風(fēng)浪對淺水湖泊水質(zhì)的影響機制

徐瑞忠,陸雪林 ,盛根明 ,胡　靜

(1.江蘇省蘇州市吳江區(qū)水利局,江蘇 蘇州　215200; 2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司,上?！?00434)

風(fēng)浪對淺水湖泊水質(zhì)的影響機制

徐瑞忠1,陸雪林1,盛根明2,胡靜2

(1.江蘇省蘇州市吳江區(qū)水利局,江蘇 蘇州215200; 2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司,上海200434)

摘要：以太湖重要的淺水湖灣——東太湖為例,應(yīng)用經(jīng)典風(fēng)浪經(jīng)驗公式,將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為浪高，以直接體現(xiàn)風(fēng)浪強度,在分析其與污染底泥卷起、水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上,對風(fēng)浪影響湖區(qū)水質(zhì)的機制進行進一步探究。結(jié)果表明:隨著風(fēng)速、浪高的增加,水體渾濁度增加,偏北風(fēng)作用下湖區(qū)渾濁度更高;DO的質(zhì)量濃度呈降低趨勢,全年濃度呈現(xiàn)冬季偏高而夏季偏低的規(guī)律;COD的質(zhì)量濃度呈增加趨勢,全年濃度呈現(xiàn)冬季偏高而夏季偏低的規(guī)律;TN的質(zhì)量濃度與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系不明顯,全年濃度呈現(xiàn)夏季偏高而冬季偏低的規(guī)律;渾濁度與COD存在較好的相關(guān)性。確定風(fēng)浪對湖區(qū)水質(zhì)的影響機制,旨在為針對性地制定湖泊水質(zhì)改善措施提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：浪高;渾濁度;底泥卷起;水質(zhì)指標(biāo);東太湖

風(fēng)浪是由風(fēng)作用于湖面所產(chǎn)生的一種水質(zhì)點周期性起伏運動,風(fēng)浪所引起水體的垂直紊動對水體理化性質(zhì)的分布、污染物遷移擴散、底泥掀起、浮游生物的遷移等過程均造成一定影響[1]。風(fēng)浪對底質(zhì)的作用研究常見于沙質(zhì)海岸及河口地區(qū),研究內(nèi)容通常為風(fēng)浪對地形的塑造及懸浮物質(zhì)的遷移等[2-3]。在淺水湖泊中,通常認為水流作用較大,而風(fēng)浪的影響相對較少,研究主要集中在風(fēng)浪對湖水透明度、水下光照分布、營養(yǎng)鹽的內(nèi)源釋放和初級生產(chǎn)力的影響等[4]。21世紀(jì)初已經(jīng)有部分學(xué)者通過在太湖的野外調(diào)查數(shù)據(jù)初步建立起風(fēng)速與底泥懸浮的直接關(guān)系,張運林等[5]通過測量3種風(fēng)速下水中懸浮物濃度的增加量,判斷底泥懸浮臨界風(fēng)速大約在5～6.5 m/s之間,而秦伯強等[6]在類似的觀測后得出的結(jié)果則為4.0 m/s。在這些研究的基礎(chǔ)上,陸續(xù)產(chǎn)生了更多關(guān)于風(fēng)速與底泥懸浮、內(nèi)源釋放量的相互關(guān)系的研究[7-8],這類研究均試圖在實測風(fēng)速與底泥或內(nèi)源釋放量之間找到直接的相關(guān)關(guān)系,而并沒有體現(xiàn)風(fēng)生成風(fēng)浪、再作用于底部泥沙的這一過程。荷蘭Delft大學(xué)Vijverberg等[9]曾在Markermeer湖上現(xiàn)場收集了一系列浪高、湖底床面切應(yīng)力以及距離湖底0.5 m處的水體渾濁度資料,發(fā)現(xiàn)浪高與底泥床面切應(yīng)力變化趨勢吻合度很高;隨后在Kelderman等[10]的水槽實驗中,他們進一步得出了懸浮物濃度(SS)與底切應(yīng)力的經(jīng)驗公式,反映了淺水湖中風(fēng)浪對懸浮物濃度的影響機制。

太湖平均水深1.89 m,是典型的平原淺水湖泊,東太湖是太湖的重要淺水碟形湖灣,也是區(qū)域重要的飲水水源地。遇大風(fēng)天氣,特別是在臺風(fēng)期間,湖底污泥被風(fēng)浪掀起,湖區(qū)渾濁度增大,加速底泥中污染物質(zhì)釋放,嚴(yán)重影響水源地水質(zhì)。本文以東太湖為例,應(yīng)用經(jīng)典風(fēng)浪經(jīng)驗公式,將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為浪高以直接體現(xiàn)風(fēng)浪強度,分析其與污染底泥卷起、水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系，進一步探究風(fēng)浪影響湖區(qū)水質(zhì)的機制。

1東太湖概況

圖1　東太湖湖區(qū)及周邊水系

東太湖位于蘇州市以南,是太湖東南部的一個狹長形湖灣(圖1),南起東茭嘴至陸家港一線,北端一直延伸到瓜涇口,全長約32 km,最大寬度9 km,湖區(qū)面積172.1 km2。東太湖多年平均水位3.0 m,湖底高程一般不超過2.0 m。東太湖是太湖的主要出水通道,也是流域重要的水源地。

2風(fēng)浪與污染底泥卷起的關(guān)系分析

2.1風(fēng)速、風(fēng)向?qū)|太湖渾濁度影響規(guī)律分析

根據(jù)東太湖2011年逐日風(fēng)向、風(fēng)速及源水渾濁度資料,對取水口月平均渾濁度、最大日渾濁度以及對應(yīng)日風(fēng)向、風(fēng)速進行分析,結(jié)果見圖2。

圖2　2011年各月渾濁度均值與風(fēng)速關(guān)系

由實測資料可以得到,當(dāng)風(fēng)速為3～4級時,渾濁度年均值為40 NTU;當(dāng)風(fēng)速為4～6級時,渾濁度年均值為43 NTU;當(dāng)風(fēng)速大于6級時,渾濁度年均值為46 NTU。由此可見,東太湖渾濁度隨風(fēng)速的增加而增加。部分月份沒有6級以上大風(fēng)出現(xiàn)，如1、2月,因此圖2中部分月份“6級風(fēng)以上”無數(shù)據(jù)。

圖3　東太湖夏季和冬季典型月逐日浪高與渾濁度對比

東太湖湖面呈狹長的形狀,不同風(fēng)向?qū)?yīng)的影響風(fēng)區(qū)長度也有較大差距。在偏北風(fēng)作用下,最大風(fēng)區(qū)長度達41 km,風(fēng)浪較大,易卷起底泥;東南風(fēng)作用下風(fēng)區(qū)長度較小,風(fēng)浪較弱,不易卷起底泥。相同風(fēng)速、不同風(fēng)向條件下,掀起不同波高的風(fēng)浪,對底泥的作用強度不同。東太湖冬季主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng),夏季多為東南風(fēng),圖3中可見,東太湖冬季渾濁度遠遠高于夏季,所以,東太湖在偏北風(fēng)作用下渾濁度較高。

2.2浪高與渾濁度關(guān)系分析

淺水湖泊風(fēng)浪掀起底泥中沉積物的再懸浮主要是由于波浪的作用,根據(jù)莆田試驗站經(jīng)驗公式[11],可計算出每日平均風(fēng)速和主要風(fēng)向條件下的浪高。

(1)

(2)

計算結(jié)果表明,東太湖區(qū)域大部分時間的浪高大約在11～12 cm之間,此時風(fēng)速約為5.5 m/s,大風(fēng)天氣下(風(fēng)速達到7.0～10.0 m/s)浪高可達15～20 cm。根據(jù)2001年9月太湖梅梁湖灣中部的固定點的實測風(fēng)速與有效浪高資料,當(dāng)實際風(fēng)速在3.0～6.0 m/s時,有效浪高在9～15 cm左右,風(fēng)速在6.0～8.0 m/s時,有效浪高約為15～18 cm,因此認為莆田經(jīng)驗公式可以應(yīng)用于東太湖地區(qū)。

影響浪高的最主要因子是風(fēng)速和風(fēng)區(qū)長度,風(fēng)速越大浪高越大;相同平均風(fēng)速下,浪高將隨著風(fēng)區(qū)長度的增大而增大。分別選取夏季典型月(6月)和冬季典型月(10月)的計算浪高和渾濁度記錄數(shù)據(jù)(圖3)進行比較,可見浪高與渾濁度存在較好的正相關(guān)關(guān)系。

2.3浪高變化對渾濁度影響分析

為了考察浪高顯著增加或減小對渾濁度的影響,將浪高隔日增加或減小超過2cm的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,結(jié)果見圖4。浪高顯著增加后,渾濁度隨之增加;當(dāng)浪高增加超過2 cm時,濁度隨之增加的概率超過70%;當(dāng)浪高減小超過2 cm時,渾濁度隨之減小的概率僅為48%。這是因為風(fēng)浪掀起底泥使之再懸浮的過程是較快速的,而底泥沉降過程較緩慢,即使風(fēng)浪突然減小,懸浮顆粒也不會立即沉降。

3風(fēng)浪與東太湖水質(zhì)的關(guān)系分析

3.1風(fēng)向、風(fēng)速與東太湖水質(zhì)的關(guān)系

東太湖地區(qū)夏季(6—8月)主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng),冬季(12至次年2月)主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)。采用2011年逐日的風(fēng)速風(fēng)向資料以及東太湖湖區(qū)取水口的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,可以初步發(fā)現(xiàn)東太湖DO、COD、TN質(zhì)量濃度與風(fēng)速的變化關(guān)系(圖5)。

圖5　2011年各月水質(zhì)指標(biāo)均值與風(fēng)速關(guān)系

由圖5可以看出,東太湖部分水質(zhì)指標(biāo)濃度與風(fēng)速具有相關(guān)關(guān)系,隨著風(fēng)速的增加,DO的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)降低的趨勢,全年濃度呈現(xiàn)冬季偏高而夏季偏低的規(guī)律;COD的質(zhì)量濃度隨著風(fēng)速的增加有一定程度增加,全年呈現(xiàn)出冬季偏高而夏季偏低的規(guī)律;TN的質(zhì)量濃度與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系不明顯,全年呈現(xiàn)夏季偏高而冬季偏低的規(guī)律。

3.2浪高與東太湖水質(zhì)關(guān)系

東太湖地區(qū)春季風(fēng)速較大,而4月以后水質(zhì)指標(biāo)濃度較冬季大大降低,因此為了觀察風(fēng)浪、懸浮物與水質(zhì)的關(guān)系,選取風(fēng)速大、渾濁度高的2011年3月作為典型月份,對浪高與湖區(qū)NH3-N、COD、TP的質(zhì)量濃度的變化進行對比,分析浪高對水質(zhì)指標(biāo)的影響,結(jié)果見圖6?？梢?風(fēng)浪的大小與NH3-N、COD、TP質(zhì)量濃度具有一定的對應(yīng)關(guān)系,受擾動底泥向水體釋放污染物需要一定時間,風(fēng)浪變大后,水質(zhì)濃度的升高有時表現(xiàn)在當(dāng)日,有時則會表現(xiàn)在隔日。

圖6　2011年3月逐日浪高與水質(zhì)指標(biāo)變化關(guān)系

3.3水質(zhì)指標(biāo)濃度與渾濁度的相關(guān)性

分析東太湖湖區(qū)NH3-N、COD、TP的質(zhì)量濃度與湖區(qū)渾濁度的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果表明COD的質(zhì)量濃度與渾濁度的相關(guān)性較好,其他水質(zhì)指標(biāo)與渾濁度相關(guān)性一般,COD的質(zhì)量濃度與渾濁度相關(guān)性圖見圖7。說明底泥的再懸浮會引起COD的質(zhì)量濃度的增加,存在風(fēng)浪卷起底泥進而影響水質(zhì)的污染模式。

圖7　渾濁度與COD相關(guān)關(guān)系

4結(jié)論

以太湖重要的淺水湖灣——東太湖為例,應(yīng)用經(jīng)典風(fēng)浪經(jīng)驗公式,將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為浪高以直接體現(xiàn)風(fēng)浪強度,在分析風(fēng)浪強度與污染底泥卷起、水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上,對風(fēng)浪影響湖區(qū)水質(zhì)的機制進行探究,得到如下結(jié)論:

a. 隨著風(fēng)速、浪高的增加,水體渾濁度增加,偏北風(fēng)作用下湖區(qū)渾濁度更高。

b. 隨著風(fēng)速、浪高的增加,DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)降低趨勢,全年呈現(xiàn)冬季(西北風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向)偏高而夏季(東南風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向)偏低的規(guī)律;COD質(zhì)量濃度隨著風(fēng)速的增加而增加,全年呈現(xiàn)冬季偏高而夏季偏低的規(guī)律;TN質(zhì)量濃度與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系不明顯,全年呈現(xiàn)夏季偏高而冬季偏低的規(guī)律。

c. 東太湖風(fēng)浪卷起底泥,造成湖區(qū)的渾濁度升高,渾濁度與COD質(zhì)量濃度存在較好的相關(guān)性,東太湖存在風(fēng)浪卷起底泥進而影響水源地取水口水質(zhì)的污染模式。

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Influencing mechanism of wind waves on water quality in shallow lake

XU Ruizhong1, LU Xuelin1, SHENG Genming2, HU Jing2

(1.WujiangWaterConservancyBureauofSuzhouCity,Suzhou215200,China;2.ShanghaiInvestigation,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200434,China)

Abstract：Taking East Taihu Lake, an important shallow water bay of Taihu Lake, as an example, the influencing mechanism of wind waves on water quality in the shallow lake was discussed. The wind speed was translated into wave height using the classic wind-wave empirical formula to directly reflect the strength of wind wave, and the correlation relationships between the wind wave, polluted sediment rolling up, and water quality indices were analyzed. Results show that the water turbidity increases with the wind speed and wave height and is higher under the north wind. The concentration of DO decreases with the wind speed and wave height and is higher in winter and lower in summer. The concentration of COD increases with the wind speed and wave height and is higher in winter and lower in summer. The concentration of TN has no obvious correlation with the wind speed and is higher in summer and lower in winter. The water turbidity has good correlation with the concentration of COD. Study on the influencing mechanism of wind waves on water quality in the shallow lake can provide technical support for establishing lake water quality improvement measures.

Key words：wave height; water turbidity; polluted sediment rolling up; water quality index; East Taihu Lake

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.022

作者簡介:徐瑞忠(1970—),男,高級工程師,主要從事水生態(tài)研究。E-mail:597712157@qq.com

中圖分類號：X524

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0117-04

(收稿日期：2015-03-12編輯：王芳)