張怡輝， 魏慶菲， 朱金格， 汪院生， 楊志偉， 胡維平

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 湖泊與環(huán)境國家重點實驗室， 江蘇 南京 210008； 2.南京國環(huán)科技股份有限公司， 江蘇 南京 210008； 3.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215106； 4.江蘇長蕩湖旅游控股有限公司， 江蘇 常州 213224)

淺水湖泊表面風(fēng)能經(jīng)過水氣相互作用的傳遞產(chǎn)生風(fēng)浪，風(fēng)浪作為淺水湖泊重要的水動力因子，是沉積物再懸浮的最重要的驅(qū)動因素[1-3]，而湖泊底泥再懸浮是影響和控制內(nèi)源釋放的關(guān)鍵物理過程[4-7]，也是影響生長層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生物數(shù)量變化及光學(xué)的吸收衰減等化學(xué)、生物過程的重要因素[8-9]。因此，風(fēng)浪研究對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究都具有重要的意義。利用儀器開展現(xiàn)場觀測是研究湖泊風(fēng)浪特征的主要手段之一。對太湖、巢湖、鄱陽湖等湖泊均開展了風(fēng)浪實測研究，并得出了其基本分布特征[10-15]。

長蕩湖風(fēng)浪觀測數(shù)據(jù)較少，不利于長蕩湖的環(huán)境綜合整治工作的開展。長蕩湖被列入《江蘇省湖泊保護(hù)名錄》，既是環(huán)湖地區(qū)生活飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、漁業(yè)用水及出入湖河道生態(tài)用水的重要水源，還是鳥類繁殖地和越冬地。由于風(fēng)浪影響，長蕩湖沉積物再懸浮現(xiàn)象嚴(yán)重，透明度降低，導(dǎo)致長蕩湖水生植被分布面積大幅度萎縮和消失，使得長蕩湖生態(tài)系統(tǒng)凈化能力下降[16]。針對長蕩湖風(fēng)浪對底泥擾動作用強烈，不利于水生植被的生長與恢復(fù)的問題，長蕩湖開展了水動力優(yōu)化工程，希望通過在西部離岸1 km位置修建生態(tài)潛堤，削減潛堤內(nèi)風(fēng)浪強度，減少沉積物再懸浮，提高透明度，進(jìn)而恢復(fù)近岸帶水生植物，從而提高湖體自凈能力，為全面改善長蕩湖水環(huán)境質(zhì)量及水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀提供支撐。該水動力優(yōu)化工程于2020年12月底建成完工，該優(yōu)化工程完成后，顯著改變了長蕩湖地形結(jié)構(gòu)，會對長蕩湖的風(fēng)浪特征產(chǎn)生影響。本文基于實測手段，開展了長蕩湖不同位置風(fēng)浪特征觀測，以系統(tǒng)地認(rèn)識和了解長蕩湖的風(fēng)浪變化特征。

1 研究區(qū)域介紹

長蕩湖又名洮湖，是江蘇省十大淡水湖之一，位于江蘇省南部、太湖流域上游、金壇市金城鎮(zhèn)東南9 km處，處于北緯31°30′～31°40′，東經(jīng)119°30′～119°40′，湖泊東西最寬處8 km，南北長約16 km。長蕩湖湖體呈梨形，湖盆地形平坦，無顯著起伏，北半部湖盆水深稍大，南半部水淺，多沼澤性蘆葦淺灘，淤積嚴(yán)重，常年平均水深約1.0 m，是典型的淺水草型湖泊，是太湖流域湖泊群中的重要組成部分，其集飲用水源、農(nóng)業(yè)灌溉、洪澇調(diào)節(jié)和漁業(yè)生產(chǎn)等多功能于一體，地形如圖1所示。

長蕩湖地處北亞熱帶邊緣與中亞熱帶的過渡地帶，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，具有明顯的季風(fēng)特征，氣候溫和，雨量充沛，日照充足。長蕩湖四季分明，春季干燥少雨，夏季高溫高濕，雨量集中，秋季涼爽，冬季寒冷干燥。常年主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)、東風(fēng)，多年平均風(fēng)速為 3.5 m/s，實測最大風(fēng)速為22.0 m/s。

圖1 長蕩湖地形和測站位置圖

2 觀測方法

為觀測長蕩湖不同位置風(fēng)浪變化情況，在圖1所示的3個測站位置采用坐底方式布置了MidasDWR壓阻式波浪儀，使用Valeport公司最新的傳感器技術(shù)、64位數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過測量波浪引起的壓力變化來獲得實際的波高變化數(shù)據(jù)，通過測量波浪引起的電流振蕩來計算波向。

其中CD1測站觀測時間為2021年3月3日15:00至4日13:00，數(shù)據(jù)采集期間水深為1.1 m(王母觀平均水位3.41 m)；CD2和CD3測站觀測時間為2021年6月24日12:00至25日9:00，數(shù)據(jù)采集期間水深分別為1.5 m和1.0 m(王母觀平均水位3.70 m)。波浪儀采樣頻率設(shè)置為4 Hz，一次采樣數(shù)量為2 048，記錄8.4 min湖面波面過程，采樣時間間隔為30 min，每個測站每次采集約720個風(fēng)浪波面過程，觀測期間水深介于1.1～1.4 m。MidasDWR波浪儀可獲得儀器布置湖區(qū)的有效波高Hs、水面波動(最大值ηmax與最小值ηmin)、平均周期T1、上跨零周期Tz、譜峰周期Tp、有效波周期T1/3(T1/3=1.05Tp)、最大波高Hmax(Hmax=1.57Hs)、波譜總能量E(E=ρgHs2/16)、譜峰波向Pk,dir和平均波向Mean dir等波浪特征參數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 波高變化特征

波高是風(fēng)浪的重要參數(shù)，其中有效波高為1/3大波的平均波高，是重要的風(fēng)浪特征參數(shù)，可以直接反應(yīng)出風(fēng)浪的強度[14]。圖2為3個測站監(jiān)測時段內(nèi)有效波高變化情況，受時間與空間的影響，3個測站有效波高變化情況存在著明顯差異。3月3—4日，水位較低(3.41 m)，水深相應(yīng)較小(1.1 m)，雖然CD1處于湖體中心區(qū)域，岸線遮擋效應(yīng)較小，但金壇氣象站表明該時段風(fēng)速快速減小，介于0.1～2.6 m/s，平均風(fēng)速1.3 m/s，受該監(jiān)測時段湖面風(fēng)場變化和較弱緣故，有效波高隨時間逐漸減小，且有效波高較小，監(jiān)測時段內(nèi)有效波高平均值為0.12 m。6月24—25日，長蕩湖處于高水位狀態(tài)(3.70m)，雖然由于缺測無25日2:00以后風(fēng)場數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場監(jiān)測及24日監(jiān)測時段金壇氣象站數(shù)據(jù)表明該時段風(fēng)速較大，風(fēng)速介于2.8～4.3 m/s，平均值3.4 m/s，因此位于湖心區(qū)域的CD2測站有效波高總體較大，最大值為0.23 m，監(jiān)測時段內(nèi)平均值為0.18 m。同期CD3測站由于位于生態(tài)潛堤西側(cè)，受淺堤掩護(hù)作用影響，風(fēng)浪強度總體較小， 有效波高最大0.08 m， 監(jiān)測時段內(nèi)平均值為0.05 m，顯著小于湖心CD2測站的風(fēng)浪強度。

圖2 監(jiān)測期間不同測站有效波高變化情況

3.2 波周期變化特征

風(fēng)浪周期指兩相鄰波峰(或波谷)經(jīng)過同一點所需要的時間，是風(fēng)浪研究關(guān)注的重要特征參數(shù)，是湖泊中工程設(shè)計的重要參數(shù)指標(biāo)[14]。圖3為3個測站監(jiān)測時段內(nèi)平均波周期變化情況，與波高變化相似，監(jiān)測時段內(nèi)，風(fēng)速較大時刻和湖心區(qū)域的波周期相對較大，而掩護(hù)區(qū)域的CD3測站則波周期顯著較小。湖心開敞區(qū)域波周期變化與波高同步變化，而潛堤內(nèi)的CD3測站因掩護(hù)影響波周期變化則尤具獨特性。湖心區(qū)域波周期介于1.14～1.71 s，掩護(hù)區(qū)域平均波周期介于1.12～1.29 s。

譜峰周期作為淺水湖泊重要的風(fēng)浪特征參數(shù)，對于湖上建筑物的設(shè)計(如防波堤、平臺)安全極其重要[14]。譜峰周期按其定義為風(fēng)浪譜中最大譜密度對應(yīng)的頻率所得的周期，由于風(fēng)浪譜是通過波面數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換等得到，其獲取的直接性和便利性較差，影響了譜峰周期監(jiān)測的便利性。而平均波周期及跨零周期取得比較方便，因此建立譜峰周期與平均波周期和跨零波周期的關(guān)系有利于快速掌握相應(yīng)位置的譜峰周期情況。

圖4為利用3個測站數(shù)據(jù)得到的譜峰周期與平均波周期和跨零周期的相關(guān)性分析，根據(jù)皮爾森相關(guān)系數(shù)可知，譜峰周期與平均波周期和跨零周期都存在明顯的線性相關(guān)，其中譜峰周期=1.3561×平均波周期-0.4742，或者譜峰周期=1.3524×平均波周期-0.4499。利用平均波周期和跨零周期均可很好地獲得監(jiān)測點的譜峰周期，可為長蕩湖建筑物及工程設(shè)計提供依據(jù)。

圖3 監(jiān)測期間不同測站平均周期變化情況

圖4 譜峰周期與平均波周期和跨零周期的關(guān)系

3.3 風(fēng)浪衰減評估

由圖1地形可以看出，西部近岸的潛堤對于近岸水域可以產(chǎn)生較好的掩護(hù)作用，一方面針對東風(fēng)、東南風(fēng)作用下，形成的西、西北向風(fēng)浪，潛堤可以很好地阻礙其向西部近岸水域傳播，從而減小近岸水域風(fēng)浪強度；另一方面，潛堤的存在減少了西部近岸水域風(fēng)作用距離，從而減弱風(fēng)浪的成長。在以上兩重掩護(hù)作用下，西部近岸水域風(fēng)浪強度會顯著減小，從而減弱對底部沉積物的擾動，從而增加水體透明度，為近岸水域水生植被的修復(fù)提供較好的生境條件。從圖2、圖3中CD2和CD3測站的波高和周期同步變化可以明顯看出近岸測站的風(fēng)浪強度顯著減小。統(tǒng)計結(jié)果表明，CD3相較CD2測站，有效波高衰減百分比介于56%～81%，平均衰減72%；而平均周期衰減百分比介于14%～31%，平均衰減26%。可以看出，潛堤對于削減有效波高效果顯著，超過50%以上，而對于波周期的衰減相對較弱，在30%以內(nèi)。

4 結(jié) 論

受長蕩湖地形與風(fēng)場分布影響，總體風(fēng)速較大時，湖心水域風(fēng)浪強度較大，近岸水域受潛堤和岸線影響波周期不與波高呈同步變化規(guī)律。生態(tài)潛堤可顯著削減風(fēng)浪強度，其中有效波高衰減最為明顯，平均衰減72%，而波周期較為穩(wěn)定，平均衰減26%。譜峰周期與平均波周期和跨零周期都存在明顯的線性相關(guān)，其中譜峰周期=1.3561×平均波周期-0.4742，或者譜峰周期=1.3524×平均波周期-0.4499。長蕩湖西部近岸水域風(fēng)浪強度的減弱可以導(dǎo)致底部沉積物懸浮的減弱，從而使近岸水域水體透明度增加，為近岸水域水生植被的修復(fù)提供較好的生境條件。