2.1　太湖湖流观测

2.1.1　观测点位与时间

2002年7月23—28日和2004年9月5—9日分别在太湖乌龟山敞水区(31°20.5149'N,120°13.8200'E)和梅梁湾中部(31°25.8967'N,120°12.7083'E)进行了定点湖流观测,观测时同步测定了风速风向。另外2000—2002年在太湖24个监测点进行了每月一次的常规监测,监测时间为每月的15日左右。

2.1.2　观测方法

湖流测量仪器采用适合于浅水的声学多普勒剖面仪(ADP),频率为3.0MHz,剖面时间间隔为60s,垂直方向可以进行最大分辨率为15cm的任意分层。流速仪固定在观测平台上,正立放置于水中,仪器顶部没于水下约10cm处,ADP身长30cm,盲区为20cm,从上至下可测范围内第一层位于水表面以下60cm处,然后以固定深度依次递增,直至湖底。风速风向测定采用自动风向风速仪。

2.1.3　观测结果与分析

2.1.3.1　定点观测结果与分析

2004年9月5—9日期间,梅梁湾观测点水深约为2.2m,盛行北风和东北风。为探讨风速风向变化对该点湖流的影响,选取2004年9月6日、8日和9日风场和流场进行分析,其水平分布如图2.1所示。2004年9月6日09:45—13:45[图2.1(a)],风向为北风,风速较大,5min内的平均风速达到6～8m/s。上层水体流向基本上与风向一致,在水下107cm左右,水体流向开始发生变化,与风向一致性变差;在水下137cm左右,水体上下层流场反向。在风速持续作用较长时间后的13:00—13:45,上下层流场方向的特征更明显。由于2004年9月6—8日期间风向一致较为稳定,为北风或东北风,使得该点流场也趋于稳定,9月8日的风场和流场[图2.1(b)]可以表明这一点。在上层的风向和水体流向吻合较好,且流速随风速的增大而增大;在水下107cm左右,流向发生变化,较为紊乱,且流速较小;在水下137cm左右,上下层水体流向完全相反,且下层流速大于中层流速,与上层流速接近。在9月9日[图2.1(c)]风向不是很稳定、风向改变时,水体流向也发生变化。在09:24—10:34期间,风速较小,只有2～3m/s,与风向同向的水体厚度较小,在水下77cm左右时,水体流向已经与风向反向;10:40—12:00,风速开始增大,且风向改变,上下层流场也相应地变化,随着风速的增加,流向与风向一致的流场厚度逐渐增加,在12:00左右,水下137cm处的流向也与风向一致。在12:00以后,风速变小,与风向一致的流场厚度也变小,在水下62cm处发生切变,在水下70cm处的流向与风向相反。

由此可见,在梅梁湾中部观测得到的湖流规律为:上层水体流向与风向基本一致,下层水体可能会出现补偿流,流向与上层流向相比,具有相反分量,但不一定完全相反。随着风速的增加,流向与风向一致的流场厚度逐渐增加。当风速较大时,整层水体均可能出现流向与风向一致的现象,但下层流速较上层偏小。

2003年7月14日在梅梁湾观测点上(图2.2),表层流向与风向非常一致,并在风向发生变化时,表层流向出现明显改变以适应风场的现象。如7月14日下午,在流向发生改变以适应风场的时段中,出现上层小下层大的现象,且可明显看到流向在垂直方向上的切变,流向由向北逐渐转为向东,切变层深度在1.7～2.0m。2002年7月26日太湖乌龟山风场和流场观测得到的规律(图2.3)与2004年9月6—9日梅梁湾中部观测得到的规律相似(图2.1)。

图2.1　2004年9月6日、8日和9日太湖梅梁湾风场和流场不同时间间隔内观测结果(水平方向)

图2.2　2003年7月14日(10:27—17:40)太湖梅梁湾风场和流场不同时间间隔内观测结果(水平方向)

图2.3　2002年7月26日(13:24—17:08)太湖乌龟山风场和流场不同时间间隔内观测结果(水平方向)

因此,根据单点观测结果,在大部分时间内均可看到流向在垂直方向上的切变,虽然下层流向与上层流向相比,并非完全相反,但至少存在补偿的成分。这是因为水体内摩擦和紊动扩散的存在,使得风将动量传递给表层水体,而表层水体又通过黏性和紊动扩散将动量向深层传递,动量在传递过程中总能量虽然守恒,但在向下传递的过程中会逐渐减少,因为上面各层水体已经获得动量,因此会出现流速在垂直方向从上至下依次减小的现象,如果动量能传递至底层,而底摩擦作用又不足以消耗该能量,则从理论上分析,底层水体将具有与上层相同的运动方向,但必须满足在整个湖泊水体中,水体质量是守恒的。若上层动量在传递至底层以前已消耗殆尽,则受质量守恒原理的制约,可能出现补偿流,流向与上层流向相反。因此,在太湖中当风速较大时,流向与风向相同的水层厚度较大,流向切变层出现在下层,甚至整层水体均顺风运动,无明显流向切变发生;而当风速较小时,流向切变层上移,甚至出现在表层位置[46]。

2.1.3.2　太湖流场观测结果与分析

根据太湖2000—2002年每月一次的常规监测资料,对太湖的流场进行统计分析,太湖监测点位置如图2.4(a)所示。由于太湖湖流很不稳定,受风场和波浪的影响较大,而且又难以保证在大范围内多点同时观测,致使得到的太湖湖流规律性不是很好。下面仅以2001年1月、3月、6月、8月、10月太湖流场与风速的关系为例,说明太湖流场的一些特性。风速风向见表2.1,实测流场如图2.4所示。

表2.1　2001年太湖各监测点风速风向

注　“—”表示监测值缺失。

图2.4　太湖监测点及2001年各月流场分布图

2001年1月观测期间,各监测点的风速风向变化较大,风速在0～9m/s之间变化,风向也多变,各点水体流向与风向较为一致,但未见明显环流[图2.4(b)];2001年3月观测期间,各监测点风向较为一致,主导风向为东南风,从对应的流场图上可以看出[图2.4(c)],在太湖西岸有一个比较明显的大顺时针环流,在平台山和乌龟山之间有一个稍小一点的逆时针环流;2001年6月和8月观测期间,风向多变,未见明显环流,水体流向与风向基本一致[图2.4(d)和图2.4(e)];2001年10月观测期间,主导风向为西北风,在太湖西岸有一股向南的沿岸流,梅梁湾的水体由湾里流向湾外,水体流向与风向较为一致,但未见明显环流[图2.4(f)]。

由以上分析可知,太湖流场受风场影响较大,表层水体流向基本与风向一致。由于太湖风速风向时空变化较大,使得太湖流场不稳定,环流不明显。但当太湖风速风向空间分布较为一致,且持续作用一段时间时,太湖流场可形成明显环流。