论 文 第 50 卷 第 22 期 2005 年 11 月
太湖沉积物再悬浮观测
胡春华① 胡维平① 张发兵①② 胡志新①② 李香华③ 陈永根①②
(① 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 南京210008; ② 中国科学院研究生院, 北京100049; ③ 河海大学,
南京210098. e-mail: , )
摘要 为了揭示大型浅水湖泊沉积物的再悬浮强度, 利用高精度分层同步采样技术, 进行了太湖的悬浮物垂向分布的原位观测. 结果表明,
在无风浪状态下, 用表层悬浮物浓度计算整个水柱的悬浮物总量时, 其结果常常为实际值的80% ~ 85%; 而在风浪状态,
底层水体悬浮物浓度与表层有数量级的差异, 用表层悬浮物浓度计算整个水柱的悬浮物总量时, 误差更大, 其结果多为实际值的50%.
一般条件下, 风浪扰动沉积物再悬浮的厚度较小, 为毫米量级.
关键词 悬浮物 沉积物输移 再悬浮 大型浅水湖泊 太湖
太湖是一个大型浅水湖泊, 水面面积2338 km2, 流域面积36500 km2, 平均水深1.9~2.0 m[1],
它频繁受风的作用, 底部沉积物在风浪作用下, 易发生再悬浮, 导致沉积物中的营养盐进入水体, 从而改变湖泊的营养盐条件. 因此,
湖泊沉积物的再悬浮及内源释放日益受到重视[2~11].
范成新等[10]在室内用机械振荡方法, 进行风浪对底泥再悬浮模拟实验, 并通过实验中的悬浮物浓度与太湖表层的实测悬浮物浓度的等级比较,
进而确定振荡器的转速与太湖风速对应关系, 从而获得风速对太湖沉积物扰动产生的悬浮颗粒物通量. 但是,
利用太湖表层的悬浮物浓度代表整个水柱悬浮物浓度是有条件的, 在较强风浪作用下, 悬浮物浓度垂直分布差异极大, 等级对比存在较大误差;
风场一致, 但诸如水深等其他条件不同, 水体悬浮物含量也可不一致.
秦伯强等[11]根据室内实验结果, 分析太湖沉积物悬浮的临界应力, 确定了太湖沉积物悬浮的临界值,
以及沉积物大规模悬浮所需的风浪切应力, 又依据太湖沉积物柱样垂向剖面理化性质在表层5~10 cm(不同湖区)处存在明显的转折界面,
将两者联结, 从而得出参与水—沉积物界面物质交换主要位于顶部5~10 cm. 但是, 该文给出的剪切应力无法与5~10
cm的悬浮扰动深度相联系.
因此, 本文采用垂直方向可**分层的采样设备, 选择不同底泥条件测点, 进行了太湖不同区域底泥再悬浮的原位观测,
获得了不同风浪条件下的悬浮物垂直分布特征, 据此计算水柱总悬浮物含量, 并估算沉积物再悬浮量. 还根据原位实测资料, 对
沉积物再悬浮的机制进行了研究.
1 材料与方法
1. 1 观测点位与观测时间
为了较好地获得太湖典型区域的再悬浮量, 分别在大太湖的南北部各布置1个点(图1).
南部测点位于浙江湖州长兜港(n30.95333°e120.13056°), 距南岸边1000 m, 其北为开阔湖区,
水深1.25~1.30 m, 松软沉积物总厚度大于2 m. 由于受到河流的影响, 表层沉积物有细砂, 为含细砂的黏土质粉砂.
北端测点位于梅梁湾太湖站围栏区(n31.41997° e120.21394°), 东北距岸边120 m, 西南为开阔湖区,
水深1.35 ~1.70 m, 沉积物厚度0.2~0.4 m, 表层沉积物更细, 为黏土质粉砂. 为了使观测结果具有代表
图1 观测点位示意图
性, 还在乌龟山附近、光福湾、东太湖, 以及安徽的
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龙感湖等多处多次进行了验证观测.
为了有效准确获得沉积物再悬浮量, 观测时段包括风平浪静与大风浪过程, 现场同步监测风速风向、波浪等.
风速风向采用自记与手持的两种风速风向仪; 波高采用dj800型多功能监测系统测定(电容直竿式波高仪, 波高量程2.00 m,
中国水利科学院水力学研究所研制), 采样间隔0.1 s, 分层采集水样前后数小时连续自记.
为了使结果具有普遍意义, 2002~2003年, 在不同季节在太湖北端梅梁湾太湖站围栏区及长兜港测点,
进行了大风浪与无风浪(或小风浪)多组观测(表1, 2).
1.2 悬浮物分层采样方法
目前国际、国内湖泊悬浮物水样的采集, 一般沿用于生物表层采样方法. 由于太湖风浪多变, 悬浮物含量变化速度快,
水样分层精度一般在0.25~0.50 m, 同步采集水样很困难, 获得整个水柱悬浮物含量几乎不可能. 为此,
本文研究采用*新开发研制的**分层采样器. 其结构如图2, 工作原理如下.
图2 高精度分层同步采样器示意图
利用“采样架”上的**刻度, 把多个“采样管”固定在**水层, 并把位于各个水层的“采样管”与对应的“采样瓶”连通,
每个“采样瓶”又通过多路导管与“多通室”相连, “多通室”再与“真空设备”相接, 利用大气压, 通过**固定在不同深度水层的导管,
将水样分别吸入人工平台(或工作船)上的“采样瓶”, 实现**分层、多层同步快速采样. 为了尽可能减少采样过程对湖底沉积物的扰动,
将采样架下端锤入湖底, 上端与支撑架固定. 一般采集10~12层水样.
1.3 悬浮物浓度测定
快速取出摇匀后的水样(体积一般为250 ml, 较清澈水样增至500 ml, 浑浊水样降为150 ml), 用whatman
gf/c(cat no 1822 047)玻纤滤膜过滤, 在102~105℃烘4 h 至恒重(过滤前的空白玻纤滤膜烘2 h 至恒重),
在干燥器中冷却2 h以上至室温, 用十万分之一的电子天平称量该玻纤滤膜滤后与滤前质量差, 计算悬浮物浓度.
1.4 水柱总悬浮物量计算
单位面积水柱总悬浮物含量, 根据水样所处各水层水样的悬浮物含量, 由下式计算:
1,niiiqssz==⋅δσ
其中: q为单位面积水柱悬浮物含量, kg/m2, ssi为第i水层悬浮物含量, kg/m3, izδ为第i水层的厚度, m.
1.5 沉积物再悬浮量计算
由于太湖湖流很小, 悬浮物的平流输移可以忽略不计, 这样在某一时段底泥再悬浮量可以用下式计算 其中: 为t1时刻单位面积水柱
21,ttqqqδ=−1tq
表1 太湖悬浮物各组测点位置、时间、天气
组合
时间
天气
位置
2003年1月13日17时
多云
a
2003年1月14日10时
多云
太湖南部浙江湖州长兜港
2002年10月3日9时
多云
b
2002年10月6日9时
多云
2003年6月6日10时
阴
c
2003年6月12日19时
多云
2003年7月9日13时
阴
d
2003年7月9日23时
阴
太湖北端梅梁湾太湖站围栏区无植被区
2002年10月3日9时
多云
e
2002年10月6日9时
多云
太湖北端梅梁湾太湖站围栏区植被区 2542
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总悬浮物含量, kg/m2 ; 为t2时刻单位面积水柱总悬浮物含量, kg/m2. 2tq
1.6 容重、含水率测定
改良的环刀法: 借助土壤学的环刀法原理, 根据湖泊表层沉积物的特点, 对原“环刀法”[12]进行了改进,
加工了特制的不锈钢环刀(外径20 mm, 内径18 mm, 高8 mm, 内体积为v ), 进行测量. 利用柱状采样器,
采集表层沉积物柱样, 保持原始结构不被破坏. 首先用电子天平称量“小坩埚 环刀”的质量(go),
然后再快速称量“小坩埚 环刀 湿沉积物”的质量(gw), *后再在102℃条件下烘8 h至衡重, 干燥器中冷却2 h至室温后称重,
得“小坩埚 环刀 干沉积物”的质量(gd), 则: “含水率”w(%)为
w = 100(gw − gd)/(gw − go)
“湿容重”γwet(kg/m3)为
γwet =(gw−go)/v,
“干容重” γdry (kg/m3)为
γdry =γwet(1−w ). 2543
2 结果
2. 1 悬浮物浓度
根据野外现场观测以及对悬浮物浓度分析, 对于水深>1 m的湖区, 当平均波高< 0.08 m时, 基本不能扰动沉积物,
湖面水色与无风浪状态完全相同, 基本呈现无风浪状态. 当平均波高>0.12 m时, 观测点波浪破碎, 出现浪花,
大量的湖底沉积物被扰动, 湖面水色与无风浪状态完全不同的状态.
观测期间风速介于0~15 m/s, 其中10 min平均*大风速为9.3 m/s. 图3为观测期间获得悬浮物浓度垂直分布.
从图3中可以看出: 水体悬浮物含量变化很大, *小为0.0281 kg/m3, *大可超过0.100 kg/m3.
表层水体(即距水-气界面0.30 m内的水体)变化范围较小, 而底层水体(一般为距水-沉积物界面0.30 m内的水体,
本文为距水-沉积物界面0.05 m内的水体)变化范围很大, 说明底层水体悬浮物浓度的变化要比表层水体剧烈得多. 在无风浪状态,
悬浮物浓度变化范围较小, 而在大风浪状态悬浮物浓度变化范围较大(图3). 因此, 风浪是驱动大型浅水湖泊复杂多变重要因子.
中层及上层水体悬浮物浓度与表层比较接近, 而底层水体悬浮物浓度明显高于表层(图3), 说明风浪对沉积物的扰动引起的再悬浮作用,
在水体的底层更为强烈. 大风浪状态各层水体悬浮物浓度相对
图3 无风浪条件(a)与大风浪条件 (b)水体悬浮物含量(ss)垂向分布
组合a， 组合b， 组合c， 组合 d， 组合e
于无风浪状态明显增高(图3), 这说明大风浪作用可使各水层悬浮物浓度增高1倍以上, 尤其底层水体增加1~2个数量级.
2.2 再悬浮量
单位面积水柱总悬浮物量的变化范围为0.020~1.70 kg/m2; 无风浪状态为0.020~0.115 kg/m2,
平均为0.086 kg/m2; 大风浪状态为0.23~1.70 kg/m2,平均为0.610 kg/m2.
风浪的扰动, 使得湖底表层沉积物, 迅速再悬浮进入水体; 风浪消失, 又快速返回湖底成为表层沉积的一部分.
利用大风浪状态单位面积水柱总悬浮物量与无风浪状态的差值求取再悬浮量, 其变化范围为0.170~1.610 kg/m2,
平均为0.524 kg/m2(表2).
第 50 卷 第 22 期 2005 年 11 月 论 文
表2 太湖各组测点单位面积水柱总悬浮物量(q)、表层替代而成的整个水柱悬浮物总估算量(qs )、 单位面积水柱再悬浮物量(δq
)、沉积物扰动的当量厚度(h )
组合
风向
风速/m·s−1
平均波高/m
风浪状态
q/kg·m−2
qs/kg·m−2sqq/%
δq/kg·m−2
h/mm
s
1.4
0.028
无风浪
0.102
0.097
95.1
a
n
6.2
0.172
大风浪
0.289
0.202
70.0
0.187
0.445
s-ssw
4.0~4.3
0.066
无风浪
0.072
0.064
88.8
b
nww
5.7~8.0
0.132
大风浪
0.385
0.238
61.8
0.313
0.745
nw-sw
1.7~2.3
0.046
无风浪
0.062
0.052
84.1
c
s
8.3~8.7
0.209
大风浪
0.232
0.176
75.9
0.170
0.405
w-nww
7.3~9.3
0.217
大风浪
0.449
0.157
35.1
d
n
1.0~3.3
0.033
无风浪
0.113
0.099
87.0
0.335
0.798
s-ssw
4.0~4.3
0.043
无风浪
0.082
0.086
105
e
nww
5.7~8.0
0.152
大风浪
1.70
0.242
14.3
1.610
3.83
3 讨论
3.1 太湖悬浮物分层观测的必要性
在无风浪状态, 中层及上层水体悬浮物浓度与表层比较接近, 其比值接近于1, 然而底层水体的悬浮物浓度明显高于表层(图3),
用表层悬浮物浓度代表整个水柱时, 其结果往往偏低, 常常为实际值80%~85%(表2).
在风浪状态, 中层及上层水体悬浮物浓度与表层的差异增大, 尤其底层水体悬浮物比上部水体高1~2数量级(图3),
用表层浓度代表整个水柱时, 误差更大, 多为实际值的一半, 目前得到的*低值仅为实际值的14%(表2). 因此,
不能随便用湖泊表层或上部水体的浓度来代替整个水柱的浓度.
3.2 风浪扰动沉积物的当量厚度
为了估算风浪作用导致的湖底沉积物悬浮物的总量与厚度, 可以使用“当量厚度”的概念,
即与单位面积水柱悬浮物总量相当的湖底表层沉积物厚度. 当量厚度计算方法[13,14]为
h＝δq/γ dry
或h＝δq/(γ wet (1− w)),
式中h为当量厚度, δq为再悬浮量, γ dry为沉积物干容重, γ wet为沉积物湿容重, w为沉积物含水率.
根据对太湖表层沉积物的多次测定, 表层25 cm内的沉积物, 平γ wet均为1540 kg/m3(变化范围1100~ 1780
kg/m3), w平均为43.4% (30.5%~76.0%); 表层1cm内的沉积物, γ wet平均为1200 kg/m3
(1100~1470 g/m3), w平均为65%(47.0~76.0%). 因此, 本文γ wet取1200 kg/m3,
w取65%.
利用上述方法计算了各组测点风浪对湖底表层沉积物扰动的当量厚度(表2). 通常风浪扰动沉积物的当量厚度较小,
目前所检测到的范围为0.405~3.83 mm, 平均为1.25 mm; 太湖北端梅梁湾太湖站围栏区植被区, 风速达到8 m/s,
平均波高0.15 m, 风浪对表层沉积物的扰动当量厚度也仅有3.8 mm(组合e, 表2).
由于表层沉积物被扰动再悬浮进入水体, 又极易凝聚增大成团块, 当波浪的扰动稍有降低, 便会快速重新返回床面, 因此,
目前所测到的表层沉积物扰动的当量厚度, 与平均波高不是简单正相关. 例如, 太湖北端梅梁湾太湖站围栏区无植被区,
在平均波高由0.132 m(组合b)增至0.209 m(组合c)时, 扰动当量厚度却由0.745 mm(组合b)降为0. 405
mm(组合c); 又在平均波高0.209 m(组合c)与0. 217 m(组合d)相近的条件下, 扰动当量厚度可相差1倍(0.404
mm, 组合c; 0.798 mm, 组合d, 表2). 究其原因, 在组合c状态, 刮的是8.3~8.7 m/s南风,
形成大规模风涌水, 位于北岸的测点水位增高近0.5 m, 即水深增加近0.5 m, 大大降低了风浪对表层沉积物扰动,
呈现平均波高很大扰动当量厚度却并不大的现象; 在组合b状态, 刮的是西偏北风, 形成一定规模风退水, 位于北岸的测点水位降低,
水深变浅, 增大了风浪对表层沉积物扰动, 造成平均波高不是很大扰动当量厚度却较大的现象.
另外, 在太湖马迹山附近(n31.38214°e120. 14094°, 图1)0.50 m深的柱状沉积岩芯中,
1952年、1963年与
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1986年137cs的峰, 依然清楚地保存在沉积物中, 分别位于泥深0.085, 0.065, 0.025 m处[15],
至少说明近50多年来的风浪对沉积物的扰动没有到达泥深 0.085 m处, 近20年来风浪对沉积物的扰动没有到达泥深0.025 m处,
这也说明风浪扰动沉积物厚度很小.
4 结语
在无风浪状态下, 用表层悬浮物浓度代表整个水柱时, 其结果往往偏低; 在风浪条件下, 因底层水体悬浮物浓度大大高出上部水体,
误差更大, 其结果
多为实际值的50%. 风浪通常扰动沉积物的厚度较小, 为毫米量级.
然而, 本文研究还是初步的, 波流引起的边界层问题, 是一个需要深入研究的问题, 事实上, 它也是国际上一个研究重点,
值得深入研究.
致谢 作者对秦伯强在经费方面的支持;
范成新在实验设计方面、高光在实验分析与资料方面、季江在野外作业方面、沈吉在资料对比方面、高抒与王苏民在中文稿以及王平在英文稿审修方面提供的帮助,
在此一并表示诚挚感谢. 本工作由中国科学院知识**项目(批准号: kzcx1-sw-
12-ii)与中国科学院南京地理与湖泊研究所方向前沿项目(批准号:
cxniglas-a02-01)及科技部“十五”重大专项基金(批准号: 2002aa601011-04-05)同等联合资助.
参 考 文 献
1 孙顺才, 黄漪平主编. 太湖. 北京: 海洋出版社, 1993. 1~21
2 陈伟民, 陈宇炜, 秦泊强, 等. 模拟水动力对湖泊生物群落演替的实验. 湖泊科学, 2000, 12(4):
342~351
3 秦伯强, 胡维平, 陈伟民, 等. 太湖梅梁湖水动力及相关过程的研究. 湖泊科学, 2000, 12(4):
325~334
4 张路, 范成新, 秦伯强, 等. 模拟扰动条件下太湖表层沉积物磷行为的研究. 湖泊科学, 2001, 13(1):
35~43
5 fan chengxin, zhang lu, qu wenchuan. lake sediments resus-pension
and caused phosphate release -a simulation study. journal of
environmental science, 2001, 13(4): 406~410
6 house w a, denison, f h smith j t, et al. an investigation of
the
effects of water velocity on inorganic phosphorus influx to a
sedi-ment. environ pollut, 1995, 89: 263~271[doi]
7 håkanson l, parparov a, hambright. k d, modelling the impact of
water level fluctuations on water quality (suspended particulate
matter) in lake kinneret, israel. ecological modelling, 2000,
128(2~3): 101~125[doi]
8 shelagh montgomery, marc lucotte and louise cournoyer. the use of
stable carbon isotopes to evaluate the importance of fine suspended
particulate matter in the transfer of methylmercury to biota in
boreal flooded environments. the science of the total environment,
2000, 261(1~3): 33~41[doi]
9 malmaeus j m, håkanson l. a dynamic model to predict sus-pended
particulate matter in lakes. ecological modelling, 2003, 167(3):
247~262[doi]
10 范成新, 张路, 秦伯强, 等. 风浪作用下太湖悬浮颗粒物中磷的动态释放估算, 中国科学, d辑, 2003, 33(8):
760~768[摘要] [pdf]
11 秦伯强, 胡维平, 高光, 等. 太湖沉积物悬浮的动力机制及内源释放的概念性模式. 科学通报, 2003, 48(17):
1822~1831[摘要] [pdf]
12 中国科学院南京土壤所. 土壤理化分析. 上海: 上海科学技术出版社, 1978. 466~512
13 gouleau d, jouanneau j m, weber o, et al. short and longterm
sedimentation on montportail brouage intertidal mudflat, maren-nes
oléron bay. continental shelf research, 2000, 20: 1513~
1530[doi]
14 gao s, jia j. sediment and carbon accumulation in a small tidal
basin: yuehu, shandong peninsula, china. reg environ change, 2004,
4: 63~69[doi]
15 刘恩峰, 沈吉, 朱育新, 等. 太湖表层沉积物重金属元素的来源分析. 湖泊科学, 2004, 16(2):
113~119
(2005-05-09收稿, 2005-07-22收修改稿)