风浪扰动下植被对湖泊底泥再悬浮影响的动力学机制研究

Sediment in the bottom of shallow lakes is susceptible to resuspension under the disturbance of wind-induced waves, leading to the release of nutrients and contaminates in the sediment to the overlaying water and threatening the lake ecological security. As the main component comprising the lake wetland, aquatic macrophytes alter the hydrodynamic conditions and thus inhibit the sediment resuspension. In order to study the hydrodynamic mechanism of the influence of vegetation on sediment resuspension under waves, field measurements will be conducted in Dongping Lake (Shandong Province) using the method of small-scale hydrodynamics. By measuring the water-sediment process in high precision, data of the turbulent velocity at different water depth and suspended sediment concentration (SSC) in high temporal resolution within vegetation patches of different stem densities will be acquired to analyze the turbulent structure within vegetation under waves. The mechanism of the influence of vegetation on turbulent structure will be illustrated by comparing morphologies between different types of vegetation. The project will also study the vertical distribution of SSC within vegetation under waves and clarify the hydrodynamic mechanism of the influence of vegetation on sediment resuspension based on the turbulent structure within vegetation. This project not only is helpful to scientifically illustrate the environmental and ecological effects of vegetation, but also can guide the practice of ecological restoration and pollution regulation in lakes.

风浪扰动下，浅水湖泊底泥极易发生再悬浮，导致湖底营养盐与污染物质向水体中大量释放，威胁湖泊生态安全。作为湖泊湿地的重要组成部分，大型水生植物的存在能够改变湖泊的水动力条件，抑制湖泊底泥再悬浮。为阐明风浪扰动下大型水生植物对湖泊底泥再悬浮影响的动力学机制，本项目以东平湖（山东）为研究区，从小尺度水动力过程入手，开展野外原位水沙过程的高精度测量，获取不同种类植物斑块内不同水深处水体紊动流速以及高时间分辨率的悬浮泥沙浓度资料，分析波浪扰动下植物斑块内水体紊动的垂向结构特征，并对比不同种类水生植物的形态差异，研究水生植物对水体紊动结构的影响机理；分析波浪条件下植物斑块内悬浮泥沙浓度的垂向分布特征，并结合冠层内的水体紊动结构，阐明影响底泥再悬浮的动力因素及其机制。本项目不仅可用于科学阐明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及污染治理的工程实践。

作为河流、湖泊以及滨海盐沼湿地生态系统中必不可少的组成部分，水生植物具有重要的生态服务价值。它们不仅为系统中其他生物的生存提供食物以及多变的栖息环境，还能够减流削浪，稳定河床以及净化水质。因此，在湖泊湿地生态修复与重建中多以水生植被的复育为主。为阐明水生植物在湖泊湿地生态修复与污染治理中的重要作用，必须从水动力学角度开展波浪条件下水生植物对床底泥沙运动的影响研究。本项目从微观水动力角度出发，研究波浪条件下水生植物对水动力结构的作用机制，并在此基础上，探讨水生植物对底泥再悬浮的影响。. 明渠流条件下，植被影响下的水流结构随植物淹没度的变化而发生变化，但无论植物处于淹没状态还是非淹没状态，冠层内水体的时均流速以及紊动能均较无植物条件下减小。通过对水体悬沙浓度剖面以及单次洪水过程中的泥沙沉积量进行测量发现，与无植物条件相比，植物区水体悬沙浓度降低，泥沙沉积量增加。波浪条件下，植物的存在减小了冠层内部的时均流速、波浪流速以及紊动能，且植株形态的差异使得不同植物影响下的水流结构存在差异，其中冠层阻流面积是导致这种差异的关键因素。此外，水生植物的存在影响床底泥沙地形，进而对近床底处的紊动能水平以及泥沙再悬浮产生影响。当波浪轨迹半径小于植株间距时，冠层内出现沙波，且沙波的出现使得近床底处的紊动能与悬沙浓度与无植被条件下相当；相反，当波浪轨迹半径大于植株间距时，冠层内不出现沙波，近床底处的悬沙浓度小于无植被条件下悬沙浓度。. 本项目研究成果不仅可用于科学解释湖泊水生植物环境和生态效应的动力学机制，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。