湖泊沉積物再懸浮研究進展

鄭莎莎

摘要：湖泊沉積物在受到外力干擾時會發(fā)生再懸浮，這一現(xiàn)象在淺水湖泊中尤為普遍。當外力擾動產(chǎn)生的作用力大于沉積物起動的臨界切應(yīng)力時，再懸浮現(xiàn)象就會發(fā)生。引起沉積物再懸浮的驅(qū)動力主要有風(fēng)浪擾動、生物擾動、清淤、航運捕撈。目前國內(nèi)外對沉積物再懸浮的研究主要通過現(xiàn)場觀測研究、室內(nèi)模擬研究和數(shù)值模擬研究來展開的，并且已經(jīng)取得了一定研究成果。

關(guān)鍵詞：沉積物再懸浮發(fā)生機制動力來源研究歷程

中圖分類號：X52文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0000-00

Review of Lake Sediment Resuspension

ZHENG Shasha

（Jiangsu Union Technical Institute， Nanjing Branch Institute， Nanjing， Jiangsu Province， 210019）

Abstract： Lake sediments are resuspended when disturbed by external force，which is particularly occured in shallow lakes.Resuspension occurs when the external force produces more effects than the critical bottom shear stress of sediment suspension. The driving forces of sediment resuspension mainly include： wind disturbance， biological perturbation， dredging， shipping and fishing. At present， the researches of sediment resuspension at home and abroad are mainly conducted through field observation research， indoor simulation research and numerical simulation research， and certain research findings have been achieved.

Key Words： Sediment; Resuspension; Occurrence mechanism; Source of driving force; Research process

1 沉積物再懸浮的發(fā)生機制

湖泊沉積物是指湖泊中沉積的物質(zhì)，包括湖心沉積物以及湖邊沉積物。湖中心沉積物主要由黑色淤泥和粘土組成，而波浪沖蝕和破壞湖岸產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)則構(gòu)成了湖邊沉積物。遠岸帶沉積物主要由細顆粒的粘性土和砂土組成，近岸帶沉積物主要由粗顆粒的砂土、礫石和卵石組成。此外，湖泊沉積物還包含水生動植物的遺骸和代謝物質(zhì)等。沉積物中還含有豐富的有機質(zhì)和氮、磷、硫、碳等營養(yǎng)鹽以及金屬離子，是湖泊污染物的主要蓄積庫。

湖泊中的沉積物在受到外力干擾時會發(fā)生再懸浮，這一現(xiàn)象在淺水湖泊中尤為普遍。當沉積物起動的臨界切應(yīng)力小于外力擾動產(chǎn)生的作用力時，再懸浮現(xiàn)象就會發(fā)生。沉積物起動的臨界切應(yīng)力受到沉積物組成成分、粒徑大小和生物活動的等多重因素的影響。沉積物再懸浮通量與切應(yīng)力之間可用下面的關(guān)系式表示：

（1）

式（1）中，R為再懸浮過程中沉積物向上覆水釋放的懸浮物通量，單位kg/（m2·s）;M為沉積物再懸浮系數(shù)，單位kg/（m2·s）;τc為沉積物起動的臨界切應(yīng)力，單位N/m2，τ為外力擾動作用于沉積物表面產(chǎn)生的切應(yīng)力，單位N/m2。沉積物再懸浮系數(shù)值受其自身性質(zhì)影響較大，影響要素包括：沉積物粒徑、密度、含水率等。當τ小于τc時，再懸浮現(xiàn)象不會發(fā)生;而當τ大于τc時，沉積物起動，發(fā)生再懸浮現(xiàn)象。

現(xiàn)有的研究表明：湖泊和海洋中沉積物的起動臨界切應(yīng)力通常介于0.01～0.1 N/m2范圍之內(nèi)。KALNEJAIS L H等研究者[1]對美國馬薩諸塞海灣和波斯頓港表層沉積物的再懸浮現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)沉積物起動切應(yīng)力為0.11 N/m2。RAVENS T M等研究者[2]對美國昆西港的表層沉積物進行了研究，發(fā)現(xiàn)其臨界切應(yīng)力為（0.10 ± 0.04）N/m2。秦伯強等研究者[3]通過室內(nèi)實驗與現(xiàn)場觀測，確定太湖沉積物再懸浮的臨界切應(yīng)力為0.03～0.04 N/m2。陳聚法等研究者[4]以水體顆粒物濃度以及風(fēng)速變化為基礎(chǔ)，對山東半島桑溝灣沉積物再懸浮的臨界切應(yīng)力進行了計算，認為其值大概在0.03～0.05 N/m2之間。

2 沉積物再懸浮的動力來源

自然因素和人為因素均會導(dǎo)致沉積物再懸浮，自然因素主要包含風(fēng)浪和水流的擾動以及底棲生物活動等，人為因素主要包含清淤、采沙、船舶運輸、拖網(wǎng)捕撈等。

2.1 風(fēng)浪擾動

風(fēng)浪是引起水體流動的重要的驅(qū)動力，這一作用在淺水湖泊中表現(xiàn)的尤為明顯。風(fēng)浪擾動不僅會影響水位、水流速度和水流方向，對沉積物的輸移以及水環(huán)境中其他污染物的遷移也有著重要的影響。此前的多項研究也表明：風(fēng)浪擾動在沉積物起動中扮演著重要的角色，它通過水體向沉積物傳遞能量，一旦沉積物表面受到的切應(yīng)力超過沉積物起動的臨界切應(yīng)力，沉積物就會發(fā)生再懸浮。根據(jù)秦伯強等研究者[3]的研究，在風(fēng)擾動條件下，太湖沉積物起動的臨界切應(yīng)力范圍為0.03～0.04 N/m2。唐孝橋等研究者[5]的研究發(fā)現(xiàn)，淺水湖泊沉積物再懸浮的臨界風(fēng)速大約為4 m/s。

2.2 生物擾動

生物擾動是指由于底棲生物的活動而造成的沉積物顆粒在水平方向和垂直方向上的小尺度的混合，底棲生物的活動主要包括爬行、掘穴、攝食和排泄等。生物擾動會有效影響沉積物的物理化學(xué)性質(zhì)，例如：沉積物粒徑、孔隙度、滲透性、氧化還原環(huán)境、營養(yǎng)鹽含量等，沉積物性質(zhì)改變會導(dǎo)致沉積物變得疏松，從而更容易再懸浮。除此之外，底棲生物的活動還影響著污染物在沉積物中的遷移與轉(zhuǎn)化。生物擾動能明顯增強沉積物再懸浮的可能性，生物擾動能增強顆粒物和水流的對流運動。底棲生物的擾動能導(dǎo)致沉積物-水界面發(fā)生相當程度的改變，同時也會影響沉積顆粒物以及污染物的遷移。

2.3 清淤

由清淤引起的沉積物再懸浮是指因挖掘工具的攪動使得顆粒物再懸浮進入上覆水體并且形成濁度云團，在清淤后能夠在上覆水持續(xù)停留一段時間而不沉降。在清淤過程中，沉積物不可避免地會被清淤工具干擾到，從而使得沉積物發(fā)生不同程度的再懸浮，沉積物再懸浮量與清淤工具和清淤方式密切相關(guān)。對于河湖來說，傳統(tǒng)的清淤方式主要包括水力清淤和機械清淤。水力清淤主要是使用高壓水槍對淤泥沖擊，同時配合泥漿泵輸送淤泥;而機械清淤主要是利用挖泥船配合不同的工具進行施工。清淤通常被看做是引起沉積物再懸浮和污染物釋放的一次性工程。由清淤引起的細顆粒物以及污染物沉降速度很慢，能長期停留在水體中，且會隨著水流運動遷移到未實施清淤工程的水域，造成水質(zhì)污染。

2.4 航運和拖網(wǎng)捕撈

船舶行駛造成的沉積物再懸浮在水域中非常常見，尤其是在港口等水深較淺而船舶螺旋槳運行又較頻繁的地方。航運引起的沉積物再懸浮主要是由船舶螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擾動造成。航運造成的沉積物再懸浮程度與螺旋槳直徑、射流速度以及距沉積物表面的深度密切相關(guān)。通常情況下，螺旋槳直徑和出口流速越大，入水深度越深，對沉積物產(chǎn)生的擾動也就越大，且再懸浮區(qū)域也就越大[6]。拖網(wǎng)捕撈能夠獲得魚類、貝類等水產(chǎn)品，且捕獲效率高，在全世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。為了捕撈底棲動物等，拖網(wǎng)往往要穿透表層沉積物至不同深度，收網(wǎng)時沉積物不可避免被攪動。已有研究表明，在拖網(wǎng)捕撈過程，和沉積物表面接觸的漁網(wǎng)及其傳動裝置會直接擾動沉積物。由拖網(wǎng)捕撈引起的沉積物再懸浮現(xiàn)象與人類活動密切相關(guān)，因此，改進捕撈方法來減少人為因素對水環(huán)境的影響顯得尤為重要。

3 沉積物再懸浮研究的發(fā)展歷程

沉積物再懸浮是一個比較普遍的物理現(xiàn)象，它是影響水體水質(zhì)的重要因子，對于淺水湖泊而言，沉積物再懸浮活動發(fā)生頻繁，水質(zhì)受到其影響更大。關(guān)于這方面的研究，國外要早于國內(nèi)。縱觀目前國內(nèi)外研究成果，沉積物的再懸浮研究主要分為現(xiàn)場觀測研究、室內(nèi)模擬研究和數(shù)值模擬研究。

3.1 現(xiàn)場觀測研究

關(guān)于沉積物的再懸浮研究最早起源于海岸工程中。在國外，早在20世紀70年代，SHENG Y ?P等研究者[7]就對淺水湖泊中沉積物的再懸浮現(xiàn)象進行了觀測，發(fā)現(xiàn)淺水湖泊由波浪作用引起的沉積物再懸浮比例很高，其比例高于70%。近年來，仍然有許多學(xué)者對沉積物再懸浮進行現(xiàn)場觀測研究。SALIM S等研究者[8]對沉積物再懸浮現(xiàn)象展開了研究，其結(jié)果表明水體中懸浮顆粒物粒徑大小與水土界面上的剪切力大小有關(guān)。VALENTE A等研究者[9]的野外現(xiàn)場觀測研究成果表明，有界限的長波群對底部沉積物的輸移有著不可或缺的作用，波浪擾動是沉積物再懸浮最重要的驅(qū)動力之一，它對沉積物的影響更多的是使之懸浮而不是沉降。

在國內(nèi)，胡春華等研究者[10]利用同步分層采樣設(shè)備，對太湖水體的垂向懸浮物濃度分布的進行了現(xiàn)場觀測，得出了在無風(fēng)浪條件和有風(fēng)浪條件下利用懸浮物濃度來計算沉積物懸浮總量的公式。張運林等研究者[11]在對太湖的研究過程中，選取了處于不同湖區(qū)的10個觀測點，得出了不同湖區(qū)以及不同季節(jié)下水體的懸浮物濃度值，并且發(fā)現(xiàn)太湖沉積物懸浮的臨界風(fēng)速約為5～6.5 m/s。逄勇等研究者[12]對太湖梅梁灣水體懸浮物進行了調(diào)查，利用Gansith公式推算出沉積物再懸浮通量，同時，建立了再懸浮通量與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系。凡仁福研究者[13]對淺海沉積物在波浪和潮流作用下沉積物再懸浮運輸機理和運輸量做了系統(tǒng)研究，為后續(xù)沉積物再懸浮量估算提供了參考依據(jù)。

3.2 室內(nèi)模擬研究

和野外觀測相比，室內(nèi)模擬實驗由于成本較小，且實驗條件易于控制而被廣大科研工作者采用。室內(nèi)模擬一般包括靜態(tài)模擬和動態(tài)模擬，靜態(tài)模擬沒有考慮水動力變化對沉積物的影響，而動態(tài)模擬則考慮了水動力變化對沉積物再懸浮的影響。在實際情況中，沉積物或多或少會受到水流擾動，在淺水湖泊中，湖水受風(fēng)力影響較大，因此，在進行室內(nèi)模擬時，動態(tài)模擬更能準確地模擬實際情況。目前，常用的動態(tài)模擬方法有震蕩法、攪拌法、波浪水槽法、環(huán)形水槽法等。

在國外，早在20世紀60年代，就有學(xué)者通過水槽實驗來模擬沉積物的再懸浮過程。之后，不斷有研究人員在這一領(lǐng)域繼續(xù)工作。LANSARD B等研究者[14]利用水槽實驗對地中海西北岸的Rhone河口的沉積物進行再懸浮擾動實驗，發(fā)現(xiàn)實驗沉積物的臨界起動切應(yīng)力為0.068～0.087 N/m2。COUCEIROF等研究者[15]對英國Mersey海灣的表層沉積物進行了持續(xù)8h的水槽擾動實驗，重點探討了沉積物的再懸浮過程以及沉積物中重金屬Ni的遷移過程。KALNEJAIS L H等研究者[16]利用了Erosion chamber裝置對美國波士頓港的沉積物進行了不同強度的擾動實驗，重點研究了沉積物再懸浮過程中營養(yǎng)鹽和重金屬的釋放過程。

在國內(nèi)，王鵬等研究者[17]利用再懸浮振蕩器在不同擾動強度和不同擾動時間條件下，對太湖原狀沉積物的再懸浮現(xiàn)象進行了模擬，并根據(jù)實驗結(jié)果指出了擾動強度和擾動時間對沉積物再懸浮的影響。李一平等研究者[18]利用環(huán)形水槽模擬了太湖沉積物的再懸浮過程并且以及了沉積物的起動規(guī)律，結(jié)果表明，3種不同的起動標準下，太湖沉積物對應(yīng)的起動流速分別為35cm/s、45cm/s、60 cm/s，同時也得到了太湖沉積物在這3種起動標準下的起動切應(yīng)力。胡松研究者[19]利用PES再懸浮模擬裝置對鄱陽湖沉積物開展了低速、中速和高速的再懸浮實驗研究，根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)了鄱陽湖沉積物在不同擾動強度下的再懸浮量。

3.3 數(shù)值模擬研究

數(shù)學(xué)模型法是通過數(shù)學(xué)公式將符號、函數(shù)以及它們之間的相互關(guān)系確定下來的一種方法。它可以將實際問題以數(shù)學(xué)公式的形式給出，并且運用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法和計算機技術(shù)來解決實際問題。利用數(shù)學(xué)模型來研究沉積物再懸浮問題比實驗研究稍晚，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，國內(nèi)外關(guān)于沉積物再懸浮的模型研究已有不少成果，將實驗研究和數(shù)學(xué)模型研究相結(jié)合，能夠更全面地反映實際情況。

在國外，早在20世紀70年代就開始使用模型來描述水流和沉積物運動之間的相互關(guān)系。BAILEY MC等研究者[20]在研究澳大利亞的淺水湖泊Thomsons湖時建立了一個沉積物再懸浮模型，并且用該模型來預(yù)測不同湖區(qū)懸浮物在水深方向上的平均值。LIU XH等研究者[21]使用EFDC三維模型模擬了Apalachicola灣的沉積物的再懸浮和輸運過程，取得了良好的效果。LIN S等研究者[22]構(gòu)建了三維水動力和水質(zhì)模型對美國Erie湖的沉積物再懸浮量和再懸浮率進行了系統(tǒng)模擬研究。

在國內(nèi)，秦伯強等研究者[3]建立太湖三維水動力模型，重點研究了梅梁灣的水動力特性，此外，還利用模型模擬了水體中的懸浮物狀況以及水體透明度等。逄勇等研究者[12]利用FVCOM模型對太湖懸浮物濃度分布進行了模擬，與實際觀測值對比結(jié)果顯示該模型計算結(jié)果較為合理。李瑞杰等研究者[23]將環(huán)境水動力學(xué)模型用于太平水道懸浮物輸移問題的研究，將實測值與計算值對比后發(fā)現(xiàn)，模擬效果較好，可將該模型應(yīng)用于實際工程中。柳肖竹等研究者[24]模擬水體流動過程，分析了沉積物一次懸浮和二次懸浮過程，并探討了沉積物懸浮后對相關(guān)污染物釋放的影響。

4 結(jié)語

沉積物再懸浮是一個比較普遍的物理現(xiàn)象，它是影響水體水質(zhì)的重要因子，對于淺水湖泊而言，沉積物再懸浮活動發(fā)生頻繁，水質(zhì)受到其影響更大。湖泊沉積物在受到外力干擾時會發(fā)生再懸浮，外力干擾有自然因素和人為因素，自然因素主要包含風(fēng)浪、水流的擾動和底棲生物活動等，人為因素主要包含清淤、船運、拖網(wǎng)捕撈等。目前國內(nèi)外對沉積物再懸浮研究主要是通過現(xiàn)場觀測研究、室內(nèi)模擬研究和數(shù)值模擬研究來展開的。該文較為系統(tǒng)地探討了湖泊沉積物再懸浮的發(fā)生機制及動力來源，同時總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于沉積物再懸浮研究的發(fā)展歷程，以期為后續(xù)研究提供一定參考。

參考文獻

[1]KALNEJAISL H，MARTIN W R，SIGNELL R P， et al. Role of Sediment Resuspension in the Remobilization of Paniculate-Phase Metals from Coastal Sediments[J]. Environmental Science & Technology： ES&T，2007，41（7）：2282-2288.

[2]RAVENS T M， GSCHWEND P M. Flume Measurements of Sediment Erodibility in Boston Harbor[J]. Journal of hydraulic engineering，1999，125（10）：998-1005.

[3]秦伯強，胡維平，高光，等.太湖沉積物懸浮的動力機制及內(nèi)源釋放的概念性模式[J]. 科學(xué)通報，2003，48（17）：1822-1831.

[4]陳聚法，趙俊，孫耀，等.桑溝灣貝類養(yǎng)殖水域沉積物再懸浮的動力機制及其對水體中營養(yǎng)鹽的影響[J]. 海洋水產(chǎn)研究，2007，28（3）：105-111.

[5]唐孝橋，王健健，姜嬌，等.太湖湍流特征及其對表層沉積物起懸機制的影響[J].人民長江， 2020，51（9）：62-66，200.

[6]張思亮. 沉積物再懸浮下磷在不同粒徑顆粒物間的分配過程與控制機制[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2019.

[7]SHENGY P，LICK W. The Transport and Resuspension of Sediments in a Shallow Lake[J]. Journal of Geophysical Research： Oceans，1979，84（C4）：1809-1826.

[8]SALIM S， PATTIARATCHI C. Sediment Resuspension Due to Near-bed Turbulent Coherent Structures in the Nearshore[J]. Continental Shelf Research， 2020，194（5）：104048.

[9]VALENTE A， SILVA JGB， BROTAS V. Linking Ocean Colour Features in the Western Iberian Margin to Wave-induced Sediment Resuspension and Coccolithophore Patches[J]. Continental Shelf Research，2021，225（2）：104482.

[10]胡春華，胡維平，張發(fā)兵，等. 太湖沉積物再懸浮觀測[J]. 科學(xué)通報，2005，50（22）：2541-2545.

[11]張運林，秦伯強，陳偉民，等. 太湖水體中懸浮物研究[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2004，13（3）：266-271.

[12]逄勇，顏潤潤，余鐘波，等. 風(fēng)浪作用下的底泥懸浮沉降及內(nèi)源釋放量研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2008，29（9）：2456-2464.

[13]凡仁福.潮流和波浪對淺海底邊界層湍流與沉積物輸運的影響研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2020.

[14]LANSARDB，GRENZC， CHARMASSONS， et al. Potential Plutonium Remobilisation Linked to Marine Sediment Resuspension： First EstimatesBased on Flume Experiments[J]. Journal of sea research，2006，55（1）：74-85.

[15]COUCEIROF，RAUENW，MILLWARD GE，et al.Transport and Reactivity of Nickel in Estuarine Sediments： Results from a High Capacity Flume[J]. Marine chemistry，2009，117（1）：71-76.

[16]KALNEJAISL H，MARTIN W R，BOTHNER M H. The Release of Dissolved Nutrients and Metals from Coastal Sediments Due to Resuspension[J]. Marine chemistry，2010，121（1-4）：224-235.

[17]王鵬，王勝艷，郝少盼，等.模擬擾動條件下太湖沉積物的再懸浮特征[J].水科學(xué)進展，2010，21（3）：399-404.

[18]李一平，逄勇，陳克森，等.水動力作用下太湖底泥起動規(guī)律研究[J].水科學(xué)進展，2004，15（6）：770-774.

[19]胡松. 不同水動力下鄱陽湖沉積物重金屬吸附-釋放的研究[D]. 南昌，南昌大學(xué)，2020.

[20]BAILEY MC， HAMILTON DP. Wind Induced Sediment Resuspension - A Lake-Wide Model[J]. Ecological Modelling，1997，99：217-228.

[21]LIUXH， HUANGWR. Modeling Sediment Resuspension and Transport Induced by Storm Wind in Apalachicola Bay， USA[J]. Environmental Modelling&Software，2009，24（11）：1339-1341.

[22] LIN S， BOEGMAN L， VALIPOUR R， et al. Three-dimensional Modeling of SedimentResuspension in a Large Shallow Lake[J]. Journal of Great Lakes Research，2021，47（4）：970-984.

[23]李瑞杰，嚴以新，宋志堯. 太平水道懸移質(zhì)輸運數(shù)學(xué)模型[J]. 泥沙研究，2003（4）：46-51.

[24]柳肖竹，劉群群，王文靜，等.水動力擾動對河口沉積物中重金屬再釋放的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2020，36（11）：1460-1467.