唐馨婷 刘曙光 高 怡

1.同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092；

2.水利部太湖流域管理局水文水资源监测局，江苏 无锡 214024

湖泊，是陆地表面洼地积水形成的水域宽广、流动缓慢的水体形式，也是人类开展生产、生活活动的主要区域之一。水作为湖泊中传递物质和能量的载体，通过水体运动的基本形式，实现了湖泊中的物质的输移以及能量的转换[1]。贡湖是太湖东北部的一个湖湾，水面面积为146km2，湖区内重要水源地有无锡南泉水厂、锡东水厂和苏州金墅港水源地。目前贡湖湾建有贡湖水质自动站和风浪站，自2006年以来，取得了大量的水质和风浪监测数据。

随着社会经济的全面发展，人类对水资源的需求量越来越大、对水质的要求越来越高，然而，随着我国国民经济的快速发展，太湖水质富营养化严重、水华频发，水污染问题越来越严重，贡湖水源地的供水安全受到了严重威胁。

近年来对以太湖为代表的大型浅水湖泊的研究表明，强烈的水动力作用是导致水-沉积物界面不稳定、沉积物再悬浮和营养盐内源释放、生长层内部结构和生物数量变化、光学吸收、衰减等物理、化学、生物过程的重要驱动力[2-4]。而在影响底泥内源释放的水动力作用中，风浪是最主要的作用力之一。因此，开展湖泊风浪的研究，对防洪减灾工作、发展湖区的经济建设具有重要的科学意义[1]，对贡湖湖区风浪要素计算方法的研究刻不容缓。

1 存在的问题

目前，计算风浪要素有许多种方法，有些是经验的，有些是半经验半理论的，也有一些是纯理论的[5]。在太湖风浪特征研究方面，乔树梁等人[6]曾于1992年和1993年的8～11月间，在无锡马山附近的湖面上，进行了风浪观测，并且根据实测资料，系统地分析了湖泊风浪的特性，进而提出了湖泊风浪要素的计算方法：

该公式在认识太湖风浪特征及计算太湖风浪要素方面发挥了重要作用[2]。然而，通过湖泊风浪要素计算公式计算出来的结果，与贡湖湖区风浪观测站实测资料对比发现（见表1）：该经验公式计算值与实测值相差较大。当风区长度达到50km时，最高误差可达到60%以上。因此可以推测，风浪资料具有较明显的地区性，风浪的发展，除了受到水深、风区长度以及风速的直接影响外，还受到地形以及水生植物种类的影响[5,7]。并且，由于当时观测手段的不同、设备精确度的限制、观测数据的整理方法以及观测点距离湖岸较近且为单点观测等因素的影响[5,7]，其结果是否适用贡湖湖区有待进一步的讨论和分析。

表1 风浪要素实测与计算波高统计

2 研究现状

目前适合浅水的风浪要素计算方法主要有：美国的SMB法、小风区风浪公式、青岛海洋大学法、莆田实验站法、浅水湖泊风浪公式和日本的井岛公式等。

其中，莆田实验站法是由河海大学洪广文等根据福建莆田实验站观测资料，考虑了风速、风区长度和水深的影响，提出的一个适用于深、浅水的风浪要素计算方法，该方法已为我国水利部《碾压式土石坝规范》所采用[1]，其公式为：

截止目前研究表明，不同湖泊的风浪可以以莆田实验站公式为基础进行风浪要素拟合计算。赵利平等[1]以洞庭湖风浪实测资料为依据，主要对目前国内外常用的风浪要素计算方法进行了比较，并且在莆田实验站公式的基础上反复调试，得出适合于洞庭湖区的风浪要素计算公式；曹勇等[8]对淀山湖对淀山湖风浪开展现场观测，以莆田实验站公式为基础，对测定结果进行拟合得出淀山湖赵田湖水域风浪平均波高的经验计算公式。

3 研究方法

3.1 风浪要素观测

贡湖湖区上的风浪观测站每秒钟产生4个风浪监测数据，包括风速、风向、波高、水深等风况及风浪要素资料。具体的站点坐标位置如下（见图1）：

贡湖站（120 °23 ’45 .4”，31°26’38.0”）

大浦口站（119 °55 ’52 .3”，31°15’57.8”）

平台山站（120 °06 ’20 .2”，31°13’54.5”）

3.2 相关影响因子的确定

风浪一旦生成，周围的不同影响因子会对它产生不同的影响，其中主要的影响因子有：风况（包括：风速、风向、风时和风区长度）、水深和海流等[5]。

根据《堤坝工程设计规范》（GB50286-98），当研究区域的风区长度≤100km时，可以不考虑风时的影响[8]。贡湖风区长度小于100km，因此风时不作为计算该湖区风浪要素的主要影响因子。

因此，根据相关规定及前人的研究基础，本文拟定风速、水深、风区长度为贡湖湖区风浪主要影响因素。

4 拟合结果及验证

4.1 拟合

首先设定参数a1、a2、a3、a4、a5，风浪计算公式可以用如下形式表示：

利用数值计算软件，通过最小二乘法，以贡湖湖区风浪站实测资料为基础，对参数a1、a2、a3、a4、a5进行非线性拟合，计算得出参数的最佳估计值（表1）。因此，可以得出贡湖湖区风浪要素的计算公式为：

表1 参数估计表

由图2可以看出，通过对该公式的计算值和实测波高值得对比，拟合值与实测值的误差基本上在±30%以内，拟合程度较好。

图1 太湖风浪观测站分布

图2 波高拟合值与实测值对比

图3 拟合校验结

4.2 验证

为验证拟合公式的准确度，对2010年10月14日风浪站观测数据进行采集，并利用上述拟合公式进行计算，得到观测时段内的太湖风浪要素计算值，并用实测值对计算结果进行验证。根据统计（图3），实测值与计算值的误差基本在±30%以内，拟合效果较好。因此证明所得出的拟合关系式适合贡湖湖区风浪实际情况，可用于计算贡湖风浪的平均波高。

5 结语

本研究在考虑了风速、水深以及风区长度这三个风浪成长主要影响因子的前提下，通过对贡湖风浪观测平台的观测数据进行拟合及率定，得到了适合于贡湖湖区的风浪要素计算经验公式为：

分析结果表明，不同湖区由于其水下地形以及水环境条件的差异，应根据研究区域具体情况选用适合该区域的风浪计算公式。本文以贡湖风浪平台实测资料为基础，在莆田试验站风浪要素计算公式的基础上，对该公式进行拟合，并通过对修正后的计算公式所得到的计算值与实测值进行比较，发现计算值与风浪要素实测值吻合度较好。该公式可完善现有的太湖水动力学模型，掌握在不同风浪作用下的沉积物再悬浮特征与水体营养盐浓度变化情况，从而为太湖底泥生态疏浚和突发性水污染事件预警提供依据。

[1]赵利平，沈浩，沈小雄.洞庭湖区风浪要素计算的探讨[J].长沙交通学院学报，2004(20)

[2]李一平，逄勇，刘兴平等.太湖波浪数值模拟[J].湖泊科学，2008，20(1)：117-122

[3]秦伯强，朱广伟，张路等.大型浅水湖泊沉积物内源营养盐释放模式及其估算方法——以太湖为例[J].中国科学，2005，35(z2)：33-44

[4]FAN C X，ZHANG L，QU W C. Lake sedements resuspension and casused phosphate release-A simulation study[J]. Journal of Environmental Science，2001，13(4)：406-410

[5]滕学春，吴秀杰，董吉田.浅水风浪要素计算方法[J].黄渤海海洋，1985，3(3)

[6]乔树梁，杜金曼，陈国平等.风浪特征及风浪要素的计算[J].水利水运科学研究，1996，3：189-198

[7]胡维平，胡春华，张发兵等.太湖北部风浪波高计算模式观测研究[J].湖泊科学，2005，17(1)：41-46

[8]曹勇，孙从军，高阳俊等.淀山湖水域风浪要素计算研究[J].长江流域资源与环境，2011，20(1)：39-43