小型模擬裝置結(jié)構(gòu)簡單,可用于定性描述沉積物再懸浮現(xiàn)象,但封閉系統(tǒng)中湍流產(chǎn)生的渦流與自然水流條件下觀察到的渦流大小沒有可比性。

1.2 循環(huán)水流擾動模擬水槽

循環(huán)水槽是一個封閉系統(tǒng),當沉積物開始發(fā)生侵蝕時,水槽中的懸浮物濃度逐漸變大直至飽和。水槽上覆水的高度一般較小,這使得懸浮物濃度遠遠超過自然水體情況。水體中的高懸浮物濃度可能會改變水流特性,有研究表明懸浮物濃度在200～2400mg/L時,環(huán)形水槽內(nèi)的湍流強度下降了將近30%[16],這將導(dǎo)致不良的絮凝和沉淀現(xiàn)象發(fā)生。循環(huán)水槽通常是由一組平行墻組成,有環(huán)形和跑道形兩種外部形態(tài)。環(huán)形水槽通常由兩個直徑不同的同心圓環(huán)組成,通過不同的機械方法在沉積物表面形成侵蝕水流,如由旋轉(zhuǎn)蓋來推動水流產(chǎn)生剪切力[17],還有通過旋轉(zhuǎn)蓋和其下方連接的4個等距槳來推動水流[18],或者直接由旋槳生成水流[19]。環(huán)形水槽的優(yōu)點在于其“無限”的水流長度生成了充分發(fā)展的邊界層,因此底床剪切力可通過測量流速分布利用對數(shù)法則計算得到[20]。然而,剪切力在徑向上的分布是不一致的,水槽的橫截面上產(chǎn)生二次流[21],有研究表明可以通過反向旋轉(zhuǎn)水槽外墻來最小化二次流的影響[22]。比如由覆蓋水面的環(huán)形圈和環(huán)形水槽同時往相反的方向旋轉(zhuǎn)形成均勻的剪切湍流[23],還有河海大學的雙向環(huán)形水槽[24-25]通過上部環(huán)形盤片和下部基座底盤做相向運動產(chǎn)生水流,還能通過調(diào)節(jié)上盤高度來控制水深。與環(huán)形水槽不同的是,跑道形循環(huán)水槽有一個相對長直的侵蝕測試區(qū)域,兩端由彎曲段連接而成,因此二次流的影響較小[26],通常要在彎曲段布置平行導(dǎo)流墻來減小二次流的影響。水流驅(qū)動裝置布置在水槽長直段,有通過泵產(chǎn)生動力的[27],也有通過電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)盤推動水流的[26],因此,懸浮絮體可能會被水流驅(qū)動裝置破壞。

1.3 直型水流擾動模擬水槽

上述循環(huán)水槽主要限制是水流施加剪切力小于1Pa,只有沉積物表層幾毫米發(fā)生侵蝕[28]。這只能代表一般情況下的沉積物再懸浮,卻無法模擬由洪水和風暴引起的大規(guī)模再懸浮現(xiàn)象。而SED水槽[28-29]能在高剪切力情況下測量隨沉積物深度變化的侵蝕過程,施加剪切力最高可達10Pa。SED水槽實質(zhì)為封閉的直流水槽,水槽底部可插入含有沉積物的取芯管,取芯管底部活塞推動沉積物向上移動,保證沉積物——水界面與水槽底部水平。然而,水槽底部與沉積物取芯管之間邊界糙率的突變影響了計算的精確性[30]。SED水槽通過調(diào)節(jié)泵不斷增大水流速度,測得發(fā)生初始侵蝕時對應(yīng)的臨界剪切力,侵蝕速率則是剪切力和沉積物深度的函數(shù)[31]。目前大部分水槽都只測量懸移質(zhì),忽略推移質(zhì),而ASSET水槽[30,32],除了包含SED水槽的所有性能,還增添了一個推移質(zhì)捕獲器,即能夠測定侵蝕發(fā)生后推移質(zhì)組分的比例。SED水槽和ASSET水槽在實驗開始時都存在不確定性,因為水槽從空始狀態(tài)到充滿水流的過程對沉積物表面1～2mm施加的侵蝕剪切力很難準確獲得。此外,還有底部非水平的直流水槽,如傾斜直槽[33]的底坡變化范圍為0.002417～0.01,能夠更加真實地模擬河道水流情況。另外,Mark[34]除了利用傾斜金屬架來調(diào)節(jié)水槽坡度以外,還在水槽底部和側(cè)面分別插入一個沉積物取芯管來同時模擬河道底泥和河岸邊坡的侵蝕,相比SED水槽,能更加全面的模擬河道沉積物再懸浮現(xiàn)象。

1.4 波浪擾動模擬水槽

上述循環(huán)水槽和直流水槽只是測量單向流引起的沉積物再懸浮,而在河口、近海環(huán)境,振蕩波才是侵蝕主動力[35]。因此,在SED水槽的基礎(chǔ)上發(fā)展了單向流與振蕩波共同作用的SEAWOLF水槽[35-36]。其中單向流由兩個儲水池的水頭差控制,能產(chǎn)生0.1～3 Pa剪切力,振蕩波由水槽一端的活塞運動產(chǎn)生,剪切力范圍為0.1～10 Pa,疊加后最高可產(chǎn)生12 Pa剪切力。SEAWOLF水槽能夠模擬振蕩波主導(dǎo)的侵蝕過程,實驗證明在瞬時流速相同的情況下,振蕩波產(chǎn)生的剪切力遠遠大于單向流產(chǎn)生的剪切力。像太湖這種大型淺水湖泊,沉積物再懸浮的主要動力來自于波浪和湖流的共同作用,尤其是在風速比較大的情況下,波浪對沉積物的擾動作用占主導(dǎo)地位[37]。孫小靜等[38]利用波浪水槽模擬了不同波高情況下太湖底泥的懸浮情況,并計算了波高與表層底泥切應(yīng)力以及風速之間的對應(yīng)關(guān)系,水槽實驗結(jié)果與野外觀測結(jié)果一致,說明能夠反映太湖的實際情況。Zheng等[39]指出波浪作用包括水平周期性剪切力和垂向壓力,研究發(fā)現(xiàn)臨界剪切力隨波浪周期數(shù)增大而減小,周期數(shù)大的波流更具破壞性。

2 室外原位裝置測量法

自然黏性沉積物組成復(fù)雜且容易破碎[40]。Tolhurst等[41]研究表明,在實驗室和原位測得侵蝕閾值存在數(shù)量級上的差異,因為原狀沉積物在采樣和運輸過程中會受到擾動,這使得實驗室數(shù)據(jù)的可靠性受到限制,因此更好的方法便是在未經(jīng)擾動的沉積物底床上進行原位測量。研究者們根據(jù)具體需求研制了各種各樣的便攜原位測量裝置,這包括剪切板、持續(xù)垂直射流裝置、攪拌裝置和不同形態(tài)的水槽,部分原位裝置總結(jié)如表1所示。

2.1 循環(huán)原位水槽

室外原位環(huán)形水槽是對實驗室環(huán)形水槽進行修正得到的,因此結(jié)構(gòu)類似,通常由兩個不同直徑的同心圓環(huán)組成,區(qū)別在于原位環(huán)形水槽的底部開放,可直接插入沉積物中。原位環(huán)形水槽可通過攪拌盤推動水流[64],或者利用旋槳驅(qū)動水流[51],還有旋轉(zhuǎn)蓋連接旋槳共同作用產(chǎn)生剪切力[42-43],通常利用ADV測得流速分布,OBS獲得懸浮物濃度,從而計算得出侵蝕剪切力和侵蝕速率。Tolhurst等[65]在不同裝置的對比研究中發(fā)現(xiàn)隨著儀器覆蓋底床面積的減小,侵蝕閾值增大。因為水槽覆蓋面積的不同使得水槽包含的沉積物范圍不同,而沉積物性質(zhì)在空間上存在差異性,大型儀器將包含更多的性質(zhì)不同的沉積物,從而造成不同尺寸的儀器在侵蝕閾值大小上存在差異。然而,Widdows等[66]在對不同尺寸的環(huán)形水槽比較中發(fā)現(xiàn)侵蝕閾值有較好一致性,而侵蝕速率則變化較大,這可能跟測試時間有關(guān),大型水槽如Sea Carousel[42-43]平均測試時間為0.5～1 h,而微型便攜式環(huán)形水槽[50]只要幾分鐘。Widdows等[66]并沒有發(fā)現(xiàn)水槽大小和侵蝕閾值之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系,其中PML’s AF[49]水槽外徑64 cm,與沉積物底床接觸面積0.17m2,是PML’s MAF微型水槽[50]的6.5倍。Tolhurst等[40]指出只有當儀器占地面積小于沉積物空間異質(zhì)性范圍時才能檢測到沉積物空間異質(zhì)性。

2.2 直流原位水槽

直流原位水槽通常設(shè)計成一個底部開放的順直通道,是一個開放的系統(tǒng),懸浮物可以隨水流夾帶出水槽。因此,懸浮物濃度的分布通常是在施加剪切力之后立刻變大,再隨著時間減小。大部分直槽由收縮進口段、直線侵蝕段和固定床部分組成,用于水下操作時上蓋封閉。典型直槽如NIWA水槽[4,57],其進口段和侵蝕段底部開放,固定床部分有固定底部以防止螺旋槳對底泥侵蝕,最小操作水深大約為0.4m,適用于各種河流和海洋環(huán)境,可在水下操作。NIWAⅡ水槽[58]增加了超聲波測距系統(tǒng),該系統(tǒng)包含7個獨立的聲學傳感器,可直接測量水槽內(nèi)床底高程。此外,NIWAⅡ水槽還考慮了侵蝕發(fā)生后的推移質(zhì)組分,通過直接測量床面高程獲得侵蝕速率,再由OBS測得懸浮物濃度獲得再懸浮速率,利用質(zhì)量守恒方程得出推移質(zhì)所占比例。一般認為二次流的影響在直槽中最小,但同時直槽的缺點在于侵蝕區(qū)域水流邊界層沒有得到充分發(fā)展,導(dǎo)致用對數(shù)法則評估底床剪切力時存在不確定性[57]。Ravens水槽[56]為解決侵蝕區(qū)水流邊界沒有充分發(fā)展的問題,將進口前段底部封閉并增加橫欄以確保水流在到達侵蝕區(qū)之前充分發(fā)展。Ravens水槽由泵推動水流,應(yīng)用剪切力范圍為0～3Pa,適用于淺灣環(huán)境,可水下操作,但是侵蝕深度受限,只能精確測量到3～4 cm。

表1 原位測量裝置

2.3 其他原位監(jiān)測設(shè)備

以上所述環(huán)形水槽和直流水槽都是利用水平流對沉積物表明產(chǎn)生侵蝕剪切力,還有一些設(shè)備是通過其他方式使沉積物發(fā)生再懸浮的,如垂直射流[1]、湍流[3,61]、剪切板[62,67]等。CSM[1,68]是利用垂直射流產(chǎn)生侵蝕剪切力,校準后的等價水平應(yīng)力范圍為0.2～9.05 Pa,適用于不同類型的潮間帶泥灘和沼澤地,但不能水下操作。大型水槽因其較大的接觸面積和較長的測試時間而無法反應(yīng)沉積物的空間異質(zhì)性,而CSM因其0.000 7m2的接觸面積和5min的測試時間,是目前唯一能夠小規(guī)模檢測沉積物時空異質(zhì)性的儀器。但CSM的侵蝕水流形態(tài)與自然水流結(jié)構(gòu)相比,缺乏相似性,通常會產(chǎn)生一個比自然流更大的剪切力,但這可以表示紊動湍流的突然涌入所觸發(fā)的沉積物再懸浮。EROMES[61]是通過螺旋槳產(chǎn)生擾動,模擬自然紊流條件下的侵蝕裝置,裝置內(nèi)壁均勻分布的6塊導(dǎo)流板抑制渦流形成,主要產(chǎn)生垂直湍流。ISEF[59]是垂直站立的環(huán)形水槽,比傳統(tǒng)環(huán)形水槽輕巧,易于攜帶。ISEF水槽由上部的螺旋槳來驅(qū)動水流,對下部的沉積物形成單向流侵蝕,同時測量流速和懸浮物濃度,當懸浮物濃度保持穩(wěn)定后(即沉積物不再被侵蝕),此時剪切力大小等價于沉積物侵蝕阻力。ISIS[60]是將一個鐘形頭部放置在圓柱形容器內(nèi),水流通過擴散器成放射狀流下,再由泵將水從漏斗中心抽走,如此形成循環(huán),可對整個沉積物表面產(chǎn)生0.02～5 Pa均勻的剪切力。但若泵汲水過于強烈,可能導(dǎo)致漏斗中心形成漩渦,從而使得沉積物表面剪切力分布不均。Widdows等[66]在不同裝置的對比研究中發(fā)現(xiàn)侵蝕閾值的差異性主要源于不同的剪切力施加方式,而這些不同方式的測量裝置都需要通過實驗校準才能獲得真正的侵蝕剪切力。

3 野外直接測量懸浮物濃度法

沉積物再懸浮濃度可以通過光學、聲學儀器直接測量,目前使用較多的有紅外傳感器、光學后向散射濁度計(OBS)和聲學多普勒流速儀(ADV)等。光學儀器的基本原理是測量光束在水中的吸收(衰減)或者散射[69],從而得到懸浮物濃度在時間和空間上的變化。水體上層夾帶的懸浮物顆粒要比接近底部的少,因此水體懸浮物濃度隨到底部的距離增大而減小的規(guī)律提供了一個很好的測量再懸浮強度的方法[69]。紅外傳感器通過測量底部相對高程,從而計算出沉積物再懸浮量,但是,由于紅外光在水中吸收非常迅速,因此紅外傳感器只能用于近岸或者幾米深的淺水區(qū)[70]。此外,光學儀器還會受到濁度的影響,比如光電檢測器在低濁度時顯示與懸浮物濃度呈線性關(guān)系,但一旦超過某值后就呈現(xiàn)非線性關(guān)系[57],這導(dǎo)致無法準確估計懸浮物濃度的增長。相比之下,OBS則具有更大的適用范圍,在懸浮物濃度5g/L范圍內(nèi)都能保持良好的線性關(guān)系。隨后,激光和電子全息影像也開始用于沉積物再懸浮測量,它提供了一個可視化工具來量化沉積物侵蝕過程,可以追蹤單獨的顆?；蛐躞w從底床被侵蝕到水體中去的全過程[71]。如SETEG系統(tǒng)[72]是在SED水槽的基礎(chǔ)上通過CCD攝像機連續(xù)的快照,依靠計算機分析某一時段內(nèi)沉積物體積損失量,從而得出侵蝕速率；Bertrand[73]在河岸布置光電探針測量河流侵蝕；Notebaert等[74]用激光雷達成像技術(shù)研究了河道形態(tài)變化并評估河岸總體侵蝕量。該技術(shù)可用于評估整個湖泊或河流的再懸浮過程,不再局限于某個具體位置,可是由于其較高的技術(shù)要求和相對高昂的費用,并未得到廣泛應(yīng)用。

聲學儀器的基本原理是通過回聲探測和顆粒物反向散射獲取信息,從而以獲取底床剪切力[69]。目前應(yīng)用最廣泛的為ADV,能夠接近沉積物表面進行三維流速測量,提供較高的時空分辨率[75]?；诤愣☉?yīng)力層的假設(shè),利用ADV測量流速,通過以下4種計算方法可估計底床切應(yīng)力[76]:①協(xié)方差；①湍流動能；③流速對數(shù)分布規(guī)律；④能量耗散。如Andersen等[77]基于流速剖面符合對數(shù)分布及粗糙紊流邊界層的假設(shè),利用ADV測量流速計算得出河口潮汐流作用下的泥灘侵蝕閾值。流速對數(shù)分布規(guī)律應(yīng)用廣泛,尤其在實驗室水槽試驗,適用于光滑沉積物；然而,湍流動能方法被認為是最穩(wěn)定的,在不同高度處表現(xiàn)出最小的變異性,只需測量固定單點的流速就能夠記錄一系列紊流觸發(fā)現(xiàn)象[75]。還有ADCP(聲學多普勒流速剖面儀)廣泛用于不同河口地區(qū)來檢測靠近底床的水流結(jié)構(gòu)以及垂向貫穿整個水體的湍流結(jié)構(gòu)。如Rippeth等[78]利用ADCP觀測潮汐周期內(nèi)湍流結(jié)構(gòu),并用方差的方法估計雷諾應(yīng)力的大小、湍流動能產(chǎn)生速率以及渦流黏度。

相較于上述各種原位水槽,光學、聲學儀器提供了一種無損性的測量方法,儀器通常固定在移動船或者實驗平臺上,無須像原位水槽那樣插入沉積物從而造成入侵性損害,并且隨移動船的水平移動還能測得懸浮物濃度在水平方向上的分布。越來越多的研究者利用光學、聲學儀器在大規(guī)模現(xiàn)場試驗中直接測量自然水動力情況下的再懸浮過程,如大規(guī)模波浪水槽CIEM[79]就利用波高儀、ADV和OBS測得近岸沖浪地帶水動力特性與再懸浮物濃度之間的關(guān)系。Aagaard等[80]將ADV、OBS和壓力傳感器固定在H型不銹鋼架上,在海濱波浪破碎地帶測得不同波浪條件下的懸浮物濃度分布及懸浮物垂直混合運動過程。但是,這要求儀器布置在水中有足夠長的時間,否則測量的只是瞬時的懸浮物濃度,而無法觀測到再懸浮發(fā)生的全過程。

此外,還有一個能夠獲得水體垂向上懸浮物濃度分布的方法就是多點采樣法[81-82]。通常在沉積物——水界面以上不同高度處設(shè)置多個采樣點來采集原狀水樣,利用真空設(shè)備將水樣吸進采樣瓶。然而,采樣器的支撐結(jié)構(gòu)固定到沉積物底部的過程可能會人為地引起沉積物再懸浮,因此需靜待一段時間后再開始采樣。

另外一個測量沉積物再懸浮的方法就是在接近底部沉積物表面處垂直放置沉積物捕獲器來收集發(fā)生再懸浮的沉積物。Gasith[83]于1975年提出了一個公式來計算再懸浮量,即沉積物捕獲器收集量減去捕獲器上方及附近水體懸浮物量等于再懸浮通量。該公式通常假設(shè)沉積物中有機質(zhì)的含量小于水體懸浮物中有機質(zhì)含量[84]。李一平等[85]用沉積物捕獲器來測定太湖沉降通量,然后利用該公式來推算再懸浮通量,所用捕獲器高寬比為3:1。因為Flower[86]曾比較了高縱橫比(高:直徑＞5)和低縱橫比的捕獲器,發(fā)現(xiàn)后者才能得出更準確真實的沉降通量。然而,Floderus[87]指出在水體懸浮物快速沉降時(比如春天浮游植物爆發(fā)時常伴有生物碳酸鹽沉淀),這個方法將低估再懸浮量。因為那些已經(jīng)沉降但還未固結(jié)成沉積物的顆粒,它們的有機質(zhì)含量與水體懸浮物相同,當它們發(fā)生再懸浮時并未被算作沉積物顆粒[88]。

4 總結(jié)與展望

沉積物再懸浮現(xiàn)象(包括隨后的懸浮物傳輸和再沉積)普遍存在于河流、湖泊、海岸等環(huán)境。沉積物再懸浮影響營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán),并釋放有機物和重金屬等污染物到水體中,影響水生生態(tài)健康,而這一系列行為機理并沒有完全被弄清楚?；诂F(xiàn)有的技術(shù)和方法,可以通過測量底床侵蝕剪切力和懸浮物濃度變化來定量分析沉積物再懸浮現(xiàn)象。室內(nèi)水槽實驗?zāi)茏畲蟪潭鹊乜刂瓢ㄋ?、流速、沉積物性質(zhì)在內(nèi)的一系列參數(shù),為沉積物再懸浮機制的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。然而自然黏性沉積物性質(zhì)復(fù)雜易碎,因此無法保證帶回實驗室的原狀泥樣未受擾動,

使得實驗室所得數(shù)據(jù)的可靠性受限,進而要求在未經(jīng)擾動的沉積物表面進行原位測量?，F(xiàn)有的原位測量裝置可大致分為循環(huán)水槽、直流水槽和其他儀器,

每一個裝置都是根據(jù)具體的需要和邊界條件所設(shè)計。因此,每一個裝置都有其自身的優(yōu)缺點及適用范圍,所以無法評判哪一個是最好的,但這些裝置都是在原有基礎(chǔ)上不斷改進的,新的裝置將會更加輕便、易于操作,適用于更深的水域。目前大部分裝置都忽略了推移質(zhì)的存在,這將導(dǎo)致總侵蝕量和侵蝕速率測量的不準確性。不同裝置之間的對比研究顯示,基于同一工作原理的儀器所測結(jié)果一致性較好,

而剪切力施加方式完全不同的儀器所得結(jié)果幾乎沒有可比性,此外測試時間、儀器大小等也會造成結(jié)果的差異性,而目前并沒有一個衡量標準。值得一提的是,目前還沒有將原位直槽與循環(huán)水槽或者其他裝置在原位現(xiàn)場進行對比測試過。目前測量裝置都依賴于動力系統(tǒng)引發(fā)沉積物再懸浮,而動力系統(tǒng)都預(yù)先設(shè)定了流速變化的范圍,并不是在自然沉積物再懸浮事件中直接測量的。因此,開展大規(guī)?，F(xiàn)場試驗,直接測量再懸浮現(xiàn)象發(fā)生時的水力參數(shù)和侵蝕性能是有必要的,這有利于更加深入了解再懸浮機制。目前研究大都在淺水區(qū)域,今后可以往深水區(qū)域發(fā)展,研究適用于深水湖泊、深海等的測量裝置,拓寬對不同沉積物類型的了解。

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Review on methods ofmeasuring sediment re-suspension

XIE Qianwen1,2,LIYiping1,KONG W en3
(1.College ofEnvironment,Hohai University,Nanjing 210098,China；2.Shenzhen Urban Planning&Land Resource Research Center,Shenzhen 518040,China；3.Nanjing wisdom New Town ProjectManagement Co.,Ltd,Nanjing 210012,China)

In order to study the series of behavioral mechanisms including sediment erosion,re-suspension, transportation,this paper summarized the sediment re-suspension measurementmethod in three aspects:laboratory device simulation,in situ measurement and directly measurement in field.Sediment re-suspension measuring device can be divided into circulating water flume,straight flow-through flumes,and other devices.Hydraulic working principles,advantages and disadvantages,range of application environment of different devices were described.And the measuring results of different device were compared.Based on existing technologies and methods,the phenomenon of sediment re-suspension was quantified by measuring seabed erosion shear stress and suspended solids concentration changes.Different shearing force,testing time and equipment size and other factors cause the diversity of the result from all kinds of devices.

sediment；re-suspension；erosion threshold；shear stress；measurementmethod

X832

：A

：1004 6933(2015)06 0141 09

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.023

2014 07 17 編輯:陳玉國)

中央高校業(yè)務(wù)費(2014B29114)；江蘇省自然科學基金(BK20131370)

謝倩雯(1991—),女,碩士研究生,研究方向為水環(huán)境數(shù)學模型和河湖富營養(yǎng)化機理研究。E-mail:673565543@qq.com

李一平,副教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:yipinglihhu@gmail.com