中图分类号：TV131.4 文献标识码：A 文章编号：0559-9350（2011）02-0173-07
Analysis of conveying mechaNIsm of wind-driven current forming the sediment distribution in Taihu Lake
ZHAO Qiao-hua1，ZHU Guang-wei2，QIU Hui1
Abstract：Based on the data of average wind speed in meteorological stations of Dongshan，Wuxi and Yixing from 1997 to 2007， and wind direction and frequency weight of wind direction in Taihu Station from 1997 to 2001，the spatial distribution of convergence of lake current and subsidence velocity were calculated by Finite Volume Coastal Ocean Model （FVCOM）. The results show that the regions of lake current are distributed in bays in north， western coastwise， the north of bays in east of lake Taihu as well as the south region of mountain Pingtai-shan. The distribution of convergence in east coastwise is relatively scattered. It consistents with the distribution of subsidence region. The distribution of convergence and subsidence regions agreed with that of sediment in the Taihu Lake，so it is one of the key factors affecting the distribution of sediment that convergence and subsidence region of lake current driven by wind fields. The result is helpful to research on the mechanism of the effect of sediment on spatial distribution of nutrient and underwater light climate in the Taihu Lake.
Key words：convergence；subsidence region；sediment；flow field
1 研究背景
大型浅水湖泊（如太湖）的水生生态系统的结构和功能主要受到因湖流、风浪等动力作用而造成的底泥再悬浮、内源释放、悬浮质输移等过程的影响，因而浅水湖泊的风浪、湖流等动力学及其生态环境效应、沉积物及其内源污染问题、生态系统结构与功能，以及富营养化问题等成为近十年来的研究热点问题［1-5］。
湖泊沉积物是有机物、无机物、营养盐及污染物在物理、化学、生物作用下，通过长期絮凝、搬迁、沉降等过程形成的。湖泊沉积物的厚度分布及其空间特征对于湖泊的营养盐循环过程、生态系统结构等有重要的影响，尤其是在浅水湖泊中，这种影响更为重要：一方面，沉积物通过再悬浮作用进入水体，降低了水体的透明度，影响水生植物（尤其是沉水植物）的光合作用［6］，而降低水体中悬浮物的浓度，提高水体的透明度，是恢复或保持浅水湖泊健康状态的关键［7］；另一方面，沉积物中的营养盐通过再悬浮作用得以释放到水体中，将增加水体中营养盐的浓度，从而影响水生植物的生长［8-9］。可见湖泊沉积物的分布等特性是影响水生生态系统的一个关键因子。
现今关于太湖动力学的研究多数集中在风浪、湖流及其环境效应等热点问题，而对于沉积物在湖泊中迁移、堆积机制方面的研究并不多，并主要集中在以下两个方面：（1）沉积物对于水体营养盐的影响、沉积物地球化学性质以及环境信息记录［10-13］。（2）监测沉积物的分布及其成分特征［14-17］。对沉积物分布的形成机理研究相对较少。
对大型浅水湖泊而言，尽管大的风浪过程或非主导风向会引起底泥的再悬浮和重新分布，但从孙顺才等［17］及范成新等［16］不同时间对沉积物的观测结果来看，湖泊的沉积物厚度空间分布的特点并没有太大的变化。到目前为止，对沉积物分布机制的研究仍基本停留在定性描述。鉴于太湖的水生生态系统的功能日益退化，及沉积物分布对水生生态系统的重要作用，本文利用风场驱动下的动力模式，探讨风生流对太湖沉积物分布的影响机制，为进一步研究水-土界面物质交换、水环境的变化成因及水生生态系统的演替奠定基础。
2 风场驱动下的湖流模拟
2.1 驱动场的设定
为探讨风场驱动下湖流对太湖沉积物分布的影响机制，本文采用麻州大学开发的非结构有限元近海海洋环流模型（Finite Volume Coastal Ocean Model，FVCOM）进行分析。
该模型采用三角网格，以便更好地拟合边界；数值计算采用有限元的积分方式和合理的计算格式，使得动量、能量和质量有较好的守恒性［18］。同时使用Mellor-Yamada 2.5 阶湍流闭合子模型计算垂向混合，使用Smagorinsky湍流闭合子模型计算水平混合，使模型在数学、物理方面得以闭合，且引入了水平方向的湍流扩散系数和垂直方向的扩散系数，上述两系数是由流场的运动状态决定的（即运动的函数），克服了以往太湖水动力学模型中将其设为常数的不足［18］。由于本文的目的是探讨风生流对沉积物输送的机制；加上对太湖而言，湖流主要是由风场驱动下产生的风生流，吞吐流对整个太湖的湖流影响相对较小［19］，因而侧边界采用闭边界条件，忽略吞吐流对湖流的影响。根据太湖周边的无锡、宜兴及东山3个观测站1997—2007年的平均风速，取为3.5m/s；风向设定为16个方向。
2.2 散度场及下沉速度场的计算
散度表征的是物质面积元的面积在运动中的相对膨胀率。即由此可判定辐散辐合。
式中：D 为流场的散度；u 为x 方向的速度；v 为y 方向的速度。
尽管太湖地处季风带，冬夏两季有明显的盛行风，但非主导风向对沉积物的再悬浮和再分布有着重要的作用［8］。因而根据风向频率的权重，对流场的散度、垂直速度进行加权平均求和，以表征流场长期对悬浮物分布的作用。风向频率的权重根据太湖站在1997—2001 年统计的风向频率（见表1）［20］确定。
表1 太湖站1997—2001年年统计风向频率
相关计算参数见下式。
式中： ψ 为加权平均后的散度；ri为第i 个风向的频率；Di为第i 个风向的风引起的流场散度。
式中： W 为加权平均后的垂直速度； wi 为第i 个风向的风场驱动下的垂直速度。
3 计算结果及其分析
在浅水湖泊中，沉积物再悬浮主要是由于波浪作用［13，21-22］，湖流的主要作用是对再悬浮的沉积物进行搬迁。在因切应力作用而启动的沉积物中，容重较大的部分随湖流的垂直运动输送到水体上层相对较难，因而即使启动了，也难以进行远距离的输送。只有容重相对较小的部分得以进入水体的上层，进行远距离的输送，而下沉运动为沉积物的沉降提供了便利条件，所以要探讨湖流对沉积物分布的影响机制，需关注的是水体上层流场的辐合、辐散（表示在水平方向上流场的空间汇合、发散）及底部下沉运动的空间分布特征。
3.1 加权平均散度空间分布
图1给出了太湖分区的地理分布图。
图1 太湖分区的地理分布
图2、图3给出的σ 坐标上的第一、第二两层加权平均辐合区（正值表示辐合）的空间分布。第一层辐合区（图2）主要集中在以下几个区域：太湖西部沿岸区、太湖北部湖湾区、湖心的部分区域以及东部沿岸的湖湾区。
太湖西部沿岸，从小梅口附近沿新塘港、大浦港基本为较强的成片辐合区，且由北向南，辐合区域面积逐渐增大。
竺山湾，辐合区基本分为该弯区的西北部和南部两区域，且这两区域与太湖西部沿岸区呈分离状态。
梅梁湾，辐合主要集中在该湾内西部区域，基本与湾外连成片，且呈现向东部递减的趋势。
贡湖湾，辐合区主要分布在该湾内东北部和西南部区域。
东部沿岸的湖湾区（胥口湾及其附近的弯区），及西山南部狭长的过渡带，都有辐合区存在，但辐合区分布相对分散，基本未连成片状。
在东太湖，其辐合区主要分布在该湾区北部。
西太湖中部平台山以南的太湖中心区域，存在一个明显的辐合区。
第二层加权辐合区空布图（图3）基本与第一层类似，只是相对分散一点。
图2 第一层辐合区分布（单位：10-6/s）
图3 第二层辐合区分布（单位：10-6/s）
3.2 加权平均垂直速度空间分布图
4—6给出的坐标上的第三、第四及第五层加权平均垂直速度（正值为向下）的空间分布。就沉积物再悬浮而言，辐合（辐散）只表示在水平方向上的沉积物的空间汇合（发散），只有配合垂直方向速度的下沉，沉积物才能在湖底得以沉积，为了进一步分析沉积物空间分布的动力学机制，现对湖流加权平均的下沉区空间分布加以说明。
图4表示下沉区分布是紧邻第一、二层辐合区分布的下层，下面就其空间分布加以说明。
太湖西部沿岸，由南向北下沉区呈现越来越大的片状，并向东部逐渐减弱，随深度下沉区域面积和下沉速度增大，在西北部沿岸增加的尤为明显（图5、图6）。
竺山湾，其下沉区主要分布在该湾内西北部，向东逐渐减弱，其与湾外呈分离状态。
梅梁湾，下沉区也是分布在该湾区的西部并向东递减性扩展，下沉区基本覆盖了整个湾区的50%，随深度的递增，下沉区的面积扩大（图5、图6），与湾外基本分离；而在竺山湾和梅梁湾的过渡带有成片的下沉区，该下沉区与太湖西部沿岸的下沉区相连。
贡湖湾，下沉区主要分布在该湾区的东北部沿岸和西南部区域，随深度而增大，东北部下沉区向西扩展，下沉速度也在增大。
图5 第四层下沉速度分布（单位：10-6m/s）
图6 第五层下沉速度分布（单位：10-6m/s）
图7 太湖沉积物分布
东部湾区（胥口湾及其附近的弯区）有着3个离散的下沉区。
东太湖，下沉区主要分布在湾区的北部，下沉面积亦随深度增加而增大（图4—6）。
西太湖中部平台山以南的太湖中心区域，有着一个下沉区，且随深度的递增，该区域越明显（图5、图6）。
从流场的既辐合又下沉区的空间分布来看，适合沉积物下沉、堆积区域主要分布如下：竺山湾西北部；梅梁湾的西部；贡湖湾的东北部及西南的小片区域；湖西部沿岸及竺山湾和梅梁湾之间的过渡带；东部主要分布在西山东北的胥口湾附近的3个弯区；东太湖的北部沿岸；还有一个明显的区域就是西太湖中部、平台山以南的太湖中心区域。
3.3 太湖沉积物的空间分布
2002年4—5月，在太湖基本均匀分布的118个离散点位测定了沉积物深度，通过立方插值法得出了沉积物的分布图（图9）。
太湖沉积物的总体分布特征如下：太湖西部沿岸，该区域沉积物分布较厚且面积较大；湖东部沿岸分布区域小，全湖分布极不均匀。贡湖湾的沉积物主要分布在大贡山以北及以西的区域；竺山湾分为北部和南部两片；东太湖基本被底泥全部覆盖（参见图9）。
东太湖的辐合流场和下沉区域的分布与沉积物厚度的分布非常吻合，而就梅梁湾、竺山湾而言，东太湖沉积物的分布面积与辐合区、下沉区的吻合程度相对较差。其原因可能是在这两个区域风的吹程大，正南风（正西风）频率相对较小，使得这两个区域的水体流速相对较小，易于沉积物的沉降，加上入湖河道、出湖河道输入及古河道的影响，因而在这3个湾区基本上均有沉积物覆盖［15］。
由于东太湖为太湖的排洪通道，且东太湖较浅（图8），使得洪水抵达此地后，流速减缓，造成沉积物易在此区域沉降，从而呈现流速及水位的变化与沉积物厚度分布呈现负反馈的特征，因而东太湖基本为沉积物所覆盖；同时在东太湖湾区内的辐合和下沉的配合下，使得其沉积物厚度在该湾区北部相对较大（图9）。
就西太湖中部平台山以南的太湖中心区域而言，范成新等［3］和Luo等［15］报道的结果有所差异（见图7），也未报道该区域的沉积物分布的特征；孙顺才等［17］对其进行了专门的研究，他认为该处的沉积物的分布是由于风暴流引起的沉积，但从辐合场和下沉区的分布来看（图3—6），该区域的沉积物积累并非完全是由风暴或台风引起的，而是在该区域存在适合沉积物沉降的动力条件。从水深的分布来看（图8），在该区域确实存在一明显的沉积物堆积区，与水体动力特征非常吻合，且由于该区域位于湖心地带，再悬浮的沉积物输移的路程相对较小，因而其粒子的半径也较沿岸和湾区的大，这也与孙顺才等［17］研究的结果较为一致。
由于湖东部相对辐合区域相对较为分散，所以其沉积物的分布也较西部要薄。
图8 水深分布（单位：m）
图9 沉积物深度空间分布（单位：m）
4 讨论
湖泊沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，是入湖物质如有机物、营养盐、污染物等的主要蓄积场所，且沉积物的空间分布直接关联到沉积物的再悬浮及其环境效应。就浅水湖泊而言，引起沉积物再悬浮的主要动力是风浪引起的切应力，而引起沉积物空间分布的主要动力因素是湖流和垂直运动［8，23-24］，另一个影响沉积物再悬浮和再分配的因素是沉积物本身的特性（颗粒的太小及其组成等）。
就动力因素而言，由于太湖属于典型的大型浅水湖泊，风的吹程长，风能通过交换使得水体获得更多的动能，因而风浪作用显著的区域易使底泥再悬浮进入水体，而湖流对其进行搬运，在搬运过程中，密度较小的沉积物较易进入上层水体，而被输移得较远的区域，在附近的流场辐合区得以汇合，使得在汇合区沉积物的浓度增大，而沉积物的沉降速度随沉积物浓度增大而增加［25］，再加上辐合区域多配合水体的下沉运动，使得沉积物在辐合区与下沉区汇集、积淀，造成沉积物在这些区域深度加大（如太湖西岸区域），而辐散及上升区域沉积物难以汇合，主要是存在侵蚀作用，从而该区域只存在硬底（湖心区域）（见图2—6），从而证实了风场驱动下的流场辐合及下沉是决定太湖沉积物空间分布的关键因子之一。
就风向而言，由于太湖位于典型季风区，在冬夏两季存在明显的盛行风向，尽管风浪显著，但在长期盛行风引发的侵蚀作用下，盛行风对沉积物的再悬浮作用并不显著，只有在更大风速的作用下，切应力增大才能使其悬浮加大。而非主导风向的作用反而对沉积物的再悬浮作用相对明显，可见不同风向作用下的流场特征对沉积物的分布却相对重要［8］，因而在考虑沉积物分布的动力学机制过程中，对各个风向频率均需加以考虑，前文对不同风向引发的流场特征与沉积物分布吻合的事实也证实了这一点。
5 结论
根据不同风向的频率权重， 从风生流输送的角度， 通过湖流的辐合区及下沉速度区的空间分布，解释了太湖底泥厚度空间分布的形成机制。流场辐合区、下沉区的分布与太湖沉积物厚度分布非常吻合，说明风场驱动下的流场辐合及下沉是决定太湖沉积物空间分布的关键因子之一。太湖沉积物厚度的空间分布是不同风向引发的流场按频率权重共同作用而形成的。
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作者简介：赵巧华（1972-），男，江西南昌人，副教授，博士，主要从事水光学及水环境研究。
