湖流作用下太湖底泥再悬浮和NH_4_N释放规律研究

底泥污染是湖泊水体污染的重要研究内容之一，作为湖泊污染物的主要蓄积库[1]，底泥不仅可以直接反映水体的污染历史，而且在一定的水流流速及紊动作用下极易发生底泥冲刷及再悬浮，再悬浮及其携带物质对水生生态系统的各个方面几乎都有影响，底泥再悬浮增加了水体悬浮物浓度、降低了透明度，底泥营养物的内源释放也与底泥的悬浮过程密切相关。因此研究不同水动力条件下底泥的悬浮规律以及污染物在底泥-水界面的各种行为，对于浅水湖泊水污染控制具有非常重要的理论和

实践意义。以往的研究大部分都集中在风浪或波浪引起的底泥再悬浮。尤本胜等[2]、罗潋葱等[3]分析了波浪和湖流产生的湖底切应力对太湖底泥悬浮的不同贡献，得出了太湖中底泥悬浮主要由波动作用引起的结论，但在中小扰动情况下，湖流对底泥悬浮的影响不可忽略，作者通过实验研究湖流作用下底泥发生再悬浮时湖体的临界流速、

湖底临界切应力是多少以及再悬浮引起的底泥营养盐释放的变化规律，为进一步认识浅水湖泊水动力学条件对湖泊内源营养盐释放的影响提供依据。

湖流作用下太湖底泥再悬浮和NH 4-N 释放规律研究

Study on Resuspension and NH 4-N Release of Taihu

Lake Sediment under Current Flow

王忖1,2，王超1,3

(1.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南京210098)；

（2.河海大学力学与材料学院南京210098

）；（3.河海大学环境学院南京210098)摘要在矩形水槽中模拟了太湖底泥起动再悬浮规律，分析了湖流流速对太湖底泥再悬浮及NH 4-N 释放的作用规律。结果显示：当流速小于20cm/s 时，底泥并未发生大量悬浮，水体中浊度及NH 4-N 浓度变化不大；当流速大于40cm/s 时，底泥发生大规模悬浮，水体中浊度和NH 4-N 浓度显著提高。试验以少量动作为底泥起动的标准，得出太湖底泥引起再悬浮的临界流速为20cm/s ，临界切应力为0.034N/m 2。

关键词太湖底泥再悬浮起动流速

临界切应力

浊度

Abstract

The resuspension principle of Taihu Lake sediments was simulated in a rectangular tank.The effect of flow velocity

on Taihu Lake sediment resuspension and NH 4-N release was analyzed.The results show that the sediment does not happen a lot sus-pension,water turbidity and NH 4-N concentrations change little on the condition of the velocity less than 20cm/s;the mass of sedi-ment suspends ,as well as water turbidity and NH 4-N concentration significantly increase when the velocity is more than 40cm/s.Through the start criterion for a small amount sediment movement in Taihu Lake,the sediment resuspension occurs in the critical ve-locity of 20cm/s ,corresponding to the critical shear stress of 0.034N/m 2in this study.

Key words Taihu Lake Sediment Resuspension Starting Velocity Critical Shear Stress Turbidity

收稿日期：2010-09-29

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目(2008CB418203)资助；浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室

（2084/409290）资助

作者简介：王忖（1974-），女，讲师。研究方向：环境流体力学。

湖流作用下太湖底泥再悬浮和NH 4-N 释放规律研究王忖

·水污染防治·

1材料和方法

本实验是在长8m，宽0.3m，高0.4m的循环玻璃水槽中进行的。为了模拟真实床面情况，在水槽中用PVC板垒出一块长1.5m、宽0.3m、高0.08m的凹槽，用于放置底泥。为了避免水流撞击槽墙而产生波浪，在观测段前方设置2.0m长的水流过渡段，过渡段前沿作成楔形。观测段后方设置1m长的过渡段，从而使水流在床面上呈现均匀紊流的性质。实验装置见图1。

图1水槽结构示意图

实验所用底泥采自太湖竺山湾中部区域，试验底泥的容重γ=1.13g/cm3～1.46g/cm3，中值粒径约0.0144mm，底泥运到实验室后，将底泥铺于凹槽并用铲子轻压，直至底泥密度与现场情况基本接近，底泥厚度约8cm左右。为了模拟真实床面，淤泥表面用可在水槽导轨上滑动的推板抹平，使泥面与凹槽墙等高，避免因水流断面变化而引起水流性质的变化，从而影响实验结果。水槽中的水深控制在16.5cm。

实验工况的设置主要考虑上覆水体的水动力特性，设置了不同流速等八组工况，研究水流流速对底泥再悬浮及NH

4

-N释放规律的影响，见表1。

实验时，先将阀门控制在较小流量值，让水流缓慢上升，然后逐渐加大流量。通过阀门控制流量按照表1实验工况进行实验研究，每一流速均保持水流作用40min，距水槽入口1.5m处开始均匀布置3个采样断面，每个断面上有1条采样垂线，每条采样垂线上布置有5个位于不同深度的采样管。水样采集利用虹吸原理，以减小采样对流场的干扰，并及时进行分析实验，之后进入下一个流速，直至实验研究的最高流速。由于考虑到自循环水槽水流特点，本试验以少量动作为底泥起动的标准。

表1实验工况

注：Re为雷诺数，本实验水流雷诺数的取值范围为3 000~40000，为紊流。Fr为水流佛汝德数，本试验中Fr值在0.0311～0.3970之间，均小于1，为缓流

温度计测量试验水温；水深用测针量测；流量用电磁流量计量测；水样的浓度测量包括NH

4

-N、浊度等。

2结果与分析

2.1上覆水体中浊度和NH4-N浓度随流速的变化

上覆水体中浊度和NH

4

-N浓度与流速的变化关系见图2。

图2水体中浊度和NH

4

-N浓度随流速的变化关系由图2可以看出，当流速较小时，即小于20 cm/s时，底泥未被悬浮，底泥中的营养物质主要通过孔隙水向上覆水体扩散，上覆水体中浊度和NH4-N浓度基本上变化不大，没有呈现随流速变大的趋势，相反有某种程度的下降。当流速超过20cm/s 后，这时底泥处于“少量动”状态，随着流速的增大，垂向紊动强度随之增强，上覆水与底泥间隙水交换

程度增大，水体开始变混浊，底泥中的NH

4

-N开始

源源不断地进入上覆水，致使上覆水体中NH

4

-N浓度不断加大，但增加的幅度都不大，主要是由于底泥还未大量悬浮所致。随着流速的进一步增大，

当

环境保护科学第37卷第2期2011年4

月