論 文 第 50 卷 第 22 期 2005 年 11 月
太湖沉積物再懸浮觀測
胡春華① 胡維平① 張發(fā)兵①② 胡志新①② 李香華③ 陳永根①②
(① 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 南京210008; ② 中國科學(xué)院研究生院, 北京100049; ③ 河海大學(xué), 南京210098. E-mail: huchunhua@163.com, huchunhua@gmail.com)
摘要 為了揭示大型淺水湖泊沉積物的再懸浮強度, 利用高精度分層同步采樣技術(shù), 進行了太湖的懸浮物垂向分布的原位觀測. 結(jié)果表明, 在無風(fēng)浪狀態(tài)下, 用表層懸浮物濃度計算整個水柱的懸浮物總量時, 其結(jié)果常常為實際值的80% ~ 85%; 而在風(fēng)浪狀態(tài), 底層水體懸浮物濃度與表層有數(shù)量級的差異, 用表層懸浮物濃度計算整個水柱的懸浮物總量時, 誤差更大, 其結(jié)果多為實際值的50%. 一般條件下, 風(fēng)浪擾動沉積物再懸浮的厚度較小, 為毫米量級.
關(guān)鍵詞 懸浮物 沉積物輸移 再懸浮 大型淺水湖泊 太湖
太湖是一個大型淺水湖泊, 水面面積2338 km2, 流域面積36500 km2, 平均水深1.9~2.0 m[1], 它頻繁受風(fēng)的作用, 底部沉積物在風(fēng)浪作用下, 易發(fā)生再懸浮, 導(dǎo)致沉積物中的營養(yǎng)鹽進入水體, 從而改變湖泊的營養(yǎng)鹽條件. 因此, 湖泊沉積物的再懸浮及內(nèi)源釋放日益受到重視[2~11].
范成新等[10]在室內(nèi)用機械振蕩方法, 進行風(fēng)浪對底泥再懸浮模擬實驗, 并通過實驗中的懸浮物濃度與太湖表層的實測懸浮物濃度的等級比較, 進而確定振蕩器的轉(zhuǎn)速與太湖風(fēng)速對應(yīng)關(guān)系, 從而獲得風(fēng)速對太湖沉積物擾動產(chǎn)生的懸浮顆粒物通量. 但是, 利用太湖表層的懸浮物濃度代表整個水柱懸浮物濃度是有條件的, 在較強風(fēng)浪作用下, 懸浮物濃度垂直分布差異極大, 等級對比存在較大誤差; 風(fēng)場一致, 但諸如水深等其他條件不同, 水體懸浮物含量也可不一致.
秦伯強等[11]根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果, 分析太湖沉積物懸浮的臨界應(yīng)力, 確定了太湖沉積物懸浮的臨界值, 以及沉積物大規(guī)模懸浮所需的風(fēng)浪切應(yīng)力, 又依據(jù)太湖沉積物柱樣垂向剖面理化性質(zhì)在表層5~10 cm(不同湖區(qū))處存在明顯的轉(zhuǎn)折界面, 將兩者聯(lián)結(jié), 從而得出參與水—沉積物界面物質(zhì)交換主要位于頂部5~10 cm. 但是, 該文給出的剪切應(yīng)力無法與5~10 cm的懸浮擾動深度相聯(lián)系.
因此, 本文采用垂直方向可**分層的采樣設(shè)備, 選擇不同底泥條件測點, 進行了太湖不同區(qū)域底泥再懸浮的原位觀測, 獲得了不同風(fēng)浪條件下的懸浮物垂直分布特征, 據(jù)此計算水柱總懸浮物含量, 并估算沉積物再懸浮量. 還根據(jù)原位實測資料, 對
沉積物再懸浮的機制進行了研究.
1 材料與方法
1. 1 觀測點位與觀測時間
為了較好地獲得太湖典型區(qū)域的再懸浮量, 分別在大太湖的南北部各布置1個點(圖1). 南部測點位于浙江湖州長兜港(N30.95333°E120.13056°), 距南岸邊1000 m, 其北為開闊湖區(qū), 水深1.25~1.30 m, 松軟沉積物總厚度大于2 m. 由于受到河流的影響, 表層沉積物有細砂, 為含細砂的黏土質(zhì)粉砂. 北端測點位于梅梁灣太湖站圍欄區(qū)(N31.41997° E120.21394°), 東北距岸邊120 m, 西南為開闊湖區(qū), 水深1.35 ~1.70 m, 沉積物厚度0.2~0.4 m, 表層沉積物更細, 為黏土質(zhì)粉砂. 為了使觀測結(jié)果具有代表
圖1 觀測點位示意圖
性, 還在烏龜山附近、光福灣、東太湖, 以及安徽的
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龍感湖等多處多次進行了驗證觀測.
為了有效準確獲得沉積物再懸浮量, 觀測時段包括風(fēng)平浪靜與大風(fēng)浪過程, 現(xiàn)場同步監(jiān)測風(fēng)速風(fēng)向、波浪等. 風(fēng)速風(fēng)向采用自記與手持的兩種風(fēng)速風(fēng)向儀; 波高采用DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)測定(電容直竿式波高儀, 波高量程2.00 m, 中國水利科學(xué)院水力學(xué)研究所研制), 采樣間隔0.1 s, 分層采集水樣前后數(shù)小時連續(xù)自記.
為了使結(jié)果具有普遍意義, 2002~2003年, 在不同季節(jié)在太湖北端梅梁灣太湖站圍欄區(qū)及長兜港測點, 進行了大風(fēng)浪與無風(fēng)浪(或小風(fēng)浪)多組觀測(表1, 2).
1.2 懸浮物分層采樣方法
目前國際、國內(nèi)湖泊懸浮物水樣的采集, 一般沿用于生物表層采樣方法. 由于太湖風(fēng)浪多變, 懸浮物含量變化速度快, 水樣分層精度一般在0.25~0.50 m, 同步采集水樣很困難, 獲得整個水柱懸浮物含量幾乎不可能. 為此, 本文研究采用*新開發(fā)研制的**分層采樣器. 其結(jié)構(gòu)如圖2, 工作原理如下.
圖2 高精度分層同步采樣器示意圖
利用“采樣架”上的**刻度, 把多個“采樣管”固定在**水層, 并把位于各個水層的“采樣管”與對應(yīng)的“采樣瓶”連通, 每個“采樣瓶”又通過多路導(dǎo)管與“多通室”相連, “多通室”再與“真空設(shè)備”相接, 利用大氣壓, 通過**固定在不同深度水層的導(dǎo)管, 將水樣分別吸入人工平臺(或工作船)上的“采樣瓶”, 實現(xiàn)**分層、多層同步快速采樣. 為了盡可能減少采樣過程對湖底沉積物的擾動, 將采樣架下端錘入湖底, 上端與支撐架固定. 一般采集10~12層水樣.
1.3 懸浮物濃度測定
快速取出搖勻后的水樣(體積一般為250 mL, 較清澈水樣增至500 mL, 渾濁水樣降為150 mL), 用Whatman GF/C(Cat No 1822 047)玻纖濾膜過濾, 在102~105℃烘4 h 至恒重(過濾前的空白玻纖濾膜烘2 h 至恒重), 在干燥器中冷卻2 h以上至室溫, 用十萬分之一的電子天平稱量該玻纖濾膜濾后與濾前質(zhì)量差, 計算懸浮物濃度.
1.4 水柱總懸浮物量計算
單位面積水柱總懸浮物含量, 根據(jù)水樣所處各水層水樣的懸浮物含量, 由下式計算:
1,niiiqssz==?ΔΣ
其中: q為單位面積水柱懸浮物含量, kg/m2, ssi為第i水層懸浮物含量, kg/m3, izΔ為第i水層的厚度, m.
1.5 沉積物再懸浮量計算
由于太湖湖流很小, 懸浮物的平流輸移可以忽略不計, 這樣在某一時段底泥再懸浮量可以用下式計算 其中: 為t1時刻單位面積水柱 21,ttqqqΔ=?1tq
表1 太湖懸浮物各組測點位置、時間、天氣
組合
時間
天氣
位置
2003年1月13日17時
多云
A
2003年1月14日10時
多云
太湖南部浙江湖州長兜港
2002年10月3日9時
多云
B
2002年10月6日9時
多云
2003年6月6日10時
陰
C
2003年6月12日19時
多云
2003年7月9日13時
陰
D
2003年7月9日23時
陰
太湖北端梅梁灣太湖站圍欄區(qū)無植被區(qū)
2002年10月3日9時
多云
E
2002年10月6日9時
多云
太湖北端梅梁灣太湖站圍欄區(qū)植被區(qū) 2542 www.scichina.com
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總懸浮物含量, kg/m2 ; 為t2時刻單位面積水柱總懸浮物含量, kg/m2. 2tq
1.6 容重、含水率測定
改良的環(huán)刀法: 借助土壤學(xué)的環(huán)刀法原理, 根據(jù)湖泊表層沉積物的特點, 對原“環(huán)刀法”[12]進行了改進, 加工了特制的不銹鋼環(huán)刀(外徑20 mm, 內(nèi)徑18 mm, 高8 mm, 內(nèi)體積為V ), 進行測量. 利用柱狀采樣器, 采集表層沉積物柱樣, 保持原始結(jié)構(gòu)不被破壞. 首先用電子天平稱量“小坩堝+環(huán)刀”的質(zhì)量(go), 然后再快速稱量“小坩堝+環(huán)刀+濕沉積物”的質(zhì)量(gw), *后再在102℃條件下烘8 h至衡重, 干燥器中冷卻2 h至室溫后稱重, 得“小坩堝+環(huán)刀+干沉積物”的質(zhì)量(gd), 則: “含水率”W(%)為
W = 100(gw ? gd)/(gw ? go)
“濕容重”γwet(kg/m3)為
γwet =(gw?go)/V,
“干容重” γdry (kg/m3)為
γdry =γwet(1?W ). www.scichina.com 2543
2 結(jié)果
2. 1 懸浮物濃度
根據(jù)野外現(xiàn)場觀測以及對懸浮物濃度分析, 對于水深>1 m的湖區(qū), 當(dāng)平均波高< 0.08 m時, 基本不能擾動沉積物, 湖面水色與無風(fēng)浪狀態(tài)完全相同, 基本呈現(xiàn)無風(fēng)浪狀態(tài). 當(dāng)平均波高>0.12 m時, 觀測點波浪破碎, 出現(xiàn)浪花, 大量的湖底沉積物被擾動, 湖面水色與無風(fēng)浪狀態(tài)完全不同的狀態(tài).
觀測期間風(fēng)速介于0~15 m/s, 其中10 min平均*大風(fēng)速為9.3 m/s. 圖3為觀測期間獲得懸浮物濃度垂直分布.
從圖3中可以看出: 水體懸浮物含量變化很大, *小為0.0281 kg/m3, *大可超過0.100 kg/m3. 表層水體(即距水-氣界面0.30 m內(nèi)的水體)變化范圍較小, 而底層水體(一般為距水-沉積物界面0.30 m內(nèi)的水體, 本文為距水-沉積物界面0.05 m內(nèi)的水體)變化范圍很大, 說明底層水體懸浮物濃度的變化要比表層水體劇烈得多. 在無風(fēng)浪狀態(tài), 懸浮物濃度變化范圍較小, 而在大風(fēng)浪狀態(tài)懸浮物濃度變化范圍較大(圖3). 因此, 風(fēng)浪是驅(qū)動大型淺水湖泊復(fù)雜多變重要因子.
中層及上層水體懸浮物濃度與表層比較接近, 而底層水體懸浮物濃度明顯高于表層(圖3), 說明風(fēng)浪對沉積物的擾動引起的再懸浮作用, 在水體的底層更為強烈. 大風(fēng)浪狀態(tài)各層水體懸浮物濃度相對
圖3 無風(fēng)浪條件(a)與大風(fēng)浪條件 (b)水體懸浮物含量(ss)垂向分布
組合A， 組合B， 組合C， 組合 D， 組合E
于無風(fēng)浪狀態(tài)明顯增高(圖3), 這說明大風(fēng)浪作用可使各水層懸浮物濃度增高1倍以上, 尤其底層水體增加1~2個數(shù)量級.
2.2 再懸浮量
單位面積水柱總懸浮物量的變化范圍為0.020~1.70 kg/m2; 無風(fēng)浪狀態(tài)為0.020~0.115 kg/m2, 平均為0.086 kg/m2; 大風(fēng)浪狀態(tài)為0.23~1.70 kg/m2,平均為0.610 kg/m2.
風(fēng)浪的擾動, 使得湖底表層沉積物, 迅速再懸浮進入水體; 風(fēng)浪消失, 又快速返回湖底成為表層沉積的一部分. 利用大風(fēng)浪狀態(tài)單位面積水柱總懸浮物量與無風(fēng)浪狀態(tài)的差值求取再懸浮量, 其變化范圍為0.170~1.610 kg/m2, 平均為0.524 kg/m2(表2).
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表2 太湖各組測點單位面積水柱總懸浮物量(q)、表層替代而成的整個水柱懸浮物總估算量(qs )、 單位面積水柱再懸浮物量(Δq )、沉積物擾動的當(dāng)量厚度(H )
組合
風(fēng)向
風(fēng)速/m·s?1
平均波高/m
風(fēng)浪狀態(tài)
q/kg·m?2
qs/kg·m?2sqq/%
Δq/kg·m?2
H/mm
S
1.4
0.028
無風(fēng)浪
0.102
0.097
95.1
A
N
6.2
0.172
大風(fēng)浪
0.289
0.202
70.0
0.187
0.445
S-SSW
4.0~4.3
0.066
無風(fēng)浪
0.072
0.064
88.8
B
NWW
5.7~8.0
0.132
大風(fēng)浪
0.385
0.238
61.8
0.313
0.745
NW-SW
1.7~2.3
0.046
無風(fēng)浪
0.062
0.052
84.1
C
S
8.3~8.7
0.209
大風(fēng)浪
0.232
0.176
75.9
0.170
0.405
W-NWW
7.3~9.3
0.217
大風(fēng)浪
0.449
0.157
35.1
D
N
1.0~3.3
0.033
無風(fēng)浪
0.113
0.099
87.0
0.335
0.798
S-SSW
4.0~4.3
0.043
無風(fēng)浪
0.082
0.086
105
E
NWW
5.7~8.0
0.152
大風(fēng)浪
1.70
0.242
14.3
1.610
3.83
3 討論
3.1 太湖懸浮物分層觀測的必要性
在無風(fēng)浪狀態(tài), 中層及上層水體懸浮物濃度與表層比較接近, 其比值接近于1, 然而底層水體的懸浮物濃度明顯高于表層(圖3), 用表層懸浮物濃度代表整個水柱時, 其結(jié)果往往偏低, 常常為實際值80%~85%(表2).
在風(fēng)浪狀態(tài), 中層及上層水體懸浮物濃度與表層的差異增大, 尤其底層水體懸浮物比上部水體高1~2數(shù)量級(圖3), 用表層濃度代表整個水柱時, 誤差更大, 多為實際值的一半, 目前得到的*低值僅為實際值的14%(表2). 因此, 不能隨便用湖泊表層或上部水體的濃度來代替整個水柱的濃度.
3.2 風(fēng)浪擾動沉積物的當(dāng)量厚度
為了估算風(fēng)浪作用導(dǎo)致的湖底沉積物懸浮物的總量與厚度, 可以使用“當(dāng)量厚度”的概念, 即與單位面積水柱懸浮物總量相當(dāng)?shù)暮妆韺映练e物厚度. 當(dāng)量厚度計算方法[13,14]為
H＝Δq/γ dry
或H＝Δq/(γ wet (1? W)),
式中H為當(dāng)量厚度, Δq為再懸浮量, γ dry為沉積物干容重, γ wet為沉積物濕容重, W為沉積物含水率.
根據(jù)對太湖表層沉積物的多次測定, 表層25 cm內(nèi)的沉積物, 平γ wet均為1540 kg/m3(變化范圍1100~ 1780 kg/m3), W平均為43.4% (30.5%~76.0%); 表層1cm內(nèi)的沉積物, γ wet平均為1200 kg/m3 (1100~1470 g/m3), W平均為65%(47.0~76.0%). 因此, 本文γ wet取1200 kg/m3, W取65%.
利用上述方法計算了各組測點風(fēng)浪對湖底表層沉積物擾動的當(dāng)量厚度(表2). 通常風(fēng)浪擾動沉積物的當(dāng)量厚度較小, 目前所檢測到的范圍為0.405~3.83 mm, 平均為1.25 mm; 太湖北端梅梁灣太湖站圍欄區(qū)植被區(qū), 風(fēng)速達到8 m/s, 平均波高0.15 m, 風(fēng)浪對表層沉積物的擾動當(dāng)量厚度也僅有3.8 mm(組合E, 表2).
由于表層沉積物被擾動再懸浮進入水體, 又極易凝聚增大成團塊, 當(dāng)波浪的擾動稍有降低, 便會快速重新返回床面, 因此, 目前所測到的表層沉積物擾動的當(dāng)量厚度, 與平均波高不是簡單正相關(guān). 例如, 太湖北端梅梁灣太湖站圍欄區(qū)無植被區(qū), 在平均波高由0.132 m(組合B)增至0.209 m(組合C)時, 擾動當(dāng)量厚度卻由0.745 mm(組合B)降為0. 405 mm(組合C); 又在平均波高0.209 m(組合C)與0. 217 m(組合D)相近的條件下, 擾動當(dāng)量厚度可相差1倍(0.404 mm, 組合C; 0.798 mm, 組合D, 表2). 究其原因, 在組合C狀態(tài), 刮的是8.3~8.7 m/s南風(fēng), 形成大規(guī)模風(fēng)涌水, 位于北岸的測點水位增高近0.5 m, 即水深增加近0.5 m, 大大降低了風(fēng)浪對表層沉積物擾動, 呈現(xiàn)平均波高很大擾動當(dāng)量厚度卻并不大的現(xiàn)象; 在組合B狀態(tài), 刮的是西偏北風(fēng), 形成一定規(guī)模風(fēng)退水, 位于北岸的測點水位降低, 水深變淺, 增大了風(fēng)浪對表層沉積物擾動, 造成平均波高不是很大擾動當(dāng)量厚度卻較大的現(xiàn)象.
另外, 在太湖馬跡山附近(N31.38214°E120. 14094°, 圖1)0.50 m深的柱狀沉積巖芯中, 1952年、1963年與
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1986年137Cs的峰, 依然清楚地保存在沉積物中, 分別位于泥深0.085, 0.065, 0.025 m處[15], 至少說明近50多年來的風(fēng)浪對沉積物的擾動沒有到達泥深 0.085 m處, 近20年來風(fēng)浪對沉積物的擾動沒有到達泥深0.025 m處, 這也說明風(fēng)浪擾動沉積物厚度很小.
4 結(jié)語
在無風(fēng)浪狀態(tài)下, 用表層懸浮物濃度代表整個水柱時, 其結(jié)果往往偏低; 在風(fēng)浪條件下, 因底層水體懸浮物濃度大大高出上部水體, 誤差更大, 其結(jié)果
多為實際值的50%. 風(fēng)浪通常擾動沉積物的厚度較小, 為毫米量級.
然而, 本文研究還是初步的, 波流引起的邊界層問題, 是一個需要深入研究的問題, 事實上, 它也是國際上一個研究重點, 值得深入研究.
致謝 作者對秦伯強在經(jīng)費方面的支持; 范成新在實驗設(shè)計方面、高光在實驗分析與資料方面、季江在野外作業(yè)方面、沈吉在資料對比方面、高抒與王蘇民在中文稿以及王平在英文稿審修方面提供的幫助, 在此一并表示誠摯感謝. 本工作由中國科學(xué)院知識**項目(批準號: KZCX1-SW- 12-II)與中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所方向前沿項目(批準號: CXNIGLAS-A02-01)及科技部“十五”重大專項基金(批準號: 2002AA601011-04-05)同等聯(lián)合資助.
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