120614706-高卢帅-环境工程

本科生毕业论文 学 院 水利与土木建筑工程学院 论文题目 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 学生姓名 高卢帅 学号 120614706 专 业 环境工程 年级 12 级 指导教师 张晓晶、贾德彬 职称 实验师、教 授 内蒙古农业大学教务处制 2016 年 6 月 摘 要 本文以位于内蒙古锡林郭勒盟多伦县境内的沙源区水库-大河口水库表层沉积物为研究对象， 采用野外采样，室内实验分析的方法对大河口水库表层沉 积物氮、磷的 时空分布特征以及同期上 覆水体的富营养化状态进行了分析；并通过室内模拟实验，探讨了当环境因子（pH 值、DO 、温度） 变化时内源营养盐释放对上覆水体水质的影响。 结果表明：(1)大河口水库表层沉积物类型以砂质壤土为主，其次有粉砂质壤土、壤质砂土；上 覆水体总体为国家五类水质标准，水库总体呈现富营养化状 态。 （2）表层底泥总氮、总磷季节分布 特征呈现冬季春季含量较低，夏季秋季含量较高的特点，从空间分布来看，水库东南部氮、磷含量 高于西北部；水库表层沉积物氮磷比值为 1:1.53。（3）水库底泥的温度越高，pH 值越显弱碱性以及 溶解氧含量越低时，其 N、P 释放强 度越强。本次研究 为以后大河口水库的治理、修复、保 护与管 理提供了数据支撑，也为社会各界提供了高原寒旱区湖泊水 库表层沉积物研究的一些数据与心得。 关键字：大河口水库 表层沉积物 总氮总磷 营养盐释放。 Distribution and release of nitrogen and phosphorus in surface sediments of the River Estuary Abstract In this paper, Xilin Gol League in Inner Mongolia Duolun domestic sand source area Reservoir - Reservoir large estuary surface sediments as the research object, through the reservoir surface sediments of nitrogen and phosphorus analysis of the spatial and temporal characteristics. The article uses the field sampling, laboratory experiments analysis method for large estuarine reservoir surface sediments of nitrogen and phosphorus to overlying temporal distribution characteristics of the water body eutrophication over the same period were analyzed. And through the indoor simulation experiments to study the effects when environmental factors (pH value, DO temperature) changes in water quality of the overlying inner source nutrient release right. The results show: (1) large estuarine reservoir surface sediment types and sandy loam, followed by a silty loam, loamy sand; overlying water body overall national Grade III standards; and slight overall reservoir lakes (reservoirs) rich eutrophication. (2) of TN and TP in surface sediments seasonal distribution of content presented low winter spring, summer and autumn higher levels, the spatial distribution, the reservoir is higher than the concentration in the northwest southeast of spatial concentration distribution; nitrogen and phosphorus ratio of 1: 1.53, the ratio is small, indicating a lower degree of rich reservoir of the camp. (3) The higher the temperature of the reservoir sediment, pH value, the more significant the higher the weak acid and dissolved oxygen content, its N, P release strength is stronger. The study of governance, restoration, protection and management of future large estuary reservoir provides data support, but also for the community to provide a surface sediments Cold and Arid Regions Research highland lakes and reservoirs to some data and experience. Keywords: big estuary reservoir surface sediments TN and TP Nutrient release 目录 I 目 录 1 引言 .1 1.1 研究背景 1 1.2 沉积物营养盐氮，磷研究的进展 1 1.2.1 沉积物中氮的研究进展 .1 1.2.2 沉积物中磷的研究进展 .2 1.3 研究的意义 2 2 研究区域概况及研究方法 .4 2.1 研究区域概况 4 2.1.1 地理位置 .4 2.1.2 气候特征 .5 2.1.2.1 地面气温特征 5 2.1.2.2 降水特征 6 2.1.2.3 蒸发特性 7 2.1.2.4 地面风速、风向特征 7 2.1.3 河流水系 .9 2.1.4 社会经济状况 .10 2.2 研究方法 11 2.2.1 监测点的布设 .11 2.2.2 采集样品方法 .11 2.2.3 实验方法 .12 2.2.3.1 底泥中总磷的测定 12 2.2.3.2 底泥中全氮的测定（半微量开氏法） 12 3 大河口水库表层的沉积物营养盐氮、磷的分布特征 .14 3.1 大河口水库表层沉积物的粒度特征 14 3.1.1 粒度对沉积物研究的意义 .14 目录 II 3.1.2 大河口表层沉积物粒度分析 .14 3.2 上覆水体营养盐的分布情况 16 3.3 表层沉积物中的总氮分布特征 17 3.4 表层沉积物中的总磷分布特征 19 3.5 氮、磷比值分析 20 4 大河口水库底泥中氮、磷释放影响因素分析 .22 4.1 水库温度对底泥氮、磷释放的影响 22 4.1.1 水库温度对底泥氮释放的影响 .22 4.1.2 水库温度对底泥磷释放的影响 .23 4.2 水库 pH 值对底泥氮、磷释放的影响 .25 4.2.1 水库 pH 值对底泥 TN 释放的影响 .25 4.2.2 水库 pH 值对底泥磷释放的影响 26 4.3 水库溶解氧对底泥氮、磷释放的影响 28 4.3.1 水库溶解氧对底泥 TN 释放的影响 .28 4.3.2 水库溶解氧对底泥中 TP 释放的影响 29 5 结论与 建议 .32 致谢 33 参考文献 34 附录 36 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 1 1 引言 1.1 研究背景 水库（湖泊）是陆地水文系统中重要的淡水蓄积体，它不仅是人类重要的饮用 水源之一，同时还具有调节河川径流、防洪减灾、农业灌溉、水产养殖以及旅游发 电等重要的使用功能 1。沙源区水库（湖泊）更是保障当地生活用水、生态用水和 区域经济发展十分珍贵且不可替代的重要环境资源，但是这些地区的水库（湖泊） 近些年受到了不同程度的污染。水库（湖泊）在区域社会经济发展和生态环境建设 中发挥着举足轻重的作用，由于湖泊水体氮、磷等营养物质的增加，导致近 30 年来 富营养化问题发展迅速，给各国的经济发展带来很大影响。 水体的沉积物又称底泥，通常是由勃土、泥沙、有机质及各种矿物质组成，经 过长期物理、化学及生物等各类作用及水体的传输而沉积于水体底部形成 2。底泥 表面 0-15cm 的底泥称为表层底泥，超过 15cm 的底泥统称为深层底泥，是自然水体 中的重要组成部分。沉积物是各类氮、磷等营养盐主要蓄积的场所。如果水域水体 受到污染后，水中部分污染物会通过沉淀过程或者由颗粒物吸附过程而蓄存在底泥 中，然后逐渐向水体中缓慢释放，造成二次污染 3。同时，当水库水体与沉积物相 互作用的过程中，当外源得到有效控制后，沉积物中相当一部分的营养物质会重新 释放到水体中，形成湖泊营养盐的内源负荷。 1.2 沉积物营养盐氮，磷研究的进展 1.2.1 沉积物中氮的研究进展 根据近期调查显示，全球范围内约有 40%的水库与湖泊正遭受着氮、磷污染导 致的富营养化的“病痛”折磨。而在我国，在 20 世纪的 90 年代中后期，便有 70% 的水库与湖泊患有富营养化的“癌症” 。我国已经成为了世界上富营养化水库湖泊影 响范围严重的国家之一。国外对氮在泥-水界面的迁移、转化和循环进行了许多研究， 建立了较为系统的底泥氮循环模型 4；国内对氮的研究侧重于面源流失 5和水体中各 形态氮的分布规律 6，由于过去普遍认为磷是湖泊富营养化的限制因子，因此对底 泥中泥- 水界面氮的行为研究较磷而言相对较少。目前对底泥氮释放主要是研究底泥 总氮、氨氮以及硝酸盐氮的释放。戴树桂 7等曾对底泥中氮的主要迁移转化过程及 转化模型进行了初步研究，泥-水界面氮的迁移转化规律的研究仅限于对 NH4+-N 和 N03-N 表观溶出速率 (量) 的估算 8。氮在湖泊底泥-水界面间的迁移和交换是一个十 分复杂的生物化学过程，吴丰昌 9认为底泥氮循环主要发生在底泥表层 2cm 内，在 底泥- 水界面及其附近，可溶性 N03-N 浓度明显降低而 NH4+-N 浓度则显著增大，这 种现象暗示了在底泥-水界面发生着强烈的氮循环。杨龙元等 10通过实验分析认为 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 2 NH4+-N 有可能在浓度梯度驱动下通过间隙水向上扩散迁移，而 N03-N 则自上覆水 体向底泥内部扩散迁移，底泥可能是湖泊 N03-N 主要的清除场所。湖泊中的氮主要 是以颗粒氮的形式进入底泥的，底泥中氮含量高低与湖泊的污染和营养程度有关 11。 易降解有机氮在异养微生物作用下易降解、氨化，生成的 NH4+-N 可以被粘土矿物 所吸附而成为可交换态 NH4+-N，可交换态 NH4+-N 进入间隙水重新被微生物同化为 有机氮或者扩散至底泥氧化层而氧化成 N02-N 和 N03-N。底泥中可溶性和可交换性 氮含量反映了湖泊的污染水平。硝化和反硝化作用是泥一水界面氮迁移和交换的主 要形式 12。 1.2.2 沉积物中磷的研究进展 磷污染已然成为了我国湖泊最重要的环境问题之一，而水体中高营养盐负荷是 引起湖泊富营养化的根本原因，控制、降低水体营养盐浓度作为湖泊富营养化治理 的前提，已得到国内外湖泊生态管理者的共识。在各种营养元素中，磷是水体浮游 藻类自然生长的限制因子 14。因此控制湖泊磷负荷就成为许多湖泊富营养化治理的 基本条件之一。 湖泊中磷的来源主要包括外源输入和内源释放 15。多年来人们治理富营养化水 体的主要策略是减少外源磷的输入，但通过此法成功恢复湖泊生态的例子屈指可数， 其主要原因是沉积物中磷的再释放起到了“二次污染”的作用 16。 国外一些科学家曾对磷在沉积物-水界面的交换及磷在水体环境的停留机制进行 了综述，他们认为沉积物是水体中磷的源和汇，在大多数水体中，存在磷的净沉降， 沉积物作为磷的“汇”。在某些高营养水平的水体中，在短时间内，磷从沉积物的 释放可能超过磷的沉降，使得水体中磷的浓度保持较高的水平，沉积物便成为磷的 “源” 17。 沉积物中磷向水体的释放是导致水体富营养化和水华暴发的直接原因之一，因 此掌握导致磷向水体释放的沉积物-水界面过程十分重要，国内外已对这方面进行了 大量研究，主要方面可分为两大部分：即沉积物中磷形态研究，包括磷的分级分离 方法、磷在沉积物中的形态分布及其机理研究等 18；水-沉积物界面磷的交换研究， 主要包括磷的吸附、解吸及其动力学过程研究等 19。 1.3 研究的意义 大河口水库是国内高原干旱区比较典型的蓄水抗洪型水库，也是当地生活、工 业污废水的排放渠道，其下游滦河更是天津地区的生活饮用水来源之一。并且也是 国家级 4A 旅游景区。当下，大河口水库因为人为污染被取消了 4A 级景区，环境日 渐恶化，水库水体不堪承受整个地区的污水接纳工作，富营养化情况日益严重，必 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 3 须引起社会各界的关注，对其进行相应的管理、整治与修复工作。水库中底泥沉积 物是湖泊营养盐的重要载体，就算是鱼塘养鱼，也要定期挖取塘泥方可持续进行水 产养殖，可想而知其重要性。国内已经有很多学者对太湖，东湖等湖泊的沉积物污 染进行了研究与分析，而对于我国北方的寒旱区湖泊研究寥寥无几。 水体污染一般分为外源污染和内源污染。其中外源污染主要由大气沉降，废水 排放，水土流失，雨水淋浴与冲刷引起。而内源污染主要由上覆水体污染物的沉积 而形成，这些沉积物会对水体形成长期的污染。沉积物是湖泊营养盐的重要蓄积库, 营养盐是制约湖泊富营养化发展的第一要素。因此,在湖泊富营养化的研究中,探明湖 泊沉积物中营养盐的特征、含量及其分布情况,具有非常重要的意义，对评价湖泊 （水库）水体生态系统潜在的富营养化风险和恢复自然生态环境及独特的生态调节 功能有一定的价值和指导意义。 随着流域点源面源污染治理的不断深入，对水体底泥污染的诊断和治理变得越 来越重要。河流或湖泊内源污染物的释出，类似于非点源污染，释放面积大，释放 时间、途径和释放量具有不确定性。因此，研究污染物静态释放，了解污染物在沉 积物- 水的迁移规律，对于控制沉积物中污染物向水体释放有着重要意义。 本文通过对大河口水库表层沉积物的粒度特征，表层沉积物 N、P 时空分布特 征进行分析，探讨了环境因子对营养盐 N、P 释放的影响，对外源污染可控情况下 水库富营养化控制提供理论依据，对大河口水库资源的开发、利用与保护具有一定 的指导作用,进而最终实现生态系统的良性循环,为水体污染治理和制定污染控制对策 提供了理论依据，同时为进一步寻找与水库内源污染治理相适应的修复技术。 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 4 2 研究区域概况及研究方法 2.1 研究区域概况 大河口水库又名多伦湖，于 1995 年第三季度建成。一直采用蓄洪的运行方式， 是一座以水利发电为主要，兼顾着防洪、灌溉、水产养殖等为次要的各类功能齐全 的中型水库。多伦湖为国内知名水利风景区，享有“滦上第一坝”的美誉，一度被 评为国家 4A 级旅游景区，因环境问题、基础公共设施建设不完善等原因，于 2015 年取消资格。 2.1.1 地理位置 大河口水库位于内蒙古锡林郭勒盟境内多伦县滦河干流上，坐标为北纬 42 1319.17，东经 116384.00。东部、南部分别与河北围场县、丰宁县毗邻， 北与正蓝旗相邻，南端距离北京市 300km，距张家口市仅有 80km。水库距多伦县城 区 15km，距其下游西山湾水库仅 15km，水库坝址以上控制流域面积 8684.54km2。 见图 2-1。 图 2-1 大河口水库地理位置图 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 5 2.1.2 气候特征 锡林郭勒盟多伦县属于温带大陆性季风气候区。由于其地理位置及地理环境从 而该地的气候特征主要体现为：春天气温骤升，干旱而少雨，多大风；夏天短促温 热，降水比较集中；然而秋季气温剧降；冬天严寒而漫长。根据当地气象局提供的 近 30 年（19842014 年）的气象资料显示如下。 多伦县 30 年内各气象要素统计见表 2-1。 表 2-1 多伦县气象站 1984-2014 年气象要素特征表 项目 数值 项目 数值 年平均气温 2.1 年平均降水量 321.4mm 年极端最高气温 37.8 年极端最高降水量 564.5mm 年极端最低气温 -40.7 年最大风速、风向 22.9m/s,WSW 年平均气压 900.3hPa 年最大冻土深度 220cm 年平均相对湿度 58% 年最大积雪深度 28cm 年平均水汽压 5.6hPa 年扬沙日数 3.7d 年平均蒸发量 1713.6mm 年沙暴日数 1.5d 年平均风速 3.3m/s 年雷暴日数 30.0d 年日照时数 2808.4h 年冰雹日数 1.8d 2.1.2.1 地面气温特征 表 2-2 是多伦县近 30 年内各月的平均气温，图 2-2 是多伦县 30 年内平均气温年 变化曲线。 表 2-2 多伦气象局发布的 1984-2014 年月平均气温统计数据() 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 气温 -18.8 -14.8 -6.5 4.3 12 17.7 20.1 18.7 11.8 3.2 -7.5 -15.7 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 6 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 1月 2月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 月 份 气温 （ ） 气 温 图 2-2 多伦县气象局发布的 19842014 年月平均气温年变化曲线图 由表 2-2、图 2-2 可知，多伦县年平均气温为 2.1，全年最冷的月份是 1 月， 年平均气温是-18.8，最热月份是 7 月，年平均气温多为 20.1。 2.1.2.2 降水特征 多伦县 19842014 年每年各月平均降水统计见表 2-3，每年各月平均降水变化曲 线见图 2-3。 0 20 40 60 80 100 120 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 月 份 降雨 量（ mm ） 降 雨 量 变 化 趋 势 图 2-3 多伦县 19842014 年月平均降水量变化曲线 表 2-3 多伦县 1984-2014 年月平均降水量统计结果 （mm） 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 降水 1.41 2.41 5.69 15.28 29.12 67.5 101.3 82.85 45.26 19.7 5.72 1.45 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 7 由图 2-3 可知，锡林郭勒盟多伦县近些年各月平均降水量变化较大，降水量分 配不均匀，降水量主要是集中在 5-9 月份，7 月降水量多为最大，年平均降水量为 101.3mm，1 月降水量最小为 1.41mm。 2.1.2.3 蒸发特性 下面分别是多伦县 19842014 年各月平均蒸发量统计结果表 2-4，河多伦县多年 各月平均蒸发量变化特征曲线图 2-4。 表 2-4 多伦县 1984-2014 年月平均蒸发量统计结果(mm) 月份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 蒸发量 21.25 47.31 108.07 207.32 298.56 247.19 月份 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 蒸发量 204.48 178.8 158.6 117.34 68.7 36.6 0 50 100 150 200 250 300 350 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月月 份 蒸发 量（ mm ） 蒸 发 量 变 化 趋 势 线 图 2-4 多伦县 19842014 年月平均蒸发量变化曲线 由图 2-4 得知，锡林郭勒盟多伦县近些年各月平均蒸发量变化非常明显，平均 蒸发量为 1713.6mm。年内，49 月份的蒸发量占具全年蒸发量的 76%之多，5 月份 蒸发量是为各月中最大的，约占全年蒸发总量的 17.6%左右。 2.1.2.4 地面风速、风向特征 地面风向、风速的统计分析是污染气象最基本的东西，其风况受季节变化的约 束，而且还受地形以及其地表状况的影响。风况具有较大的年际变化。 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 8 多伦县气象站位于内蒙古的中东部，地面风变化规律：冬春两季节，东亚的高 空西风急流正好位于内蒙古的上空，但当蒙古气旋发展时，内蒙古就处于一种上下 一致的西风气流中，这样非常有利于高空动量下传，使的低层偏西风增大，因此该 地在冬春两季容易出现大风的天气；夏季呢，由于降水相对比较集中，正当锋面过 境时可伴有雷雨和大风，瞬时的风速非常大，但是夏季平均风速则是四季当中最小 的；秋季虽然是冷暖气团交替时期，但此时的气团活动远远不如春季气团活动频繁， 为此风沙天气较为稀少。 （1）地面风速变化特征 通过多伦县气象站发布的近 30 年各月平均风速统计表（见表 2-5）不难发现： 多伦地区年平均风速 3.3m/s。基本全年以春季的风速最为强大，平均风速最小的时 候出现在夏季。 表 2-5 多伦县 1984-2014 年月平均风速数值 （m/s） 月份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 风速 3.5 3.3 3.5 4.0 3.8 3.0 月份 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 风速 2.6 2.5 2.8 3.2 3.5 3.6 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月月 份 风速 （m /s） 图 2-5 多伦县 19842014 年月平均风速变化曲线 （2）地面风向基本特征 通过多伦县气象站发布的 1984-2014 年近 30 年地面平均风向频率及各风向下平 均风速统计的知，多伦地区主导风向为 WSW 风，而次主导风向为 W 风。 多伦县全年风向频率及风速玫瑰图见图 2-6 和图 2-7。 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 9 全 年 （ C=14.8%) 0.0 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0N NNE NE ENE E ESE SE SSESSSW SW WSW W WNW NW NNW 全 年 0.01.0 2.03.0 4.05.0 6.0N NNE NE ENE E ESE SE SSESSSW SW WSW W WNW NW NNW 图 2-6 多伦县近 30 年风向频率玫瑰图 图 2-7 多伦县近 30 年风速玫瑰图 2.1.3 河流水系 滦河水系上有大大小小很多的水库和灌区，给国民经济建设发挥了至关重要的 作用。内蒙古境内就建有双山水库、大河口水库以及西山湾水库三大水库。滦河流 域内蒙古境内就有红星水库灌区、黑城子牧场灌区、上都河灌区、五一牧场灌区、 双山水库灌区、黑风河灌区等多个农田灌溉区，此外还有白音卜罗、吐力根河及小 型引水、扬水灌区。多伦县为处滦河的源头，拥有常年性的河流 47 条，季节性的河 流 11 条，泉水眼子 81 处。主要的河流抛去滦河干流之外，还拥有小河子、闪电河、 黑风河、吐里根河这 4 条主要的支流。滦河经大河口水库西侧进行补给，吐力根河 从水库的东侧进行补给。 研究区主要河流水系分布见图 2-8。 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 10 正 蓝 旗 电 闪河小 河 子河滦双 山 水 库上 都 河 白 城 子 水 文 站河河子肠羊法 达 河 黑 风 树 沟杨 蛇 皮 河家 河 河 根 力 吐西 山 湾 水 库河 滦一 羊肠子河滦 河闪电河 图 2-8 研究区内河流水系分布图 2.1.4 社会经济状况 多伦县是一个以农为主、农牧林结合的经济类型区，同时也是一个以汉族为主 体，蒙、满、回、达斡尔、朝鲜、藏、白、佟、壮等 10 个民族组成的多民族聚居区。 据 2013 年人口统计资料，全县人口 11.03 万人，其中汉族人口 8.77 万人，占总人口 的 79.4%；少数民族人口 2.26 万人，占总人口的 20.6%。全县农作物播种面积 76.1 万亩，与上年持平。全县粮食作物播种面积 67.3 万亩，比上年增长 1.2%；全县油料 播种面积 1.3 万亩，与上年持平；全县蔬菜播种面积 6 万亩，下降 14.3%。全县牧业 年度大小畜总头数 19.0 万头（只） ，比上年增加 0.1 万头（只） ，增长 0.5%。其中， 大畜 13.5 万头( 只) ，下降 6.3%；小畜 5.5 万只，增长 22.2%。 2013 年，全县地区生产总值完成 73 亿元，其中工业增加值 48 亿元。全社会固 定资产投资完成 55 亿元。地方财政收入完成 6.5 亿元。全年城镇居民人均可支配收 入 22824 元，比上年增加 2243 元，增长 10.9%；城镇居民人均消费支出 17072 元， 增长 19.3%。农村居民人均纯收入 9099 元，比上年增加 1047 元，增长 13.0%；农 村居民人均生活消费支出 6713 元，增长 44.2%。 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 11 2.2 研究方法 2.2.1 监测点的布设 本研究先确定大河口水库地理位置，然后依据我国水环境及湖泊湿地调查规范， 确定了大河口水库污染源分布以及水库面积，将大河口水库的采样断面划分为 6 个， 6 个常规监测断面为：吐力根河入库处为 A-A 断面、滦河与小河子汇合后入库处为 B-B 断面、库边为 C-C 断面、库中分别为 D-D 和 E-E 断面。采样点详细布置方案及 地理位置见图 2-9。 图 2-9 大河口水库底泥采样点 2.2.2 采集样品方法 本研究在 2014 年 6 月-10 月使用 GPS 全球定位系统定位，使用自制底泥采样器 采集 A-A、B-B 、C-C、D-D 、E-E 共 5 个监测断面的中心线底部表层底泥下 5cm 厚 度的沉积物样品，同时监测水温、水深、流速等情况。连夜运回实验室，然后放入 白瓷盘中自然风干，经过研磨、过筛后测定各断面底泥中的 TN、TP 含量。 2.2.3 实验方法 2.2.3.1 底泥中总磷的测定 本研究中，底泥总磷测定使用了硝酸-硫酸消化法。 配置如下试剂： 1、 （1/2/H 2SO4）=6.5mol/L 硫酸的钼锑贮存液，贮存于棕色瓶中。 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 12 2、0.5% 酒石酸锑钾溶液。 3、钼锑抗混合显色剂。 4、C（ 1/2/Na2CO3）=0.1mol/L 的碳酸钠溶液。 5、浓硫酸。 6、硝酸。 7、C（ 1/2/H2SO4）=6mol/L 硫酸。 8、C（ 1/2/H2SO4）=2mol/L 硫酸。 9、对二硝基酚指示剂。 10、4mol/L 的 NaOH。 11、五氧化二磷标准溶液。 结果计算: 从标准曲线中查得待测液的磷含量后，可按下式进行计算： 土壤全磷（P ）量（mgkg -1）= 式中：待测液中磷的质量浓度（gkg -1） ； V样品制备溶液的 mL 数； m烘干土质量（g） ； V1吸取滤液 mL 数； V2显色的溶液体积（mL） ； 10-3将 g 数换算成的 gkg-1 乘数。 具体步骤请参阅附录 1。 2.2.3.2 底泥中全氮的测定（半微量开氏法） 本研究中，底泥全氮的测定使用的是半微量开氏法。 配置如下试剂： 1、硫酸。 2、10molL -1NaOH 溶液。 3、甲基红溴甲酚绿混合指示剂。 4、20gL -1 H2BO3指示剂。 5、混合加速剂。 6、0.02 molL -1（1/2 H 2SO4）标准溶液。 7、0.01 molL -1（1/2 H 2SO4）标准液。 8、高锰酸钾溶液。 12Vm 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 13 9、1:1 硫酸（化学纯、无氮、=1.84gmL -1） 。 结果计算： 沉积物总氮（TN）量（g/kg）= 式中：V滴定试液时所用酸标准溶液的体积（ mL） ； V0滴定空白时所用酸标准溶液的体积（ mL） ； c0.01 mol/L（ 1/2 H2SO4）或 HCl 标准溶液浓度； 14.0氮原子的摩尔质量（g/mol） ； 10-3将 mL 换算为 L； m风干沉积物样品的质量（g） 。 具体步骤请参阅附录 2。 3420 10.)1(mSOHcV 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 14 3 大河口水库表层的沉积物营养盐氮、磷的分布特征 3.1 大河口水库表层沉积物的粒度特征 粒度是指碎屑颗粒的大小尺寸，是碎屑颗粒最主要的结构特征。粒度的大小一 般是以颗粒直径来计量的，因为测量方法的不同，颗粒直径的含义也相应有所不同。 粒度的分析是主要研究沉积物中的各颗粒的物理组成以及沉积物的粒度大小、各粒 级所占的百分含量。 3.1.1 粒度对沉积物研究的意义 碎屑颗粒的大小决定着土壤的类型和性质，粒度分析的方法在岩石学研究中应 用最早 2。总体来说，粒度的大小主要的，是流水和风等作用应力的影响，与沉积 物的形成环境关系密切。人们发现沉积物粒度的变化，也是特征气候变化的代替指 标之一。通过粒度值能直接反映出水动力值得大小、季风活动的强与弱，可以进一 步推测古气候的演变规律，以及水体的变动规律。 3.1.2 大河口表层沉积物粒度分析 研究使用激光粒度分析仪对大河口水库表层沉积物的粒度分布情况进行测定。 依据国际土壤质地分级标准（表 3-1） ，对沉积物类型进行判定。 表 3-1 国际制土壤质地分级标准 地 质 名 称 粘粒 （ 0.002mm,%） 粉砂 （0.020.002mm,% ） 砾粒 （ 20.02mm,%） 1、壤质砂土 015 015 85100 2、砂质壤土 015 045 5585 3、壤 土 015 3045 4055 4、粉砂质壤土 015 45100 055 5、砂质粘壤土 1525 030 5585 6、粘壤土 1525 2045 3055 7、粉砂质粘壤土 1525 4585 040 8、砂质粘土 2545 020 5575 9、壤质粘土 2545 045 1055 10、粉砂质粘土 2545 4575 030 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 15 本文对 2015 年 6 月、10 月 A-A、B-B、C-C、D-D、E-E 五个采样断面的颗分数 据进行了分析，结果如表 3-2、3-3 所示。 采用的参考公式有： （1）平均粒径： （2）标准差： （3）偏度： 310)(amaxfSk （4）峰度： 4a(）afK 表 3-2 2015 年 6 月大河口水库沉积物颗粒径参数（%） 序号 0.002mm 0.020.002mm 20.02mm 所属类型 xaska A-A 均 1.99 25.36 72.80 砂质壤土 59.18 51.55 0.41 0.81 B-B 均 1.12 9.81 89.08 壤质砂土 84.75 48.97 0.03 0.95 C-C 均 1.16 12.20 86.66 砂质壤土 75.77 55.88 0.01 1.11 D-D 均 0.43 8.28 91.30 壤质砂土 68.17 37.08 0.18 1.12 E-E 均 4.85 49.90 45.30 粉砂质壤土 35.63 37.36 0.72 0.83 表 3-3 2015 年 10 月大河口水库沉积物粒径参数（%） 序号 0.002mm 0.020.002mm 0.022mm 所属类型 xaaska A-A 均 0.49 4.24 95.28 壤质砂土 200.01 86.34 0.17 1.2 B-B 均 3.08 30,73 66.29 砂质壤土 56.39 61.18 0.55 1.1 C-C 均 4.17 37.85 57.99 砂质壤土 79.07 92.09 0.83 0.77 D-D 均 9.72 61.47 28.81 粉砂质壤土 38.81 68.08 0.94 5.52 E-E 均 9.78 60.38 29.90 粉砂质壤土 80.87 99 0.92 3.87 10mafx)(2aaf 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 16 根据粒度参数分级标准，其中 6 月数据显示其偏度值在 0.01-0.72，属于正偏与 极正偏，峰度值在 0.81-1.12，为中等。7 月数据显示其偏度值在 0.17-0.94 之间，属 于极正偏，峰度值在 0.77-5.52，跨度非常大，属于中等和尖窄。数据表明大河口水 库表层沉积物类型以砂质壤土为主，其中 6 月数据在粒度在 20.02mm,%颗粒含量 占 77.03%，10 月数据中在 20.02mm,%颗粒含量占 55.65%。 3.2 上覆水体营养盐的分布情况 选取同期上覆水体 15 个水质样品进行分析，如表 3-4 所示。大河口的水质较差， 根据国家地表水环境质量标准（表 3-5） ，属于五类水质。 表 3-4 同期水体上覆水质样品数据表（mg/L） 采样点 总氮 总磷 A-A 2.476 0.213 B-B 2.149 0.227 C-C 2.849 0.264 D-D 2.788 0.218 E-E 2.884 0.294 均值 2.629 0.225 表 3-5 中国地面水环境质量标准（G3838-2002） （mg/L） 项目 一类 二类 三类 四类 五类 0.02 0.1 0.2 0.3 0.4 0.01（湖、库） 0.025（湖、库） 0.050（湖、库） 0.1（湖、库） 0.2（湖、库） 总磷 总氮 0.2（湖、库） 0.5（湖、库） 1（湖、库） 1.5（湖、库） 2（湖、库） 由检测数据可知，2015 年 7 月，大河口各监测点位上覆水体中 TP 总体含量在 0.2010.564mg/L 之间，平均值为 0.299mg/L。TN 总体含量在 2.4768.702mg/L 之间， 平均值为 4.037mg/L。TN 主要来源为内源性污染源释放 ，大河口水库内源性 TN 含 量高。TP 随着供水河流滦河、吐力根河流入，及其沉积物释放，导致其浓度明显增 高。 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 17 根据富营养化评价结果显示，大河口水库全库污染较为严重，其中各点的 TN 含量标准均为国家五类水质标准，A-A、D-D、E-E、B-B、C-C 处 TP 含量标准均为 国家五类水质标准。TP 以东北处浓度高，西北角浓度次之，水库出口西侧浓度较小 的趋势。这种情况的出现，主要是因为大河口水库全库无节制放鱼捕鱼，严重破坏 了水库应有的生态，导致水库出现恢复速度赶不上破坏速度，再加上游吐力根河带 来的额外污染，加之常年少雨，蒸发量大，使得大河口水库 N、P 浓度较高。综上 所述，大河口水库的上覆水污染源可能来源于沉积物释放，以及上游的污染排放。 3.3 表层沉积物中的总氮分布特征 氮是植物生长繁殖的重要营养因素，但是水体中的氮只有转化成溶解状态氮 3， 如氨氮，硝态氮等才能被植物等充分吸收利用，首先是各类有机物经过微生物分解 转化为氨，再经过硝化细菌和亚硝化细菌的分解转化变为植物可直接吸收的硝酸氮 25。硝酸氮能够被水生植物与藻类吸收和利用，但当它的浓度到达一定程度之后对 水生动物却有着致命的危害，因此氨氮的含量和比例一定程度上确定了水体污染的 程度 26。研究表明水体中氨氮浓度过高，会影响水生生物的健康，而过高的氨氮浓 度会引起水中浮游植物，藻类等暴增、富集，引起水体变质，出现异味。并且会大 量消耗水体中的溶解氧，造成水生生物大量死亡，进入恶性循环，演变成水体富营 养化。 本研究于 2014 年 6 月-10 月，2015 年 5 月、7 月对大河口水库表层沉积物氮进 行采样分析，检测数据如表 3-6，表 3-7 所示。 表 3-6 2014 年大河口水库 TN 含量表(mg/100g) 时间 A-A B-B C-C D-D E-E 6 月 58.22 39.45 377.17 106.55 360.98 7 月 113.06 47.32 90.31 401.12 319.3 8 月 124.94 55.52 60.48 420.82 249.13 9 月 163.46 70.76 462.34 261.11 498.23 10 月 183.46 218.12 54.35 181.02 406.61 均值 128.628 86.234 208.93 274.124 366.85 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 18 表 3-7 2015 年大河口水库 TN 含量表（ mg/100g） 时间 A-A B-B C-C D-D E-E 5 月 169.3 81.34 87.46 115.2 230.3 7 月 182.45 104.33 363.75 538.6 530.91 均值 175.88 92.84 225.60 326.9 380.60 0 100 200 300 400 500 600 A-A B-B C-C D-D E-E 2014年 6月 2014年 7月 2014年 8月 2014年 9月 2014年 10月 2015年 5月 2015年 7月各 月T N含 量均 值（ mg /10 0g） 图 3-1 2014-2015 年度大河口水库各断面 TN 含量 大河口水库表层沉积物中的 TN 含量在空间分布上面体现出了南部区域浓度高 于北部区域浓度，水库中间区域浓度高于东西部区域浓度的总体趋势。并且随着时 间的增加，TN 含量也在明显的增加。其中，水库进水口 A-A、B-B 处浓度相比较低， 滦河进水口处比吐力根河进水口处浓度大。几条支流汇集与 C-C 处的浓度明显有所 增加。而水库出水口处的浓度却居高不下，是整个水库中浓度最高所在，TN 最高含 量为 538.60mg/100g，平均含量高达 222.77mg/100g。如上 D-D，TN 含量直逼水库 出水口。大河口水库 TN 含量在 39.45-538.60mg/100g 之间变化，平均值为 222.77mg/100g。表层沉积物中的 TN 在时间分布上面呈现总体增加的趋势，随着时 间的增加，TN 含量也在不断的增加。其中，八月较七月浓度有所降低，但是九月却 与之前的含量增加不少。出库口处 E-E 的含量居高，变化大。水库中央 C-C、D-D 受水库自身调节能力的影响，TN 浓度变化幅度较大。但是入水口处 A-A、B-B 处， 内蒙古农业大学学士学位毕业论文 19 TN 含量却呈现较平稳的增长趋势。整体呈现 B-B 断面A-A 断面C-C 断面D-D 断 面E-E 断面的趋势。 3.4 表层沉积物中的总磷分布特征 进入水体的磷通常以磷酸盐的形式存在。磷与氨氮元素同为自养型水生动植物 的主要元素，并且其相互制约着动植物的增殖，光有氮元素，不会造成水体富营养 化，同样，光有足够的磷元素，也不会造成水体的富营养化。 本研究于 2014 年 6 月-10 月，2015 年 5 月、7 月对大河口水库表层沉积物磷进 行采样分析，检测数据如表 3-8，表 3-9 所示。 表 3-8 2014 年大河口水库 TP 含量表(mg/100g) 时间 A-A B-B C-C D-D E-E 6 月 27.81 16.38 167.07 47.63 150.76 7 月 33 15.75 24.15 126.1 105.08 8 月 31.66 21.96 22.35 148.05 76.27 9 月 37.36 23.13 120.1 79.54 185.19 10 月 38 62.89 16.61 51.94 112.28 均值 33.566 28.022 70.056 90.652 125.916 表 3-9 2015 年大河口水库 TP 含量表（mg/100g ） 时间 A-A B-B C-C D-D E-E 5 月 59.3 88.34 118.27 190.05 259.49 7 月 41.90 35.56 93.48 179.51 209.08 均值 317.45 159.48 188.09 500.01 566.99 大河口水库 2014-2015 年度 TP 含量数据总，选取月均值制作图 3-2 折线图。 大河口水库表层沉积物氮、磷分布特征及释放规律分析 20 0 50 100 150 200 250 300 A-A B-B C-C D-D E-E 2014年 6月 2014年 7月 2014年 8月 2014年 9月 2014年 10月 2015年 5月 2015年 7月各月 TP含 量均 值（ mg /10 0g） 图 3-2 2014-2015 年度大河口水库 TP 含量 大河口水库表层沉积物中 TP 值，与其同期 TN 数据相比，二者比较类似，都是 南部区域浓度高于北部区域浓度，水库中间区域浓度高于东西部区域浓度的总体趋 势。并且随着时间的增加，TP 含量也在明显的增加。并且其他数据方面都非常类似。 水库进水口 A-A、B-B 处浓度相比较低，滦河进水口处比吐力根河进水口处浓度大。 几条支流汇集与 C-C 处的浓度明显有所增加。其含量在 27.81-924.90mg/100g 之间变 化，平均值为 148.71mg/100g。表层沉积物中的 IP 在时间分布上呈现出减少的趋势， 但是起伏比较大，需要更多数据来进行更具体的测评。其中吐力根河进水口处 B-B 显示，吐力根河对水库 TP 总量的贡献最平稳，最小。其次是 A-A 处的滦河进水口， 也相对比较平稳。由图表不难看出，E-E 出库口的 TP 含量最高，起伏比较大， 表 明该 TP 含量最靠近水库最大恢复临界值，以及 D-D 也同样表明水库的自我恢复已 经可以