水动力条件对湖泊水体磷素质量浓度的影响.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-水动力条件对湖泊水体磷素质量浓度的影响彭进平1，逄勇1，李一平1，丁玲1，陆玉忠2，李景波21.河海大学环境科学与工程学院，江苏南京210098；2.河海大学水资源环境学院，江苏南京210098摘要：以环形水槽为研究手段，利用其可控的流速及可模拟的无限长，解决了前人未解决的湖泊水体水动力难以真实模拟的难题，模拟研究了不同流速对湖泊（太湖）水体中磷素质量浓度的影响。研究表明，随着水体流速的变化，湖泊水体中TP质量浓度的变化呈现3个阶段，即下降期、上升期和突增期。从物理化学和泥沙起动理论两方面，结合水流对悬浮物和沉积物的作用，分析了各阶段产生的原因。文章认为下降期的产生是因为在低流速下，一部分磷被悬浮物的絮凝沉淀带走所引起；上升期的产生则是因为流速上升扰动沉积物，使其达到少量动状态所引起；突增期的产生则是因为流速导致了沉积物普遍动而产生的。在研究范围内，溶解性磷质量浓度与水体流速有着明显的正相关关系；而在低流速下，溶解性磷是TP的主要组成成分，其质量浓度的相对比例可高达87%。结合太湖的有关研究，文章认为这是水华现象产生的关键原因。关键词：水动力；磷；环形水槽；太湖；泥沙起动中图分类号：X143文献标识码：A文章编号：1672-2175（2003）04-0388-05湖泊水动力学是湖泊研究的重要方面，它是基于风生流、风涌增减水、定振波、风浪等直接或间接地影响湖泊生态系统的演变与发展而进行研究的，其方法主要有野外观察、物理模型模拟以及数值模拟等1。其成果很多，但研究的着重点均在于各种风场、风浪模型的建立及相关理论的分析。水动力对湖泊水体的作用，主要表现为风生流、波浪等对水体，并通过水体对湖泊沉积物产生作用，致使水体环境中的各种物质发生混搅、溶解、沉积、悬浮、吸附、挟带、浊积、粘结等。在水动力作用下，湖泊水体中的物质和沉积物会发生各种各样的变化，并最终导致湖泊水体的质量发生变化。研究2,3表明，太湖水华就是因风（水）动力导致湖泊某些部分营养盐富集，风浪过后，藻类爆发而发生的。水华会严重破坏水体的各种功能及其可持续利用的基础，对湖泊水体有着极其深远的影响。但上述的研究亦是着眼于模型的研究，而对于水动力对湖泊水体的具体营养因子的影响及如何影响，并没有涉及。磷素是水体中藻类繁殖、生长的主要营养成分，是水体富营养化的控制因子之一。人们对湖泊水体磷素的研究已很多，既有从外源4入手的，也有从内源入手的。从内源入手的研究主要是研究包括水动力在内的各种环境条件对水体沉积物磷释放的影响，这些都以室内模拟研究为主，虽取得一定的成果，但多为相关性研究，没有较为具体的数值关系。特别是在水动力方面，仅研究了扰动强度对水体磷素的影响5，结果难以令人满意。此外，也有野外研究的，包括野外观测6和原位围隔模拟实验法7，但前者操作性不强，而后者虽结果比较真实，但围隔必需大到足以消除边界效应，且必须采用柔性围隔以保持湖水原有的动力状况，实验时间至少要维持1年以上。太湖是我国第三大淡水湖泊，近年来，由于经济的发展，其水体的富营养化问题已越来越严重，制约了该地区的发展。太湖地处北亚热带，湖面开阔，水浅，风浪大。因而了解湖泊水动力对水体磷素质量浓度的影响，可有助于对太湖水体富营养化的认识。本研究是在前人研究的基础上，以太湖为对象，通过模拟实验研究，以期得出水动力（水体流速）与水体磷素质量浓度的具体关系，从而为太湖水体富营养化的治理，提供合理的依据。1实验部分1.1实验装置1.1.1环形水槽简介它是由上下盘和调速传动系统及控制器、量测系统组成。下盘是一个内径为108cm、外径150cm、宽21cm、高41cm的有机玻璃环槽；上盘为一环片，覆盖在环槽上，上盘的高度可以调节，以控制水深。上下盘由计算机自动控制无级调速电机带动上下盘相向运动，在切应力作用下产生水流。由于水槽的曲率会出现横向副流，但通过对上下盘转速比的合理调配，可视副流基本消失，槽内流场基本均匀。1.1.2环形水槽工作原理环形水槽是把直槽的长度转化为时间尺度，以模拟无限长的水槽，解决了直槽研究粘性泥沙中水泵搅动破坏絮团及细颗粒泥沙沉降速度慢，直槽不够长等问题。另外，由于水槽体积小，实验所需沉积物量少，水量少，所以可以精确模拟现场环境的彭进平等：水动力条件对湖泊水体磷素影响的实验研究389不同流速、不同含沙量、不同盐度条件下泥沙起动流速、动水沉速、冲刷率等实验研究，并通过水槽实测数据计算淤积量、冲刷深度，解决科研、生产中的一系列问题。环形水槽是研究细颗粒泥沙各种特性的实验研究基地。本研究利用其可控的流速及可模拟的无限长，将水动力下水体的作用形象地反映出来，从而使模拟研究的结果能真实地代表实际的结果，解决了前人未解决的湖泊水体水动力难以真实模拟的难题。1.2样品采集1.2.1水样在太湖梅梁湾湖区，用有机玻璃采样器采集样点沉积物上的覆水约150L，装入清洁的蒸馏水瓶中并使不留气泡，即日带回备用。1.2.2沉积物根据太湖梅梁湾湖区沉积物分布的特点及富营养化现状，用抓斗采泥器采集样点表层沉积物大约100kg，去上覆水后，装入清洁的聚乙烯保鲜袋中带回备用。1.3实验方法本研究于2003年4月2630日在河海大学海岸及海洋工程研究所重点实验室进行。实验期间气温控制在25。实验分2个阶段连续进行，第1阶段为前期准备阶段，将采集回来的太湖沉积物均匀铺于环形流速生成装置底部，轻压使底泥处于相对平整状态，并控制底泥厚度为5cm，再以虹吸法轻轻注入采集的新鲜湖水，水深为20cm，然后静置24h。第2阶段为研究阶段，通过微机控制使水体流速分别为0cm/s、5cm/s、8.5cm/s、12.5cm/s、17.5cm/s、25cm/s、30cm/s、40cm/s、50cm/s、60cm/s。实验从零流速（即静置）开始，续步加速，每一流速均保持水流作用30min，然后分上、中、下三层采集样品，并即时进行分析实验，然后进入下一流速，如此反复，直到试验研究的最高流速。1.4分析方法样品采集后，于实验室中分成两组，分别测定其TP和溶解性磷的质量浓度。测定TP的样品采集后，于实验室中按湖泊富营养化调查规范8直接进行处理。溶解性磷质量浓度的测定，则取回实验室后立即经孔径为0.45µm的玻璃纤维滤膜（WhatmanGF/C）过滤，同样按湖泊富营养化调查规范8处理，和TP一起采用钼-锑-抗分光光度法和HACH-DR4000紫外/可见分光光度计进行分光测定。2结果与分析2.1不同流速下水体TP质量浓度的变化特征及其影响分析在静态，即没有水流的情况下，整个模拟水体的TP质量浓度处于一个均匀值，上、中、下各层的质量浓度均为0.11mg/L。随着水流的形成，TP的质量浓度出现变化，在流速为12.5cm/s之前，TP质量浓度随着流速的增大而减小，但变化率很小，幅度不到静态下质量浓度的20%；在12.5cm/s之后，TP质量浓度则随着水体流速的增大而逐步增大，且初期的幅度大些；当流速为30cm/s时，增幅变小，变得平缓；当水体流速增加为60cm/s时，TP质量浓度出现了阶跃式增长，达0.80mg/L，较前一流速增长1倍以上（图1）。很明显，在流速的变化过程中，TP的质量浓度变化出现了3个阶段：第1阶段，流速从0到12.5cm/s的下降期；第2阶段，12.5cm/s到50cm/s的上升期；第3阶段，50cm/s到60cm/s的突增期。如前所述，水动力对水体的影响是多方面的，致使TP质量浓度变化呈现上述的结果。本研究认为：水体中的TP主要以溶解性磷及颗粒悬浮物存在，溶解性磷包括正磷酸的各种盐和少量的有机磷，而颗粒悬浮物中的磷则较为复杂，它可能本身就是一种不溶的含磷有机体，如各种藻类、细菌、微生物和动植物的残体等9；也可能是以各种粘土矿物或矿物微粒作为基本骨架，经腐殖质及金属水合氧化物粘附架桥聚集在一起的，吸附了包括可溶磷酸盐在内的悬浮微粒。根据物理化学的理论，悬浮物中的物质间的能力来源有两方面：（1）其作用范围紧靠固体表面的化学力（如共价键、疏水键、氢键、空间位阻和定向效应）；（2）作用距离较远的静电和范德华引力。这些力都是由悬浮物的基本骨架及被吸附物的物理、化学性质决定的。当外界的作用力大到可克服以上任一能力源时，便致悬浮物上的物质脱附，或致悬浮物间发生絮凝、粘结10，并最终导致悬浮物的物理性质发生变化。在静态环0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.900.020.040.060.080.0流速/(cm·s-1)TP质量浓度/(mg·L-1)图1水体TP质量浓度与流速的关系曲线390生态环境第12卷第4期（2003年11月）境下（零流速），悬浮物只受重力和浮力的作用，而这两个力是等价的，并不会对悬浮物产生做功的作用。也即当悬浮物中的物质在自然状态下，不发生什么转变时，它将悬浮在水体中的任意部位。但随着水流的形成，水流便会对水体中的悬浮物产生作用力，并促使悬浮物随水体流动而流动。这种作用力通常称为剪切应力。同时，悬浮物颗粒在随水流运动过程中，还受到水体的阻力和因运动速率的不同而相互的碰撞力，再加上重力和浮力。所有这些力同时作用在悬浮物上，且是不等价、有做功的，这便导致了悬浮物中物质间的应力被克服，其结果便显而易见了：简单吸附物脱离悬浮物主体成为简单离子并溶于水体中，悬浮物相互结合成为新的悬浮物。对于以有机体为核心的悬浮物，特别是藻类，其密度便会变得更小，从而因浮力的作用而浮于水面；而以粘土为核心的悬浮物，则其密度会变得更大，并最终克服浮力的作用而沉淀。当然，以上结果必须建立在水体流速较小的前提下；当水体流速继续增大时，它将不仅仅对悬浮物产生作用，还将对水体沉积物也产生作用。根据泥沙起动理论，泥沙的起动，一般可分为3种状态，即将动未动、少量动、和普遍动。将动未动，即此时水流基本未对沉积物中的颗粒做功，它仅对水体中的物质产生了作用；少量动，即水流已对沉积物产生做功作用，并在视觉上有悬浮物的产生，其结果，明显时会有沉积物中的磷随悬浮物进入水体；普遍动，在视觉上可看到颗粒在水体中运动，并可见水体出现混混状态。综合上述情况，可以认为，在低流速时，因为水体流速未达到致使底泥起动的效果，即底泥将动未动，而此时，又因部分的悬浮物的絮凝沉淀带走了一部分的磷，便导致了第1阶段的出现。这结果与张路11研究扰动对底泥磷行为的影响的结果是相同的：在扰动条件下,上覆水磷酸盐质量浓度较高时，沉积物在更大程度上是磷酸盐的“汇”，而非“源”。随着水体流速的继续增大，进入泥沙的少量动期，此时，因脱离底泥的颗粒在数量上大过相互作用而絮凝沉淀的颗粒，因而随颗粒进入水体的磷便也相应大过沉降带走的磷，水体TP质量浓度增大，即出现第2阶段。在第2阶段后期，因为在到达普遍动前，即少量动的后期，水力的作用，增大了水体中颗粒的密度，致使产生沉降的颗粒在数量上也相应增大，从而在一定程度上减缓了水体中颗粒的增加量，也即在第2阶段后期，其上升变得较为缓和。当流速足够大时，底泥出现普遍动，水体出现混混状态，此时，水体的中的TP质量浓度将接近于沉积物中TP的质量浓度，因而突增期便随之出现。在水体流速变化时，水体各层的TP质量浓度也相应发生了变化。在产生流速之前，整个水体的TP质量浓度处于一均值，在低流速时，上、下层的TP仅发生细微变小，而中间层则有明显减小的现象，这也证明低流速时，水流作用导致了悬浮物或上升或下沉的结果。当流速达17.5cm/s，各层的TP质量浓度则明显较前一流速时为大，并以底层为最大，表明在此流速下，水流已致使沉积物达少量动的状态，但因流速未足够大而未使上浮的悬浮物在整个水体达到混合，所以出现下层TP质量浓度大的梯度结果。流速为25cm/s时，各层均达0.23mg/L，又变为一个均值，这表明该流速可使水体成为一个混合体系（图2）。2.2不同流速下水体中溶解性磷质量浓度变化特征在静态下，水体中的溶解性磷的平均质量浓度为0.036mg/L，而各层的质量浓度则存在较大的差别，以底层为最高，从底层到表层有明显的梯度现象。随着水体流速的形成，溶解性磷的质量浓度也发生变化，并随着流速的增大而增大。在流速增至25cm/s之前，它的增幅尤为明显，且有较明显的线性关系；流速增至25cm/s之后，增幅则趋于相对平缓（图3）。从图3可看出，水体溶解性磷的质量浓度与水体流速有较明显的线性正相关关系。对图3的水体溶解性磷质量浓度与流速的关系曲线取趋势线得：y=0.003x+0.0404r2=0.9612其中，y为水体溶解性磷的质量浓度（mg/L），x为水体流速（cm/s）。在图3中，明显落于线外的点仅有两点，分别为x=25和x=50，而误差也仅为16.62%和12.66%。本研究认为该趋势线能基本反映水体流速与水体中溶解性磷的相关关系，特别是在低流速时段。但考虑到水体环境所含溶质的混溶主要受水动力的影响，而沉积物的起动则受除了水动力外，还有泥沙的粒径及水深的影响。而本研究是00.050.10.150.20.250.05.010.015.020.025.030.0流速/(cm·s-1)TP质量浓度/(mg·L-1)上中下图2流速与水体各点TP质量浓度的关系彭进平等：水动力条件对湖泊水体磷素影响的实验研究391在水体为基本一致，水流对悬浮物及沉积物的双重作用的情况下展开的。所以，根据湖泊的分层理论，该关系曲线仅适用于浅水、不分层的混合型湖泊。溶解性磷是水体的主要组成成分，在静态环境下，它的质量浓度并不高（0.036mg/L），而相对比例仅为33%（图4）；水体产生流速后，其相对比例则明显增大，几乎成倍数增大，并在流速为12.5cm/s时到达最大，约为87%；之后，其相对比例则随着流速的继续增大而变小。溶解性磷在低流速期，不随TP质量浓度的减少而减少，反而在增加，这表明在低流速时，水流虽没足以令沉积物起动，但它可以令沉积物中的溶解性磷释放出来。溶解性磷的质量浓度的相对比例在流速为12.5cm/s至30cm/s之间，有较明显的降幅，但随着流速的增大，其降幅则趋于平缓，这主要是因大水流下，悬浮物的大量起动所致。2.3低流速下，水体水华现象产生的分析据文献12报道，太湖的水体流速，一般在10cm/s，这是一个很值得注意的问题。结合图1、图3和图4可以看出，虽然在这流速下，其TP的质量浓度表现为水动力条件下的最低状态，但在此流速下，其溶解性磷质量浓度的相对比例超过70%；而溶解性磷又是水体藻类可直接利用的养分，在如此丰富的可直接供给的养分下，藻类必然会蓬勃生长；同时，低流速也导致了较轻的藻类上浮，两者结合，再加上水流的单向流动而致使表层藻类富集。朱永春等2在他们对太湖的研究中指出，藻类在风速小于临界风（3m/s）时，迎风湖面发生水华，是必然的。3结语通过以环形水槽为研究手段，解决了前人未解决的湖泊水体水动力难以真实模拟的难题。并以太湖作为对象进行了模拟实验，研究了不同流速下，水体流速对水体磷素，包括TP、溶解性磷质量浓度的影响。实验研究表明，随着水体流速的变化，水体中TP质量浓度的变化会有3个阶段，分别为：流速从0到12.5cm/s的下降期；12.5cm/s到50cm/s的上升期和50cm/s到60cm/s的突增期。从物理化学和泥沙起动理论两方面，结合水流对悬浮物和沉积物的作用，对各阶段的产生原因进行了分析。认为在低流速下，水流主要是对水体中的悬浮物起作用，并导致部分沉降，以致水体TP减少，也即在低流速下，沉积物会成为TP的“汇”而非“源”；随着流速增大，水流将对悬浮物和沉积物均产生作用，而泥沙的起动是导致TP质量浓度后期变化的关键。在研究的范围内，溶解性磷质量浓度与水体流速有着明显的正相关关系，其关系式为：y=0.003x+0.0404，r2=0.9612。本研究还表明，在低流速下，水体的TP主要以溶解性磷的形式存在，其质量浓度的相对比例最高可达87%，这对水体环境甚为不利；结合太湖的有关研究可发现，它是水华现象产生的关键原因。参考文献：1逄勇,姚琪,濮培民.太湖地区大气-水环境的综合数值研究M.北京:气象出版社,1998:3.2朱永春,蔡启铭.风场对藻类在太湖中迁移影响的动力学研究J.湖泊科学,1997,9(2)：152-158.3马生伟,蔡启铭.太湖水体的总磷分布及湖流对其影响的数值研究J.湖泊科学,1997,9(4):325-330.4史小丽,王凤平,蒋丽娟,等.扰动对外源性磷在模拟水生态系统中迁移地影响J.中国环境科学,2002,22(6):537-541.5李勇,王超.城市浅水型湖泊底泥磷释放特性实验研究J.环境科学与技术,2003,26(1):26-28.6秦伯强,范成新.大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨J.中国环境科学,2002,22(2):150-153.7金相灿,屠清瑛.湖泊富营养化调查规范M.第2版.北京:中国环境科学出版社,1990.8李文朝,尹澄清,陈开宁.关于湖泊沉积物磷释放及其测定方法的雏议J.湖泊科学,1999,11(4):296-303.9黄宜凯,濮培民,胡春华.湖泊水体中悬浮物降解的实验研究J.水资源保护,1998,4:27-31.y=0.003x+0.0404r2=0.961200.050.10.150.20.250.020.040.060.080.0速度/(cm·s-1)磷的质量浓度/(mg·L-1)图3水体溶解性磷质量浓度与流速的关系曲线0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.00010203040506070流速/(cm·s-1)溶解磷质量浓度相对比例/%图4流速与水体溶解性磷质量浓度的相对比例关系曲线