风浪扰动条件下沉水植物对水流结构及底泥再悬浮的影响

文章编号:1009-6094(2014)02-0107-05风浪扰动条件下沉水植物对水流结构及底泥再悬浮的影响*王超，张微敏，王沛芳，雷阳，郑莎莎(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，环境学院，南京210098)摘要:太湖底泥在风浪条件下的再悬浮及其与上覆水体之间污染物的释放扩散特性研究越来越受到国内外学者的重视，但水生植物的影响机制还有待深入研究。在鼓风式环形水槽种植天然沉水植物苦草，利用三维声学多普勒流速仪ADV研究水流特性，用悬浮颗粒物SPM质量浓度表征底泥再悬浮量，分析不同风速条件下沉水植物水流结构的变化及对底泥再悬浮的抑制作用。结果表明，在大风(8.78m/s)、中风(5.95m/s)、小风(3.21m/s)扰动作用下，对照组水槽中水流结构均服从指数分布，且距离水体表层10cm以内区域流速受风速的影响最明显，垂向变化梯度最大，随水深增加，变化梯度逐渐减小。试验组有沉水植物的水槽水流流速均小于对照组流速，水流结构明显改变，植物有效高度内流速变化缓慢，大、中、小风情况下分别稳定在0.7cm/s、1.5cm/s、2.1cm/s左右;植物层以上区域流速变化梯度则较大，特别是在中风情况下，从1.7cm/s增加到9.35cm/s，增加了4.5倍。同时，沉水植物对底泥再悬浮有显著抑制作用，上覆水悬浮物质量浓度降低了90%以上，并最终保持在6.3～13.3mg/L的低质量浓度状态。关键词:环境工程学;风浪条件;环形水槽;水生植物;水流结构;底泥再悬浮中图分类号:X173文献标识码:ADOI:*收稿日期:2013-11-08作者简介:王超，教授，从事水环境保护与生态修复研究;王沛芳(通信作者)，教授，从事水资源保护和水污染控制研究，pfwang2005@hhu．edu．cn。基金项目:国家重大基础“973”研究项目(2010CB429006);“十二五”水专项(2012ZX07101-008)0引言浅水湖泊沉积物易受波浪、湖流、疏浚及船只航行等外力扰动的共同作用而频繁发生再悬浮［1］。不同扰动过程对浅水湖泊的环境演化有着复杂而深远的影响［2］，风浪扰动作用尤为突出。国内外学者采用波浪水槽法［3－4］、Y型水槽法［5］、再悬浮振荡器法［6－7］等模拟风浪来研究其对浅水湖泊环境演化的影响。天然河道及其漫滩上生长着各种植物，作为湖泊生态系统的重要调节者［8－9］，水生植被对水流运动的影响是国内外学者的研究热点［10－11］。许多学者采用室内模拟试验［12］及通过完善模型来模拟水体流动［13－14］。王忖等［15］通过水槽试验分析了水生植物明渠水流的水力特性及底泥再悬浮规律。Helmi¨o［16］在已有模型的基础上，考虑河道和漫滩底部粗糙度、河漫滩植被引起的阻力，分析了植被覆盖对阻力的影响。水生植物不仅影响河道的水流结构［17］、减少水体浊度［18］，还能够通过降低沉积物的输移能力及再悬浮过程中的挟带能力影响其迁移转化过程［19］。Horppila等［20］研究了Hiidenvesi湖栽种不同植被区域的底泥再悬浮及内源磷的释放情况。刘诚等［21］在建立的三维湍流模型中加入植被阻力项和植被密度项来考虑刚性植物对水动力特性和泥沙输送特性的影响。关于沉水植物对河道水流影响的研究多选用模拟植物材料或数值模拟，然而，由于试验条件的限制，仅对少数有限几种植物进行了原型测验或室内水槽试验研究，且室内模拟再悬浮试验多采用机械方法，试验底泥的原状性受到一定的破坏，与湖泊实际情况差异较大，因此，与原型植物的相似性、原位自然情况的代表性及植物水流结构的变化规律都有待进一步提高和深入研究。本文将野外采样与室内模拟试验分析相结合，以天然植物对水流结构影响及浅水湖泊沉积物的再悬浮特征为主要研究对象。利用自主设计的鼓风式环形水槽，研究风浪扰动下不同水动力强度、作用时间和植被覆盖情况下，水流结构变化情况及沉积物的再悬浮变化特征，探讨植被与水流的相互作用，深入理解植被与水流之间的作用机理，旨在为河流水环境保护和水生植物修复技术开发提供依据。1材料与方法1.1试验装置试验所用鼓风式环形水槽由河海大学环境学院设计［22］。该水槽由有机玻璃制成，包括水槽主体、鼓风机设备和出风口装置(图1)。环形水槽总长度为1.62m，高为0.7m，过水断面宽为0.205m(图2)。环形水槽在不同高度处设有3个取样口，距水槽底部分别为12cm、20cm、40cm。该水槽利用鼓风机前挡板调节风速，使水体产生定向流动，实现对不同强度风浪扰动下水流结构的模拟。1.2样品采集与分析试验所用沉积物为太湖表层沉积物，于2013年7月2日在竺山湾(31°24.895N，120°02.573E)采集。竺山湾是太湖北部水质污染最严重且恶化速率最快的湖湾之一［23］。采样时使用彼得逊采泥器采集沉积物，立