沉水植物设计，需考虑哪些边界条件？| 风浪篇

 

"1999年，美国佛罗里达州Okeechobee湖在经历一场飓风之后，湖中沉水植物黑藻、眼子菜和美洲苦草等几乎全部消失。"

影响沉水植物生存的边界条件很多，一般可分为环境因素和生物因素。

环境因素如水深、光照、温度、流速、风浪、营养盐浓度等；生物因素则如鱼类牧食、藻类竞争、自然演替等。各种因素相互作用，直接或间接决定着沉水植物的生长情况。

在水生态设计时，需对这些边界条件予以足够重视，充分研判沉水植物栽植的可行性。

前两篇文章中，我们首先探讨了水深、光照、透明度等因子对沉水植物的影响及其边界阈值，进而又介绍了不同流速条件下沉水植物的生长变化及安全红线。

本文中，我们将把焦点放在<风浪>这一因素，重点探讨以下几个问题：

1、风浪产生的机制

2、风浪对沉水植物的影响

3、为什么会有这样的影响

4、风浪、流速、水深、底泥的关系

5、关于风浪的阈值

 

一、风浪产生的机制

大风起，水波兴。

这是对风浪的直观表述。所谓风浪，顾名思义，即是由风产生的水面波动。

从学术角度来看，风浪是水动力学的基本概念。当风吹行于水面，水表面空气的湍流作用对水体表层各个质点产生压力，促使各质点离开其平衡位置发生波动，形成波浪。

风浪具有明显的消长特性。

Kahma等认为，在风速较小且在共振作用下，风浪形成并逐渐扩大；随着风速增加，剪切流呈现不稳定状态，加速波浪的成长并向下风向传递；当能量耗尽，波浪破碎消亡，水面形成无数水珠串，混合附近空气后形成白色泡沫（即白帽现象）。

不同风场下的切应力各不相同，也造就了风浪的多样形态，既有“波澜不惊”，也有“惊涛骇浪”。

风浪涌动，深深牵动着水下沉水植被的"心"。

二、风浪对沉水植物的破坏

在中大型湖库的生态修复工作中，风浪扰动是限制沉水植物恢复的关键因素之一。

即使是自然湖泊生态系统，沉水植物生长良好，也难免发生风浪致使植物受损的现象，甚至可能带来灭顶之灾。

1947年，美国佛罗里达州Apopka湖覆盖整个湖面的浮叶植物和沉水植物，在一场飓风之后消失殆尽。

而该州的Okeechobee湖，于1999年的一场飓风中，沉水植物黑藻、眼子菜和美洲苦草等也几乎全部消亡。

在中国的太湖，自1960年~2015年期间，已有23种水生植物消失，沉水植被生物量和覆盖度锐减，这背后的原因也与风浪破坏息息相关。

△1960年以来太湖沉水植物演变过程

那么，为什么风浪对沉水植物有这样大的破坏？

三、原因探析

首先从一种比较极端的情形来理解。

当湖面产生风浪，风切应力产生的能量从水面向下传递，会对沉水植物产生水流拖拽力；若风足够大，产生的拖拽力超过了植物的机械抗性或根系锚定能力，则将会对植物的茎叶造成损伤，甚至连根拔起。

Denny等研究认为，在水流速度和风速相同的条件下，沉水植物在水体中的受力是陆生植物的25倍以上。

大风天气，水岸飘满了沉水植物折断的茎叶，也即是这个道理。

△ 风浪下Okeechobee湖沉水植物漂浮于水面

当然，并不是所有的风浪都具备这种“连根拔起”的能力。实际上，更多的风浪扮演的是一种“扰动”的角色。

扰动什么呢？扰动水体，扰动底泥。

△ 水槽试验下风浪对沉水植物及底泥的扰动

众多研究认为，对于中大型浅水湖泊，底泥悬浮的主要能量来源是风浪扰动，湖流作用几乎可以忽略。

底泥再悬浮又会产生两个后果，一是增加光的衰减，致使水体透明度和光合层厚度大幅下降；二是促使底泥营养盐和重金属的二次释放，降低水质，同时促进藻类的生长。

Karl等研究发现，在风浪来临之前，Okeechobee湖的TP含量为60~140μg/L，平均约90μg/L；风浪影响两周后，全湖TP含量为120~140μg/L，均值超过220 μg/L。

△Okeechobee湖TP含量变化（上图为飓风前2周，下图为飓风后2周）

Blom等研究发现，在易受风浪扰动的水域，悬浮物对光的衰减年均占40%，而在大的风浪作用下其贡献率甚至可高达80%。

这其实就又回到了透明度、光照条件等对沉水植物的影响。

因此，从扰动层面来讲，风浪对沉水植物的影响可以分3个阶段：风浪→底泥再悬浮；底泥再悬浮→光衰减、透明度降低；透明度降低→沉水植物生长受限。

第3个阶段可参阅公众号之前的文章，此处不再赘述。我们把目光继续回到风浪本身，探讨风浪对沉水植物影响的前两个阶段——风浪对底泥的扰动，以及风浪、水深、底泥之间的关系。

四、风浪、风速、水深、底泥

表征风浪的指标较多，如波高、波长、周期、风速、风区长度等。为便于理解，我们用与风浪密切相关、具有良好参照性的风速进行分析。

| 风浪/风速、水深

风浪/风速与水深的关系，整体呈对数分布，即随着水深增加，风浪强度呈不断衰减态势。

根据B.O.Bauer提出的摩阻速度方程，不同水深下的风速计算如下：

式中，V为不同测点的风速，U*为摩阻风速，k为卡曼常数，z为测点距水面的距离，z0为粗糙高度。

根据上述模型，王陈浩通过水槽试验研究发现，表面风速为3.2m/s时，水下10 cm处的风速约0.2 m/s（水深50 cm，下同）；表面风速为5.0m/s时，水下10cm处的风速约0.27 m/s；表面风速为6.8m/s时，水下10 cm 处风速约0.4m/s，此时产生的水体流速约4cm/s。

王超等通过水槽试验研究发现，大风（8.8m/s）情况下水体表层最大流速为14.9cm/s，底层流速（水深40cm，下同）为7.4cm/s；中风（5.9 m/s）条件下，水体表层流速为10.6cm/s，底层流速为6.0cm/s；小风（3.2 m/s）条件下，表层流速为4.0cm/s，底层流速为2.7cm/s

可见，随着水深增加，风浪衰减迅速。

| 风浪/风速、底泥悬浮

风浪对底泥的强扰动作用，促使着底层沉积物的再悬浮。

而决定底泥再悬浮与否的关键，则是风浪切应力的大小。只有当风浪切应力＞底泥起动临界切应力时，才会发生沉积物的再悬浮。

由风浪产生的底泥切应力可按如下方法计算：

式中，tw是波浪产生的切应力，Uw是近湖底轨迹速度，ρ0是湖水密度，fw为波摩擦系数。

罗潋葱等人通过对太湖波动特性分析，认为太湖表层底泥的临界起动切应力约为0.037 N/ m2。

陶蓉茵根据这一结果，利用FVCOM模型模拟了太湖风浪对悬浮物浓度的影响，结果发现，在5~7m/s的西北风向下，太湖东南部、胥口湾悬浮物呈现较高水平，SS含量在50~60mg/L。在西南风的驱动下，贡湖湾、胥口湾出现大值区，最大值约70mg/L。

△ 不同风浪条件下太湖悬浮物含量情况

Karl等对Okeechobee湖的研究发现，一场飓风过后，悬浮物浓度≥100 mg/L的水域面积超过了全湖的55%，而风浪之前这个数值仅约20%。

五、风浪临界阈值

最后，我们探讨一个很重要的问题：多大的风浪，种不了水草？

这可能是很多人关心的问题。很遗憾，关于这个量化的阈值，目前暂未有相关文献资料可以参考。

毕竟，风浪对水草的影响具备太多不确定性，既可能是突袭式的一场大风，让水草身影全无；也可能是温水煮青蛙式的长期浑浊扰动，让水草惶惶不见天日而消亡。

更何况风浪自身难以量化的特性及善变的性格，让寻找阈值更加难上加难。

但换个曲线救国的思维，如果面对的是突袭式大风大浪，那么可以根据前文风浪、水深、流速的关系，计算出沉水植物底部受到剪切力和流速，再参照不同沉水植物的流速阈值，判断其能否正常生长，也不失为一种方法。

如果面对的是长期风浪扰动呢？同样，可以将该问题演化为：多大的风浪，会促使底泥发生再悬浮？

这是有量化阈值参考的。

从水动力学分析，底泥再悬浮归根结底是泥沙起动问题，受水力条件及底泥自身特性等多因素影响，可以根据水力学中对应的泥沙起动模型进行计算。

张运林等在1998年2~3月对太湖悬浮物的野外调查中发现，太湖底泥悬浮的临界风速大约为5~6.5m/s。

秦伯强等在2002年7月对太湖中心附近的观测结果进行分析，发现沉积物悬浮的临界切应力约在0.03~0.04N/m2左右，此时对应的水面风速为4.0m/s；当风速＞6.5m/s时，底泥将发生大规模悬浮。

逄勇对1997~2002年太湖梅梁湾观测站数据进行长时间尺度分析，发现悬浮物起动的临界风速为3.7m/s。

而在李一平等对太湖底泥起动规律的研究中，认为当底泥冲刷流速为0.35 m/s时，底泥“个别动”；当流速为0.45m/s时，底泥“少量动”；流速为0.60m/s时，底泥“普遍动”。注意，此时为水体底部的扰动流速，而非水面风速。

虽然各家各言，但对我们水生态设计来讲，也是一种参考。对于水深1~3m的中大型水域，将上述泥沙起动的临界风速或流速，作为沉水植物正常生长的风浪边界条件，也未尝不可。

 

参考文献：

陶蓉茵. 2012. 不同风场条件下太湖波浪数值模拟的研究及应用. 南京信息工程大学

王陈浩. 2017. 定常风与非定常风作用下风浪特性试验研究. 长沙理工大学

罗潋葱, 等. 2004. 太湖波动特征分析. 水动力学研究与进展

李一平, 等. 2004. 水动力作用下太湖底泥起动规律研究. 水科学进展

秦伯强, 等. 2002. 大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨. 中国环境科学

张运林, 等. 2005. 不同风浪条件下太湖梅梁湾光合有效辐射的衰减. 应用生态学报

雷阳, 等. 2015. 不同水动力扰动下沉水植物对沉积物重金属释放的影响. 水动力学研究与进展

逄勇, 等. 2008. 风浪扰动下的太湖悬浮物试验与模拟. 环境科学

Karl E, et al. 2001. Hurricane Effects on a Shallow Lake Ecosystem and Its response to a controlled manipulation of water level. The Scientific World

Blom, et al. 1994. Sediment resuspension and light conditions in some shallow Dutch lakes. Water Sci Technol

Chambers PA, et al. 1991. Current velocity and its effect on aquatic macrophytes in flowing waters. Ecological Applications