风浪对浅水湖泊水质的影响机制

徐瑞忠,陆雪林 ,盛根明 ,胡　静

(1.江苏省苏州市吴江区水利局,江苏 苏州　215200; 2.上海勘测设计研究院有限公司,上海　200434)

风浪对浅水湖泊水质的影响机制

徐瑞忠1,陆雪林1,盛根明2,胡静2

(1.江苏省苏州市吴江区水利局,江苏 苏州215200; 2.上海勘测设计研究院有限公司,上海200434)

摘要：以太湖重要的浅水湖湾——东太湖为例,应用经典风浪经验公式,将风速转化为浪高，以直接体现风浪强度,在分析其与污染底泥卷起、水质指标相关关系的基础上,对风浪影响湖区水质的机制进行进一步探究。结果表明:随着风速、浪高的增加,水体浑浊度增加,偏北风作用下湖区浑浊度更高;DO的质量浓度呈降低趋势,全年浓度呈现冬季偏高而夏季偏低的规律;COD的质量浓度呈增加趋势,全年浓度呈现冬季偏高而夏季偏低的规律;TN的质量浓度与风速相关关系不明显,全年浓度呈现夏季偏高而冬季偏低的规律;浑浊度与COD存在较好的相关性。确定风浪对湖区水质的影响机制,旨在为针对性地制定湖泊水质改善措施提供技术支撑。

关键词：浪高;浑浊度;底泥卷起;水质指标;东太湖

风浪是由风作用于湖面所产生的一种水质点周期性起伏运动,风浪所引起水体的垂直紊动对水体理化性质的分布、污染物迁移扩散、底泥掀起、浮游生物的迁移等过程均造成一定影响[1]。风浪对底质的作用研究常见于沙质海岸及河口地区,研究内容通常为风浪对地形的塑造及悬浮物质的迁移等[2-3]。在浅水湖泊中,通常认为水流作用较大,而风浪的影响相对较少,研究主要集中在风浪对湖水透明度、水下光照分布、营养盐的内源释放和初级生产力的影响等[4]。21世纪初已经有部分学者通过在太湖的野外调查数据初步建立起风速与底泥悬浮的直接关系,张运林等[5]通过测量3种风速下水中悬浮物浓度的增加量,判断底泥悬浮临界风速大约在5～6.5 m/s之间,而秦伯强等[6]在类似的观测后得出的结果则为4.0 m/s。在这些研究的基础上,陆续产生了更多关于风速与底泥悬浮、内源释放量的相互关系的研究[7-8],这类研究均试图在实测风速与底泥或内源释放量之间找到直接的相关关系,而并没有体现风生成风浪、再作用于底部泥沙的这一过程。荷兰Delft大学Vijverberg等[9]曾在Markermeer湖上现场收集了一系列浪高、湖底床面切应力以及距离湖底0.5 m处的水体浑浊度资料,发现浪高与底泥床面切应力变化趋势吻合度很高;随后在Kelderman等[10]的水槽实验中,他们进一步得出了悬浮物浓度(SS)与底切应力的经验公式,反映了浅水湖中风浪对悬浮物浓度的影响机制。

太湖平均水深1.89 m,是典型的平原浅水湖泊,东太湖是太湖的重要浅水碟形湖湾,也是区域重要的饮水水源地。遇大风天气,特别是在台风期间,湖底污泥被风浪掀起,湖区浑浊度增大,加速底泥中污染物质释放,严重影响水源地水质。本文以东太湖为例,应用经典风浪经验公式,将风速转化为浪高以直接体现风浪强度,分析其与污染底泥卷起、水质指标相关关系，进一步探究风浪影响湖区水质的机制。

1东太湖概况

图1　东太湖湖区及周边水系

东太湖位于苏州市以南,是太湖东南部的一个狭长形湖湾(图1),南起东茭嘴至陆家港一线,北端一直延伸到瓜泾口,全长约32 km,最大宽度9 km,湖区面积172.1 km2。东太湖多年平均水位3.0 m,湖底高程一般不超过2.0 m。东太湖是太湖的主要出水通道,也是流域重要的水源地。

2风浪与污染底泥卷起的关系分析

2.1风速、风向对东太湖浑浊度影响规律分析

根据东太湖2011年逐日风向、风速及源水浑浊度资料,对取水口月平均浑浊度、最大日浑浊度以及对应日风向、风速进行分析,结果见图2。

图2　2011年各月浑浊度均值与风速关系

由实测资料可以得到,当风速为3～4级时,浑浊度年均值为40 NTU;当风速为4～6级时,浑浊度年均值为43 NTU;当风速大于6级时,浑浊度年均值为46 NTU。由此可见,东太湖浑浊度随风速的增加而增加。部分月份没有6级以上大风出现，如1、2月,因此图2中部分月份“6级风以上”无数据。

图3　东太湖夏季和冬季典型月逐日浪高与浑浊度对比

东太湖湖面呈狭长的形状,不同风向对应的影响风区长度也有较大差距。在偏北风作用下,最大风区长度达41 km,风浪较大,易卷起底泥;东南风作用下风区长度较小,风浪较弱,不易卷起底泥。相同风速、不同风向条件下,掀起不同波高的风浪,对底泥的作用强度不同。东太湖冬季主导风向为偏北风,夏季多为东南风,图3中可见,东太湖冬季浑浊度远远高于夏季,所以,东太湖在偏北风作用下浑浊度较高。

2.2浪高与浑浊度关系分析

浅水湖泊风浪掀起底泥中沉积物的再悬浮主要是由于波浪的作用,根据莆田试验站经验公式[11],可计算出每日平均风速和主要风向条件下的浪高。

(1)

(2)

计算结果表明,东太湖区域大部分时间的浪高大约在11～12 cm之间,此时风速约为5.5 m/s,大风天气下(风速达到7.0～10.0 m/s)浪高可达15～20 cm。根据2001年9月太湖梅梁湖湾中部的固定点的实测风速与有效浪高资料,当实际风速在3.0～6.0 m/s时,有效浪高在9～15 cm左右,风速在6.0～8.0 m/s时,有效浪高约为15～18 cm,因此认为莆田经验公式可以应用于东太湖地区。

影响浪高的最主要因子是风速和风区长度,风速越大浪高越大;相同平均风速下,浪高将随着风区长度的增大而增大。分别选取夏季典型月(6月)和冬季典型月(10月)的计算浪高和浑浊度记录数据(图3)进行比较,可见浪高与浑浊度存在较好的正相关关系。

2.3浪高变化对浑浊度影响分析

为了考察浪高显著增加或减小对浑浊度的影响,将浪高隔日增加或减小超过2cm的数据进行统计,结果见图4。浪高显著增加后,浑浊度随之增加;当浪高增加超过2 cm时,浊度随之增加的概率超过70%;当浪高减小超过2 cm时,浑浊度随之减小的概率仅为48%。这是因为风浪掀起底泥使之再悬浮的过程是较快速的,而底泥沉降过程较缓慢,即使风浪突然减小,悬浮颗粒也不会立即沉降。

3风浪与东太湖水质的关系分析

3.1风向、风速与东太湖水质的关系

东太湖地区夏季(6—8月)主导风向为东南风,冬季(12至次年2月)主导风向为西北风。采用2011年逐日的风速风向资料以及东太湖湖区取水口的实时监测数据进行分析,可以初步发现东太湖DO、COD、TN质量浓度与风速的变化关系(图5)。

图5　2011年各月水质指标均值与风速关系

由图5可以看出,东太湖部分水质指标浓度与风速具有相关关系,随着风速的增加,DO的质量浓度呈现降低的趋势,全年浓度呈现冬季偏高而夏季偏低的规律;COD的质量浓度随着风速的增加有一定程度增加,全年呈现出冬季偏高而夏季偏低的规律;TN的质量浓度与风速相关关系不明显,全年呈现夏季偏高而冬季偏低的规律。

3.2浪高与东太湖水质关系

东太湖地区春季风速较大,而4月以后水质指标浓度较冬季大大降低,因此为了观察风浪、悬浮物与水质的关系,选取风速大、浑浊度高的2011年3月作为典型月份,对浪高与湖区NH3-N、COD、TP的质量浓度的变化进行对比,分析浪高对水质指标的影响,结果见图6。可见,风浪的大小与NH3-N、COD、TP质量浓度具有一定的对应关系,受扰动底泥向水体释放污染物需要一定时间,风浪变大后,水质浓度的升高有时表现在当日,有时则会表现在隔日。

图6　2011年3月逐日浪高与水质指标变化关系

3.3水质指标浓度与浑浊度的相关性

分析东太湖湖区NH3-N、COD、TP的质量浓度与湖区浑浊度的相关关系,结果表明COD的质量浓度与浑浊度的相关性较好,其他水质指标与浑浊度相关性一般,COD的质量浓度与浑浊度相关性图见图7。说明底泥的再悬浮会引起COD的质量浓度的增加,存在风浪卷起底泥进而影响水质的污染模式。

图7　浑浊度与COD相关关系

4结论

以太湖重要的浅水湖湾——东太湖为例,应用经典风浪经验公式,将风速转化为浪高以直接体现风浪强度,在分析风浪强度与污染底泥卷起、水质指标相关关系的基础上,对风浪影响湖区水质的机制进行探究,得到如下结论:

a. 随着风速、浪高的增加,水体浑浊度增加,偏北风作用下湖区浑浊度更高。

b. 随着风速、浪高的增加,DO质量浓度呈现降低趋势,全年呈现冬季(西北风主导风向)偏高而夏季(东南风主导风向)偏低的规律;COD质量浓度随着风速的增加而增加,全年呈现冬季偏高而夏季偏低的规律;TN质量浓度与风速相关关系不明显,全年呈现夏季偏高而冬季偏低的规律。

c. 东太湖风浪卷起底泥,造成湖区的浑浊度升高,浑浊度与COD质量浓度存在较好的相关性,东太湖存在风浪卷起底泥进而影响水源地取水口水质的污染模式。

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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

作者简介:徐瑞忠(1970—),男,高级工程师,主要从事水生态研究。E-mail:597712157@qq.com

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)03-0117-04

(收稿日期：2015-03-12编辑：王芳)