2017, Vol. 29 
(2: 河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室, 南京 210098)
(3: 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008)
(2: Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, P. R. China)
(3: State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P. R. China)
近年来，湖泊的富营养化问题日益突出，引起了国内外研究人员的广泛关注.导致湖泊富营养化的原因众多，主要包括入湖河流营养盐浓度高、水体交换缓慢、有机物降解慢以及底泥营养盐的释放等[1-3].大型浅水湖泊中，内源营养物质释放是水体中营养盐的重要来源，而沉积物的运动传输过程对营养盐释放有很大的贡献[4-6].大型浅水湖泊受风的作用影响较大，底泥在风浪扰动下与水体产生强烈交换，易发生再悬浮，导致底泥中的营养盐进入水体，这种动态内源释放严重影响水质[7-9]. Robarts等[10]在日本琵琶湖观测了强台风作用下水体磷含量的变化，发现台风过后水体溶解态反应磷(SRP)浓度提高了2.5倍.范成新[11]研究了滆湖底泥在扰动作用下营养盐释放对水体中营养盐浓度的影响，发现扰动作用使水体磷浓度增加约2~4倍，可见剧烈水动力过程对于内源释放影响显著.而研究水体悬浮物浓度(Suspended Solid Concentration, SSC)和沉降速度的关系是探究水动力条件下内源释放的基础和前提, 亦是研究太湖富营养化发生机理的一个关键性问题，也可以为模型模拟水动力和水质提供重要的参数.
太湖是我国典型的大型浅水湖泊, 近年来水体富营养化问题突出[12-13].太湖悬浮物沉降速度主要通过实验室进行测量，胡开明等[3]通过室内静沉降实验建立了沉降通量与风速的关系，发现沉降速度基本呈现随沉降时间增加而减缓的规律，应用类似方法的还见于文献[14-15].但是水流的紊动作用对底泥起悬和水体悬浮物的运动有较大影响，这种静沉降的方法局限于底泥的静态释放，不能够准确反映悬浮物沉降与水动力之间的变化关系.也有学者具体分析了水动力因素对底泥释放的影响，但都仅限于使用烧杯、锥形瓶、水槽等模拟湖体，使用的原状沉积物在采样和运输过程中会受到扰动而使其性质发生变化，不能准确地代表太湖湖体的实际情况，因此更好的方法便是在未经扰动的沉积物底床上直接进行原位监测[16-17].随着声学测量技术的发展，近年来ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)与OBS (Optical Backscatter Sensor)频繁应用于测量水体流速及SSC的实验. Fugate等[18]用ADV通过雷诺浓度通量法获得切萨皮克湾Cherrystone站点泥沙平均沉降速度为1 mm/s的量级. Voulgaris等[19]用ADV、LISST (laser in situ scattering and transmissometry)和OBS测得潮沟时期SSC和沉降速度. ADV用于原位测量具有对测点周围流场无扰动的优势，可以高度真实地还原采样点的水体三维流速和SSC，有效地避免了实验室模拟沉降实验的弊端，因而本文采用ADV仪器对太湖进行原位监测.
本文基于2014年5月21日5月29日太湖野外原位监测，用ADV、OBS等仪器获得同步高频的风速风向、三维流速、SSC等数据，对悬浮物的沉降速度与垂向流速、风速、SSC的关系进行研究，以揭示大型浅水湖泊水动力扰动条件下悬浮物的沉降特征，为今后太湖污染物的输移、富营养化的深入研究提供必要的基础.
1 材料与方法 1.1 采样地点及时间太湖是我国第三大淡水湖，水面面积2338 km2.梅梁湾位于太湖北部，水面面积129.3 km2, 平均水深1.9 m[20], 近年来蓝藻暴发现象严重，水质较差[21]，故而选择梅梁湾为本文的研究地点. 2014年5月21日08：30-5月29日08：30在太湖梅梁湾拖山(31°23′34.29″N，120°9′24.86″E)(图 1, 其中TELLR为中国科学院太湖湖泊生态系统研究站，即水样实验室分析地点)水域进行了悬浮物沉降实验，观测期间平均水深2.7 m，采样点区域沉积物厚度在300 cm以上[22]，表层沉积物平均含水率为48.93 %，中值粒径d50为25 μm.
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图 1 太湖监测地点 Fig.1 Study site in Lake Taihu |
现场观测运用SonTek公司生产的2台声学多普勒流速仪(ADV)，分别放置在水体表层(水面下50 cm)与底边界层(距离湖底5 cm处)，对三维流速和回声强度进行同步测量.同时设置2台OBS-3A，与表、底层ADV层位一致. ADV采样频率设为10 Hz，OBS采样频率为每3 min一次，现场还同步观测了风速和风向(频率为每5 min一次).
ADV与OBS设置为同高度同时刻高频率监测，ADV的测量参数有三维流速、信号强度、信噪比等，OBS测量参数有浊度、温度、深度、盐度等.在实验期间, 手动采集不同深度的水样带回实验室分析水样SSC并与其对应时间上OBS测得的浊度建立相关关系，进行校准分析，同时测定所采集的表层底泥(0~10 cm)的有机质含量及粒径大小等.样品分析方法按照《湖泊富营养化调查规范》[23]进行.
1.3 回声强度(EI)与SSC的相关性分析由于OBS测得的浊度数据频率低，不能满足计算瞬时沉降速度的需要，因而用ADV回声强度与OBS测得的SSC数据进行反演，来获得高频的SSC数据. ADV为单点高频流速仪，发射的高频声波在近底水体中传播虽会衰减却不需校正散射体的后向散射强度，但需考虑其在近底层SSC变化剧烈的区域时悬浮物颗粒的吸收.研究表明SSC和ADV的回声强度EI满足简单的对数关系[24-26]：
| $ {\rm{EI}} = a \cdot {\rm{lo}}{{\rm{g}}_{10}}{\rm{SSC}} + b $ | (1) |
式中，a和b分别为回声强度EI和log10SSC线性拟合得到的斜率和截距.
ADV数据筛选需要通过严格的预处理来进行质量控制，运用斜率控制法去除异常值，选取信噪比大于40 dB、相关系数大于70 %的有效数据，空缺小于时间序列1 %的数据通过相邻点位线性插值补齐，否则剔除时间数据序列.
OBS-3A测得的是水体浊度信息，需结合现场采集的水样进行室内SSC分析，建立起浊度与SSC的经验关系.本次实验浊度与SSC具有较好的线性关系，相关系数R2为0.9375(图 2).本文用上述关系标定近底层OBS浊度信息，得到观测期间SSC变化范围在20~300 mg/L之间(图 3).同时通过ADV监测的回声强度EI(dB)每3 min平均数和对应时间上的SSC的关系来拟合上述公式，得到可根据回声强度EI来反演高频SSC的公式.
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图 2 OBS测得的浊度与底层悬浮物浓度关系的校正 Fig.2 Calibration of OBS turbidity with suspended solid concentration determined from bottle samples |
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图 3 观测期间OBS悬浮物浓度变化 Fig.3 Time series of SSC by OBS during observation time |
Fugate等[18]提出用ADV测得的高频垂向流速脉动值和沉积物浓度脉动值(w′和c′)来计算悬浮物沉降速度.
| $ \left\langle {w'c'} \right\rangle = {w_{\rm{s}}} \cdot C $ | (2) |
式中，ws为泥沙沉降速度，C为平均的悬浮物浓度，< >代表系综平均.
2 结果与讨论 2.1 ADV反演SSC监测期间OBS测得的SSC在20~300 mg/L之间(图 3)，其中5月22日5月24日所得数据基本包含由低浓度到高浓度变化的所有浓度值，因此选取此段浓度数据与ADV回声强度数据进行反演，以获取高频SSC序列，其反演结果见图 4，log10(SSCOBS)和EI之间的R2为0.8745，表明ADV反演SSC具有可行性. ADV所反演得到的浓度序列变化范围为40~242 mg/L, 与OBS测得的浓度序列49~202 mg/L变化一致(图 5)，相对误差在32 %以内，也表明了反演结果的可靠性. Fugate等[18]的研究表明OBS对于粒径变化较敏感而影响其测量精度，而ADV对于粒径变化不敏感即粒径变化对SSC测量的影响不大.梅梁湾悬浮物粒径在16~17 μm之间的占50 % ~60 %，粒径变化比较稳定，也说明了OBS和ADV测量SSC的可靠性和高质量.可根据拟合得到的公式和ADV测得的声学信号反演得到高频(10 Hz)的SSC序列，以满足计算瞬时而精确的沉降速度需求.
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图 4 ADV声学信号反演浓度 Fig.4 Calibration of ADV backscatter coefficient with OBS mass concentration |
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图 5 OBS观测(a)和ADV反演(b)得到的悬浮物浓度时间序列 Fig.5 Time series of suspended solid concentration by OBS (a) and ADV (b) |
研究期间风速在0.5~2.0 m/s之间，属于小风速，基本上不会引起水体垂向上剧烈的波动，满足公式(2)的使用条件[18].表层SSC在33.3~92.7 mg/L之间，平均浓度为51.4 mg/L，平均垂向流速为-0.085 cm/s；底层SSC在23.8~79.3 mg/L之间，平均浓度为36.2 mg/L，平均垂向流速为-0.127 cm/s.水体表层垂向流速与沉降速度的变化基本一致，垂向流速紊动大小会影响颗粒物的紊动运动.水流向上运动时，悬浮物也向上运动；水体向下运动，悬浮物也向下沉降；SSC值较高时，悬浮物沉降的速度也较大.而表层沉降速度、垂向流速、SSC三者与风速变化的关系并不明显(图 6a)，可能是由于风速较小、风速变化范围小且风时较长，导致表层流场变化小，底层沉积物起悬不能到达表层，使得表层悬浮物组分变化较小(即风速对悬浮物垂向运动方向与大小影响不大，而垂向流速是其主要影响因素).
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图 6 表层(a)和底层(b)风速、垂向流速、悬浮物浓度与沉降速度的变化 Fig.6 Time series for wind speed, vertical flow velocity, suspended solid concentration and settling velocity in surface layer (a) and bed layer (b) |
在底边界层，风速、垂向流速对悬浮物沉降有较大影响，风速、垂向流速与悬浮物沉降速度变化趋势基本一致.本文截取5月21日11：32-13：35期间(图 6b)的监测数据进行分析说明.对比12：25前后两个时段，11:32-12:25这段时间，风速在1.5~2.0 m/s之间波动，SSC偏高，垂向流速紊动较大，流速方向不断变化，沉降速度也上下波动；12:25-13:35这段时间风速相对较小，垂向流速方向向下且大小变化平缓，悬浮物主要表现为沉降，沉降速度与SSC变化均较小.当悬浮物运动速度较大时，SSC也相对较高，垂向流速和沉降速度会稍滞后于风速的变化.在观测期间，水体表层沉降速度在-0.51~1.52 mm/s之间，底层沉降速度在-1.19~3.3 mm/s之间(>0表示悬浮物总体向上运动).水体表层主要为悬浮态细颗粒物；底边界层为大颗粒物，且包含推移质和悬移质的翻滚、跳跃和平移等运动.底层悬浮物的沉降速度要大于表层.本文计算得到的最大向下沉降速度为1.19 mm/s，表、底层平均向下沉降速度为0.0785 mm/s.向军等[14]采集太湖水样进行静沉降实验，初始SSC为589.5 mg/L, 测得前20 min内悬浮物沉降速度在0.22 mm/s左右，沉降速度较大，是由于其初始浓度较大，而且静沉降条件下高浓度悬浮物容易聚集为大颗粒物质，更易沉降，加快了沉降速度.李一平[27]通过静沉降实验发现50~250 mg/L之间的SSC沉降速度在0.02~0.18 mm/s之间，本文结果基本与之相符.静沉降相当于无风条件下的静止水体中悬浮物沉降，悬浮物容易聚集絮凝为大颗粒物质而使沉淀加速，用时较短.太湖波流综合作用下的悬浮物易受扰动而起悬或沉降，悬浮物难以聚集，沉降较慢.本文所用方法描述了悬浮物瞬时连续的动态变化特征，能较真实地反映梅梁湾湖区悬浮物的沉降过程.
结果表明，对于水体表层，SSC与水体垂向流速对悬浮物沉降有重要影响.而对于底边界层，风速>1.5 m/s时，水体垂向流速脉动较大，SSC较高；风速 < 1.5 m/s时，垂向流速脉动较小，SSC较低.说明风浪容易引起底泥起悬和沉降，对底层颗粒物垂向运动影响较大，而难以使底层颗粒物传输到表层，对表层颗粒物沉降作用较小.若只考虑悬浮物向下沉降的时刻(ws < 0)，会发现在SSC较高时，沉降速度较大；SSC较低时，沉降速度较小.由于流速较大时，受底边界层摩擦形成较大切应力的影响，沉降速度较大的大颗粒物大量起悬然后又快速沉降，使得总体沉降速度增大. Maa等[26]揭示了沉降速度与SSC之间为幂函数关系，并指出沉降速度会随着SSC的增大而增大；邓伟铸等[28]在黄茅海河口湾发现，急流时泥沙浓度较高，沉降速度也较大；憩流时，泥沙浓度较低，沉降速度也较小.前人的研究主要集中在河口、海湾等泥沙粒径较大、流速较快的水体，因此得到的悬浮物沉降速度较大.由于湖泊中泥沙粒径较小，水体运动缓慢，因此本文得到的悬浮物沉降速度相对较小.
3 结论本文基于太湖梅梁湾野外原位实测风场、流场和悬浮物等数据得到如下几点结论:(1)ADV回声强度与SSC满足Logistic关系，反演得到高频SSC序列具有可靠性，得到SSC范围在40~242 mg/L之间；(2)计算得到综合表、底层悬浮物平均沉降速度为0.0785 mm/s；沉降速度与垂向流速、SSC有密切关系，SSC较高时沉降速度大；SSC较低时，沉降速度也较小；(3)风速对于底层悬浮物运动的影响比对表层悬浮物运动的影响大.本文可为太湖模型提供沉降速度及SSC等参数，为太湖及其他大型浅水湖泊研究或管理奠定必要的基础.
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