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紊流作为河、湖等天然水体的基本运动形式, 其结构直接影响着水体中物质与能量的循环过程[1]。水生植物通过对水体施加阻力, 能够改变水流结构, 进而影响水体中物质与能量循环[2-3]。中国除青藏高原与云贵高原地区外, 大部分湖泊为浅水湖泊, 在风浪扰动下湖泊底泥极易发生再悬浮[4]。底泥再悬浮能够导致湖底营养盐和污染物质向上覆水体释放, 提高湖泊总体营养水平, 增加藻类爆发风险[5]。水生植物的存在, 可通过改变水流结构有效抑制床底泥沙再悬浮[6-8]。比较发现, 在大型水生植被大面积生长的水域, 水体浊度、悬浮物浓度以及营养程度较无植被水域普遍偏低。风浪作用下水生植物对水流结构的影响研究, 不仅可用于科学阐明湖泊水生植物的环境与生态效应, 还能指导湖泊大型水生植物生态修复与湿地水质净化的工程实践。
目前, 水生植物对波浪的作用机制研究主要集中于水生植物对波高、波浪流速以及时均流速的影响方面。水生植物的存在增加了水质点的运行阻力, 使得波浪在植物斑块内传播过程中, 波高与波能逐渐减弱[9-10], 波浪流速减小[11-12]。植物影响下, 波高与波浪流速的减弱程度与植物阻流面积、植物-水质点间的相对运动有关[13-14]。此外, 波浪作用下, 植物冠层内部也会产生与波浪传播方向一致的时均流速, 影响冠层内物质的输移过程[15]。然而, 风浪影响下水体的紊动结构对湖泊底泥再悬浮以及湖泊的物质与能量循环具有更重要的决定意义[16-18], 且国内外这方面的研究较少。Sumer等[19]指出, 植物-水质点的相互作用会在植物根茎周围产生尾涡, 影响水体的紊动结构。Pujol等[12]和Ros等[20]分别研究了波浪条件下刚性植物与柔性植物对水体紊动的影响, 发现刚性植物能够增加水体紊动, 而柔性植物能够减小水体紊动。Zhang等[21]研究发现, 冠层内水体紊动能较无植被条件下有无增加, 取决于波浪轨道运动半径(Ew)与植物株间距(S)的比值。当Ew/S>0.5时, 植物能明显增加水体紊动能; 当Ew/S < 0.5时, 冠层内紊动能与无植物条件下相比无明显差别。然而, 这些研究均利用造浪仪在实验室水槽中进行。造浪仪作用下, 全水深范围水质点均受到波浪影响, 且波浪垂向衰减率较小, 这与天然条件下水体受风成浪影响的情形存在明显差异。
为研究风浪影响下植物冠层内部水体的紊动结构, 本文选取典型浅水湖泊太湖为研究区, 以在太湖中广泛分布的苦草与马来眼子菜为研究对象, 开展野外现场测量。通过对比这两种植物影响下的水流结构, 分析水生植物对时均流速、波浪流速、紊动能的影响以及不同植物形态影响下水流结构的差异, 进一步阐明风浪作用下水生植物对水体紊动结构的影响机制。
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太湖位于30°55′40″N—31°32′58″N、119°52′32″E—120°36′10″E, 湖泊南北跨度68.5 km, 东西跨度56 km, 湖泊面积2 338 km2, 是中国东部近海区域最大的湖泊, 也是中国第三大淡水湖。太湖湖底较为平坦, 地势东高西低, 多年平均水深1.9m, 湖泊最大水深2.6m, 为中国典型的浅水湖泊[22]。太湖中大型水生植物种类繁多, 可分为沉水植物(苦草、马来眼子菜、金鱼藻等)、浮叶植物(莕菜、菱等)和漂浮植物(浮萍等), 且大部分水生植物分布于东太湖区域[23]。
为研究大型水生植物对水流结构的影响, 实验区位于水草丰茂的东太湖水域(图 1(a))。本研究分别选取苦草植物斑块与马来眼子菜植物斑块为研究对象。其中, 受人为作用, 苦草斑块为长35 m、宽10 m的矩形斑块, 且通过样方调查, 苦草斑块平均植株密度为85株/m2；马来眼子菜斑块近似圆形斑块, 且直径约为25 m, 平均植株密度为32株/m2。苦草与马来眼子菜植株形态存在差异。苦草叶基生, 叶片宽度上下分布均匀, 据测量统计, 每株苦草平均具有7个叶片, 平均叶宽0.7cm。由于野外风浪条件下, 苦草顶部叶片很容易发生断折, 使得苦草冠层阻流面积在冠层中部达到最大值。马来眼子菜植株茎秆长且柔软, 叶片呈条状披针形, 据测量, 每株植物平均含有9个叶片。由于大部分叶片集中于植株上部, 马来眼子菜冠层阻流面积在冠顶处达到最大值。本次实验中, 将测点分为A、B两组。A组测点(图 1(b))位于苦草斑块内部及其周围无植被区域, 顺风向布置测点3个, 分别命名为A1、A2、A3。测点A1位于苦草斑块区内部, 距植物区边缘20 m；测点A2位于苦草斑块区外边缘, 与测点A1相距25 m；测点A3位于远离植被的无草区域, 与测点A2相距约25 m。B组测点(图 1(c))位于马来眼子菜斑块内部及其周围无植被区域, 顺风向布置测点3个, 分别为B1、B2、B3。其中, 测点B2位于马来眼子菜斑块区中心位置, 测点B1与B3分别位于B2上风向与下风向的斑块外部, 测点B1—B2以及B2—B3间距均为25 m。A和B两组测点测量时间分别为2012年11月18日与20日, 各测点测量时风向、风速、水深以及植物相关参数如表 1所示。
图 1 测点位置分布
Figure 1. Locations of the measuring points
表 1 各测点水流及植物基本信息
Table 1. Basic information of the flow and vegetation for each measuring point
测点 测量时间 盛行风向 风速/(m·s-1) 植物类型 H/cm h/m hv/m Uhoriz, m/(cm·s-1) Uw, m/(cm·s-1) ETK, m/(cm2·s-2) A1 2012-11-18 N 2.1 苦草 0.73 1.2 0.9 0.6 0.5 0.3 A2 2012-11-18 N 1.9 — 0.96 1.1 — 0.3 0.6 0.8 A3 2012-11-18 N 2.0 — 0.94 1.0 — 2.0 0.6 1.0 B1 2012-11-20 NE 3.2 — 0.76 1.2 — 1.0 0.4 0.7 B2 2012-11-20 NE 3.0 马来眼子菜 0.51 1.0 1.0 0.5 0.3 0.3 B3 2012-11-20 NE 3.3 — 0.66 1.2 — 1.0 0.8 0.6 注:H为各测点压力数据时间序列的标准差；h为水深；hv为冠层高度；Uhoriz, m、Uw, m、ETK, m分别为水平时均流速Uhoriz、波浪流速Uw以及紊动能ETK全水深平均值。 -
瞬时流速采用三维声学多普勒流速剖面仪(Aquadopp HR, Nortek)进行测量, 且HR单次测量可同时获得垂向不同水深处的三维瞬时流速值。测量采用NEU(东北上)坐标系统, 在NEU坐标系下, 瞬时流速可表示为(uE, uN, uU)。其中, uE为正东方向流速, uN为正北方向流速, uU为垂向流速。测量采用基于固定平台的测量方式, 仪器垂向分辨率为3 cm, 采样频率为8 Hz, 测点测量时间约10 min。为消除植物斑块内植物叶片对流速测量的影响, 去除流速时间序列中相关性小于70%的数据[15]。此外, 采用Goring和Nikora[24]所描述的加速度阈值方法对数据中的噪点进行去除。HR具有压力传感器, 采用固定平台测量方式条件下, 传感器所记录的压力变化可反映波高信息。本研究中, 各测点的波高大小由该测点压力数据时间序列的标准差(表 1)进行表征。
波浪条件下, 瞬时流速(u)可分解为时均流速(U)、波浪流速(uw)以及紊动流速(u′)。时均流速为瞬时流速时间序列的算数平均, 以UE为例, 时均流速计算公式为
$$ {U_{\rm{E}}} = \frac{1}{T}\int_0^T {{U_{\rm{E}}}} \left( t \right){\rm{d}}t $$ (1) 式中: T为单点测量时间。各测点的水平时均流速Uhoriz可表示东方向时均流速UE与北方向时均流速UN的矢量和, 即
$$ {U_{{\rm{horiz}}}} = \sqrt {U_{\rm{E}}^2 + U_{\rm{N}}^2} $$ (2) 测点的垂向时均流速Uvert则表示为
$$ {U_{{\rm{vert}}}} = {U_{\rm{U}}} $$ (3) 根据Banerjee等[25]所述, 波浪条件下, 瞬时流速能量谱分布中在某一频率带宽的能量会出现峰值, 该频率带反映了由风浪作用而引起的水体波动, 而峰值以外的频率则反映水体的紊动。可利用瞬时流速的能量谱将波浪流速与紊动流速从瞬时流速中分离。具体方法: ①利用快速傅里叶变换(FFT)计算瞬时流速不同频率(f)下的信号强度(A)；②根据瞬时流速能量谱, 确定反映水体波动的频率带宽以及带宽范围内的信号强度(As)与相位(φ), 频率带宽的两端分别表示为fl(低频端)和fh(高频端)；③根据波浪频率带宽之外(f < fl与f>fh)的信号强度对频率端值fl和fh之间的信号强度进行线性插值, 插值得到相应相位下的信号强度At (反映水体紊动), 直线以上部分则为反映水体波动的信号强度Aw；④确定波浪傅里叶参数Fw=Aw[cos(φ)+ isin(φ)]以及紊动傅里叶参数Ft=At[cos(φ)+isin(φ)]；⑤利用逆傅里叶变换(IFFT)分别对波浪流速uw和紊动流速u′的时间序列进行重建。
根据重建波浪流速的时间序列, 波浪流速的大小可表示为波浪流速时间序列的标准差, 以东方向流速为例, 东方向波浪流速Uw, E计算公式为
$$ {U_{{\rm{w}}, {\rm{E}}}} = \sqrt {\frac{1}{T}{{\left( {\int_0^T {{u_{{\rm{w}}, {\rm{E}}}}} \left( t \right) - \overline {{u_{{\rm{w}}, {\rm{E}}}}} } \right)}^2}{\rm{d}}t} $$ (4) 式中: uw, E为东方向波浪流速时间序列uw,E(t)的平均值。为综合考虑E、N、U 3个方向的波浪流速, 3个方向波浪流速的均方根Uw可表示为
$$ {U_{\rm{w}}}{\rm{ = }}\sqrt {\left( {U_{{\rm{w}}, {\rm{E}}}^2 + U_{{\rm{w}}, N}^2 + U_{{\rm{w}}, U}^2} \right)/3} $$ (5) 根据重建紊动流速的时间序列, 水平方向紊动能ETK, h与垂向紊动能ETK, v可表示为:
$$ {E_{{\rm{TK, h}}}} = \frac{1}{2}\left( {\sigma _{{\rm{uE}}}^2 + \sigma _{{\rm{uN}}}^2} \right) $$ (6) $$ {E_{{\rm{TK, v}}}} = \frac{1}{2}\sigma _{{\rm{uU}}}^2 $$ (7) 式中: σuE、σuN、σuU分别表示紊动流速u′E、u′N、u′U的均方根。
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本研究中, 风浪影响下A、B两组测点水体均有水流产生, 但时均流速较小(图 2)。A组测点时均流速U < 3 cm/s, B组测点时均流速U < 2cm/s, ；两组测点均以向东、向南流动为主。水体运动的主流方向由测量时试验区的盛行风向所导致:在冬季风的影响下, 测量时实验区近水面处风向以北风、西北风为主, 从而使得A、B两组测点水流以南、东南方向流动为主。此外, 各测点不同水深处水体流动的方向存在相反现象(测点B1的UN与测点B3的UE)。这种现象也为其他研究[25-26]发现, 其原因可归结为表面水体在风的吹动下顺风向流动, 使得水面出现倾斜, 深层的水体则会沿与风向相反方向流动, 从而对水体进行补偿以满足垂向剖面上水量的平衡。由于野外条件复杂, 风向、风速多变, 加之湖底地形影响, 本研究中水体不仅在垂向上发生循环流动, 也存在水平方向上的循环流动, 使得各测点时均流速在垂向上并不平衡, 存在主流方向。
图 2 各测点时均流速U垂线分布
Figure 2. Vertical distributions of the time-averaged velocity for each measuring point
为对各测点时均流速进行比较, 采用式(2)计算各测点不同水深处的水平流速Uhoriz(图 3)。与无植被条件相比, 苦草与马来眼子菜的存在减小了时均流速。其中, 苦草斑块内部测点A1时均流速全水深平均值(Uhoriz, m)较斑块外部测点A3减小70%(表 1), 马来眼子菜斑块内部测点B2的Uhoriz, m较斑块外部测点B1与B3均减小50%(表 1)。苦草与马来眼子菜影响下, 时均流速剖面存在差异。苦草冠层内部, 流速剖面分布均匀, 且冠层中部对时均流速的减弱作用最大。在20 cm < z < 60 cm(z=0代表床底)范围内, 测点A1(苦草斑块内部)较测点A3(斑块外部)时均流速的水深平均值减小76%, 而在z>60 cm范围内, 时均流速减小59%。主要是由于苦草阻流面积在冠层中部达到最大值, 使得冠层中部对时均流速的减弱作用达到最大。由于马来眼子菜叶片集中分布于冠层顶部, 马来眼子菜冠层中部对流速的减弱作用小于冠层顶部。在20 cm < z < 60 cm范围内的冠层中部, 测点B2(马来眼子菜斑块内部)较B1(斑块外部)时均流速减小38%, 而在z>60 cm范围内的冠层顶部, 时均流速降低45%。
图 3 各测点水平流速Uhoriz垂线分布
Figure 3. Vertical distributions of the time-averaged horizontal velocity, Uhoriz, for each measuring point
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在风浪影响下, A、B两组测点波浪流速均自水面向床底方向逐渐减小(图 4), 且在床底附近波浪流速接近于0。这与文献[12, 21]在实验室水槽中采用造浪仪所测得的波浪流速垂线剖面有所不同。采用造浪仪在水槽中进行造浪时, 全水深范围内水体受波浪作用, 波浪流速垂向分布均匀；利用风扇在水槽中造浪或野外条件下水体受风影响时, 表层水体受风浪影响较大, 且随水深增加, 水体受风影响减小, 水体波动减弱甚至消失。此外, 本研究中波浪流速以垂向分量(Uw,U)较大, 水平波浪流速(Uw,E与Uw,N)较小。这可能是由于野外条件复杂, 风速、风向多变, 使得水体表面受不同频率、波长以及传播方向波的影响, 水平流动紊乱, 流速的频谱分布中反映波的能量峰值不明显(图 5(a)和图 5(b))；而垂向波浪流速只反映水体的上下运动, 复杂风浪条件下其所受影响较小, 流速的频谱分布中反映波的能量峰值突出(图 5(c))。
图 4 各测点3个方向波浪流速的垂线分布
Figure 4. Vertical distributions of the wave velocity in three directions for each measuring point
图 5 测点A3近水面处(z=78 cm)水体瞬时流速频谱分布
Figure 5. Spectra of the instantaneous velocity in East direction, North direction, and Up direction measured near the water surface (z=78 cm) for case A3
综合考虑3个方向的波浪流速, 各测点不同高度处的波浪流速Uw(由式(5)计算得到)如图 6所示。与无植被条件相比, 苦草与马来眼子菜的存在明显降低了波浪流速。苦草影响下, 斑块内测点A1波浪流速的全水深平均值(Uw, m)与斑块外测点A2与A3相比, 均减少17%(表 1)；马来眼子菜斑块内B2测点Uw, m分别比斑块外测点B1与B3减少25%和63%(表 1)。由于波浪流速自水面向床底逐渐减小(图 4), 水生植物对波浪流速的减小作用主要集中于水面附近, 且由于马来眼子菜叶片主要集中于水面, 马来眼子菜对近水面处波浪流速的减弱作用大于苦草。在水深z>60 cm范围内, 测点A1(植被区)波浪流速的水深平均值比测点A3(无植被区)降低25%, 测点B2(植被区)波浪流速的水深平均值比测点B1(无植被区)减小40%。此外, 水生植物的存在可减小波高。与无植被条件相比, 苦草与马来眼子菜冠层可使波高降低24%与33%(表 1)。
图 6 各测点波浪流速Uw垂线分布
Figure 6. Vertical distributions of Uw for each point
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本研究中, 各测点紊动能ETK以水平紊动能ETK,h为主(图 7), ETK自水面向床底方向逐渐减小。与无植被条件下相比, 植物冠层内ETK减小, 上下分布均匀(图 8)。对苦草而言, 测点A1(植物斑块内)ETK全水深平均值(ETK,m)较斑块外测点A2与A3分别减小63%与70%(表 1)；马来眼子菜斑块内测点B2与斑块外测点B1与B3相比较, ETK,m分别减小57%和50%(表 1)。同水生植物对波浪流速的影响类似, 水生植物对近水面处ETK的减小程度较大。在z>60 cm范围内, 苦草与马来眼子菜冠层内ETK与无植被条件下相比较分别减小67%和68%。
图 7 各测点水平紊动能与垂向紊动能垂线分布
Figure 7. Vertical distributions of the horizontal (ETK,h) and vertical (ETK,v) TKE for each measuring point
图 8 各测点紊动能ETK垂线分布
Figure 8. Vertical distributions of ETK for each measuring points
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(1) 风浪影响下, 水流时均流速方向与近水面处的盛行风向一致；波浪流速以垂向流速为主, 且波浪流速自水面向床底逐渐减小；紊动能在水面处达到最大值, 并向水底逐渐减小。
(2) 苦草与马来眼子菜冠层内, 时均流速、波浪流速以及紊动能较无植被条件下减小。
(3) 苦草与马来眼子菜形态的差异导致其对水流结构的影响不同:由于苦草叶片阻流面积在冠层中部达到最大, 时均流速与波浪流速在冠层中部的减小程度最大；马来眼子菜叶片主要集中于冠层顶部(水面附近), 其对时均流速以及波浪流速的减小作用在冠顶处达到最大。
Influence of aquatic vegetation on flow structure under wind-driven waves: a case study in Lake Taihu (China) with two typical submerged vegetations
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摘要: 为研究风浪作用下水生植物对水流结构的影响，选取太湖中两种典型沉水植物（苦草与马来眼子菜）为研究对象，分别对苦草植物斑块与马来眼子菜植物斑块内外水体的瞬时流速进行野外现场测量，利用瞬时流速的能量谱分布将波浪流速与紊动流速分离，分别分析水生植物对时均流速、波浪流速以及紊动能的影响。风浪影响下，水体中存在流向与测量时近水面处盛行风向一致的水流；波浪流速以垂向流速为主，且波浪流速自水面向床底逐渐减小；紊动能在水面处达到最大值，并向床底方向逐渐减小。与无植被条件相比，苦草与马来眼子菜的存在减小了时均流速、波浪流速以及紊动能。两种植物形态上的差异，导致其对水流结构的影响不同：苦草叶片阻流面积在冠层中部达到最大，使得时均流速与波浪流速在苦草中部位置的减小程度最大；马来眼子菜叶片主要集中于冠层顶部（水面附近），其对时均流速以及波浪流速的减小作用在水面处达到最大。Abstract: To study the influence of aquatic vegetation on flow structure under wind-driven waves, field experiments were conducted with two types of typical submerged vegetation (i.e., Vallisneria natans and Potamogeton malaianus) in Lake Taihu in China by measuring flow velocity inside and outside the vegetation patches. By decomposing the wave velocity and turbulent velocity from the spectra of the instantaneous velocity, the influence of vegetation on the distributions of time-averaged velocity, wave velocity and turbulent kinetic energy (ETK) was analyzed in this paper. For each case, a current in a direction consistent with the direction of near-surface wind occurred. The wave velocity was dominated by the vertical component and decreased from water surface to bed bottom. ETK reached its maximum near the water surface and decreased toward the bed bottom. Compared with bare bed, the presence of Vallisneria natans and Potamogeton malaianus decreased the time-averaged velocity, wave velocity, and ETK, and the differences in morphology between these two types of vegetation led to discrepancies in flow alteration. For Vallisneria natans, the canopy frontal area reached a maximum at the middle reach of plant, making the decrease of time-averaged and wave velocities largest near the middle of canopy. With blades concentrated at the top of canopy, the reduction in the time-averaged and wave velocities caused by Potamogeton malaianus was largest near the water surface.
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Key words:
- aquatic vegetation /
- time-averaged velocity /
- turbulent kinetic energy /
- wind waves /
- Lake Taihu
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图 2 各测点时均流速U垂线分布
○、□、△分别表示正东、正北、垂直向上方向上的流速；虚线代表时均流速U=0
Figure 2. Vertical distributions of the time-averaged velocity for each measuring point
图 3 各测点水平流速Uhoriz垂线分布
Figure 3. Vertical distributions of the time-averaged horizontal velocity, Uhoriz, for each measuring point
图 4 各测点3个方向波浪流速的垂线分布
○、□、△分别表示正东、正北、垂直向上方向上的流速
Figure 4. Vertical distributions of the wave velocity in three directions for each measuring point
图 5 测点A3近水面处(z=78 cm)水体瞬时流速频谱分布
Figure 5. Spectra of the instantaneous velocity in East direction, North direction, and Up direction measured near the water surface (z=78 cm) for case A3
图 7 各测点水平紊动能与垂向紊动能垂线分布
○表示垂向紊动能ETK,v, ●表示水平紊动能ETK,h
Figure 7. Vertical distributions of the horizontal (ETK,h) and vertical (ETK,v) TKE for each measuring point
表 1 各测点水流及植物基本信息
Table 1. Basic information of the flow and vegetation for each measuring point
测点 测量时间 盛行风向 风速/(m·s-1) 植物类型 H/cm h/m hv/m Uhoriz, m/(cm·s-1) Uw, m/(cm·s-1) ETK, m/(cm2·s-2) A1 2012-11-18 N 2.1 苦草 0.73 1.2 0.9 0.6 0.5 0.3 A2 2012-11-18 N 1.9 — 0.96 1.1 — 0.3 0.6 0.8 A3 2012-11-18 N 2.0 — 0.94 1.0 — 2.0 0.6 1.0 B1 2012-11-20 NE 3.2 — 0.76 1.2 — 1.0 0.4 0.7 B2 2012-11-20 NE 3.0 马来眼子菜 0.51 1.0 1.0 0.5 0.3 0.3 B3 2012-11-20 NE 3.3 — 0.66 1.2 — 1.0 0.8 0.6 注:H为各测点压力数据时间序列的标准差；h为水深；hv为冠层高度；Uhoriz, m、Uw, m、ETK, m分别为水平时均流速Uhoriz、波浪流速Uw以及紊动能ETK全水深平均值。 
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图(8) / 表 (1)
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