（自然地理学专业论文）长江口细颗粒泥沙絮凝主要影响因子及其环境效应研究.pdf

华东师范大学2 0 0 7 届博士学位论文 摘簧 摘要 河口海岸水域环境中细颗粒泥沙的絮凝沉降是引起河口、海岸泥沙沉积的主要影响因素 之一。由于径流和潮流怕相互作用，及盐淡水交汇等冈素的影响，河口区划颗粒泥沙发生絮 凝( 吸附) 一沉降一再悬浮一解絮( 解吸) 一扩散一沉积等复杂的变化过程。由此对河口泥 沙的聚集和输移、河槽和浅滩的发育演变等有着重要的影响。在河口生物地球化学过程中对 许多重金属元素和有机物的化学行为、迁移和归宿等也有显著影响。冈此，河口区细颗粒泥 沙的絮凝研究，对揭示河口“过滤器”本质和阐明河口沉积动力学过程具确重大的科学意义。 作为国际地圈生物圈训划( g b p ) 第六核心计划( 海岸带陆地一海洋相互作用计划l o i c z ) 中的基础性科学问题之，河口区细颗粒泥沙的絮凝和其影响因子及环境效应的研究引起了 广泛关注。尽管已有的大量研究揭示丁盐度在絮凝。 】的重要作用，但国内外些研究者认为； 实际河口环境中有机物的影响可能比盐度影响大得多。由于河口泥沙絮凝受到多种因素的影 响，内在机理j 分复杂。鉴于在理论上和实验技术上的某些局限，直到目前人们对此问题认 识还不够清楚，河口界面化学的发展以及先进的现场观测仪器的应用为解决这问题提供了 契机。 在国际l o i c z 计划中己将长江河r 丁列为专门的调查区域( l o i c z n o 7 2 ) ，以研究其在全 球陆海相互作用所扮演的角色。长江河l j 细颗粒混涉t 有机性颗粒占总颗粒的6 0 7 5 ， 细颗粒物质主要为粘土矿物，粗颗粒物质( 8ui l l ) 主要为有有机附着或具有有机裹层的粘 士矿物集合体。同时由于河口的特殊地理位_ 置，盐度的变化【f 1 口内径流至口外近海逐渐增加， 各种刚离子浓度也 h 现相唰的变化趋势。河口区丰富的有机质和离子浓度变化对泥沙絮凝都 会产生较大影响。凶此有必要将它们结合起来综合研究河口泥沙絮凝机理。 本论文依托国家自然科学基金( n o 5 0 5 7 9 0 2 1 ) 资助项目和9 7 3 国家重点基础研宄发展 规划项目( 2 0 0 2 c b 4 1 2 4 0 5 ) ，利兀 国家重点实验室先进的现场观测仪器及室内测试分析方法， 分别于2 0 0 6 年2 月( 枯季) 和8 月( 洪季) 进行了二次现场观测，主要观测项目有水体含 沙量、流速、流向、水温、盐度、p h 值、絮凝颗粒粒径、浮泥层容重、浮泥屠厚度等。同 i f , 定时分层次取水 莩，现场过滤分离，冷冻保存，用来测定水相和悬沙中金属离子和有机磺 等化学元素以及悬沙颗粒粒径等，定时采取河床浮泥和沉积物样，用于化学元素和粒径分析。 二次现场观测目的睁较强，使用的仪器较先进，取得了一批质最较好的原始数据和样品，为 本论文深入地研究絮凝机理奠定了基础。同时对各种金属阳离子以及有机质等絮凝影响因子 l 华东师范大学2 0 0 7 届博士学位论文摘要 作了详细的室内絮凝实验分析研究，依据絮团粒径、电位和絮凝率等参数变化以及电镜分析 其微观机构研究了各絮凝影响因子对细颗粒泥沙不同的絮凝机理。通过现场观测和室内分析 相结合的方法。揭示了长江口c p 删( c 代表粘土，p 代表阳离子，0 m 代表有机化合物) 复 合絮凝形成过程及变化机理，并对颗粒态金属污染物在细颗粒泥沙作用下的分布规律作了详 细探讨。 ( 1 ) 长江河口实测期间絮凝颗粒粒径均值为6 3 2um ，是分散单颗粒粒径的1 0 倍多， 实测最小絮凝颗粒粒径为2 7 4 ur r l ，最大为1 0 7 m ；在盐水入侵上界线区域徐六泾实测 絮凝颗粒粒径相对较小，均值为4 2 5 6 0 4i j , m ，而南槽、北槽最大浑浊带区域絮凝颗粒粒 径最大，均值为5 7 3 7 9 2pm ，这种差值是与区域问不同盐度值对细颗粒泥沙絮凝的贡献 率有关；洪季实测絮凝颗粒粒径比枯季大，洪季均值为6 0 4 7 9 2 1 1m ，枯季均值为 4 2 5 - 6 6 6hi t i ，这与洪枯季泥沙来源和颗粒粒径的差异有关。同时周期性变化的水流流速 对细颗粒泥沙絮凝的影响作用显得更直接明朗，而且最大絮凝颗粒粒径均出现在0 4 - 0 7 m s 的中等流速时段。 ( 2 ) 总阳离子含量由l 内至口门递增，南港附近垂向分布不太明显，而南槽、北槽存 在明显的垂向分布，底层浓度远远高于表层。长江口阳离子浓度受长江径流和潮流的共同影 响，在南槽和北槽的最大浑浊带附近，洪季总阳离子浓度变化范围在4 0 o l l 一1 1 0 m m o i 几， 枯季总阳离子浓度变化范围在1 5 0 m 0 1 几一2 6 0 m 1 几。在盐淡水体混合过程中各主要阳离 子浓度随着盐度增加而线性增加。且正相关性较好，属于典型的保守组分。阳离子絮凝能力 ( f a ) 由口内至口门递增，南支和南港附近垂向分布不太明显，而南槽、北槽存在明显的垂 向分布，底层f a 远远高于表层。在南港洪季和枯季阳离子絮凝能力相差不大，洪季稍小； 而南槽、北槽附近，由于枯季径流较小，盐水对该水域影响较大，阳离子絮凝能力较洪季强。 ( 3 ) d o c 含量由口内至口门有递减趋势，垂向分布不太明显。在浮泥容易生成的最大 浑浊带河槽段，枯季d o c 含量较高，而且随着涨落潮变化较大，落潮含量稍高于涨潮。洪季 d o c 含量较低，随涨落潮变化并不明显；p o c 含量由口内至口门有递增趋势，垂向分布十分 明显，表层、中层、底层依次增高。枯季p o c 含量较低，而且随着涨落潮变化较小，而洪季 p o c 含量较高，随涨落潮变化非常明显。总体而言，落潮p o c 含量要大于涨潮，落急时刻的 含量最高。南稽p o c 含量高于北槽。p o c 垂向分布明显，随着深度的增加而下降，底泥中含 量最低。p o c 落潮时较大，北槽比南槽含量稍高，洪季大于枯季。无论南槽、北槽底泥中 p o c 在桔季的含量都要小于洪季。无论洪季、枯季，d o c 、p o c 、p o c 与盐度( s ) 变化具有 一定的相关性。其中d o c s 的相关性较差，而p o c 浓度与盐度成正相关，p o c 与盐度负相 2 华东师范大学2 0 0 7 届博士学位论文摘要 关。d o e 、p 0 c 、p o c 9 6 与悬浮物质含量( t s s ) 具有一定的相关性。其中d o c - - t s s 关系不明显， 而p o e 浓度与悬浮物质浓度成正相关，p 0 c 与其负相关。枯季相关性更好，p o c t s s 的酽 可以达到0 9 7 ，而洪季可以分为两部分，当悬浮物质含量小于l g 几时，相关性较好，酽可 以达到0 8 9 ，当超过l g l 时，相关性较差，而且斜率变小。 ( 4 ) 室内絮凝实验表明。随着金属离子浓度增大细颗粒泥沙絮凝率逐渐增大，絮凝体 粒径增大，电位绝对值变小。本试验州范围内，铝离子对细颗粒泥沙絮凝影响最为显著， 这主要与a l ( o h ) 。的卷扫絮凝作用有关。随着腐殖酸浓度增大细颗粒泥沙絮凝率降低，絮凝 体粒径增大。电位绝对值增大。这主要是有机裹层的存在使絮凝体的电负性增大，增加了絮 凝体的稳定性。作为影响絮凝的主要因子，腐殖酸和盐度的共同作用使细颗粒泥沙可以形成 较大絮凝体。腐殖酸等有机质的存在使得泥沙颗粒较易粘连在一起，形成较大粒径的疏松絮 凝体：盐度的作用机制是在提供电解质，压缩双电层形成密实絮凝体的同时，高浓度的阳离 子可以连接多个荷负电的絮团。形成更大絮凝体。可见各絮凝荆单独存在时的絮凝机理与多 组分荚同作用机理有明显不同，c - p 傩复合絮凝模式可以较好的解释长江口高浊度区细颗 粒泥沙絮凝体的形成机制。 ( 5 ) 悬沙中各种金属的百分含量在长江口的沿程分布虽有差异，但总体上由河口内向 口门出现降低趋势。南槽、北槽最大浑浊带出现较高值。并且在一个潮周期内都出现了急流 时颗粒态金属含量小于憩流时金属含量；沉积物中的金属含量沿程分布趋势比较复杂，总体 上也出现了降低趋势，但在南槽、北槽出现高值区。颗粒态金属含量垂向分布十分明显，由 水体表层的悬沙至底层直至底泥颗粒态金属含量逐渐减少。长江口悬沙中金属含量与有机质 百分含量正相关，与盐度呈负相关；多数金属含量与悬沙浓度呈负相关，与细颗粒泥沙( 8i i m ) 主要为有有机附着或具有有机裹层 的粘土矿物集合体。同时由于河口的特殊地理位置，盐度的变化由口内径流至口外近海逐渐 增加，各种阳离子浓度也出现相同的变化趋势。河口区丰富的有机质和离子浓度变化对泥沙 絮凝都会产生较大影响。因此有必要将它们结合起来综合研究河口泥沙絮凝机理。 重金属污染物在河口水体环境中的迁移转化构成了河口生物地球化学的基础和前沿领 域，是海洋化学、物理海洋学和动力沉积学在河口学研究中的交叉点，对于河口环境效应的 研究具有重要的意义。河口环境中重金属污染物的迁移机理十分复杂，归纳起来可分为三个 3 华东师范大学2 7 届博士学位论文第一章绪论 方面：1 ) 水动力迁移，它依靠潮汐和水体的运动主要有混合作用和输运作用；2 ) 物理化学 迁移，起因于水体环境中各种物理化学变化，主要包括吸附和解吸作用、絮凝和解絮作用、 沉淀和共沉淀作用、泥沙再悬浮及离子交换作用等，其中絮凝和解絮作用在河口生物地球化 学过程中对许多重金属元素和有机物的化学行为、迁移和归宿有着显著影响。3 ) 生物迁移， 它由水生生物活动引起，包括同化作用和甲基化作用等等，但如在长江等多沙河口中，生物 学过程常常受到限制，因此水动力因素和物理化学因素对于河口环境中的重金属污染物迁移 就尤为重要。随着对重金属吸附解吸机理( 陈松，1 9 8 4 ：w e n , e ta 1 ，1 9 9 8 ) 、潮滩中重金 属污染物的分布( 许世远，1 9 9 7 ：z h a n g ，1 9 9 9 ) 等研究的深入，河口悬浮物和表层沉积物 中重金属污染物分布及其成因也成了研究的热点( 陈松，1 9 8 4 ；苏惠娟，1 9 8 8 ；c r o u d a c e ， 1 9 9 5 ：r a v i c h a n & a n ，1 9 9 5 ；戴维明，1 9 9 4 ：r e f e r 。1 9 9 3 ；g i u s t i ，2 0 0 1 ：l i ，2 0 0 1 ) 细颗粒泥沙作为重金属元素的主要载体，通过吸附和解吸。调节水体中重金属元素的 固液相分配比。在一定时段内，当重金属污染物来量恒定时，细颗粒泥沙的絮凝作用、再悬 浮作用是污染物浓度变化的主要原因，它对重金属元素的相间迁移、屏障迁移、载体迁移和 动力迁移都具有重要的意义( 蒋志勇等，2 0 0 3 ) 。长江丰水多沙，虽然近年来由于长江上游三 峡工程等的影响，年输沙量有所减少，但总体而言，每年由上游携带来的大量泥沙对河口区 重金属污染物的迁移转化起了重要的作用( 蒋志勇等，2 0 0 3 ；时钟等，2 0 0 0 ) 。长江是东中 国海重要的物质输入源，长江口水域的颗粒态重金属污染物的复杂的行为在很大程度上影响 着陆海相互作用在这一地区的物质交换( 张经，1 9 9 6 ) 。因此系统而深入的研究长江口颗粒 态重金属污染物在高浊度河口的行为对于此地区的环境效应分析是十分有意义的。 1 2 1 絮凝机理 1 2 1 1 絮凝定义 a g g r e g a t i o no ff i n ep a r t l c l e sc a nb ea c h i e v e db yn e u t r a l i z i n gt h ee l e c t r i c a lc h a r g eo ft h e i n t e r a c t i n gp a r t i c l e s ，w h i c hi sc o a g u l a t i o n ，o rb yb r i d g i n gt h ep a r t i c l e sw i t hp o l y m o l e c u l e s ，c a l l e d f i n c a d a t i o n ( l e s k o w s k i ，1 9 9 2 ) l a s k o w s k i ( 1 9 9 2 ) 对细颗粒物质的聚合作了精辟的概述：凝聚( c o a g u l a t i o n ) 是相互作用 的颗粒通过中和电荷而形成聚合体，絮凝( f l o c e u l a t i o n ) 是颗粒物质与有机质。特别是与有 机聚合物之间的桥联作用而形成聚合体。陈邦林也曾对此定义加以区分( 陈邦林等，1 9 9 5 ) ， 我国大多数河口海岸研究者习惯使用“絮凝”一词解释长江口细颗粒泥沙在盐度和有机质等 4 华东师范大学2 0 0 7 届博士学位论文 第一章绪论 作用下的行为。 1 2 1 2 絮凝机理 目前河口区泥沙颗粒的絮凝机理研究一般分为三种：盐絮凝、桥连絮凝和网捕作用在 含盐量为絮凝的主要影响因素时，颗粒絮凝机理主要以双电层压缩的静电效应为主。而颗粒 吸附了大量的有机质后，絮凝机理主要以桥连和网捕作用为主。有关盐絮凝。国内外众多学 者已经做了深入调查研究，尽管大量实验室研究揭示了含盐量对絮凝的影响，但d y e r ( 1 9 8 8 ) 、e i s m a ( 1 9 9 1 ) 、b e r n e 0 9 9 7 ) 等国外一些研究者认为：实际河口环境中有机物的影 响可能比盐度影响大得多。 ( 1 ) 盐絮凝机理 界面化学因素对河口细颗粒泥沙的稳定性和絮凝沉降规律影响较大。金同轨等( 2 0 0 3 ) 对黄河泥沙的絮凝形态学以及絮体构造模型进行了探讨，认为比表面积在泥沙颗粒与有机质 的吸附中起了决定性作用。如图l 1 所示，泥沙颗粒具有特有双电层特性。 图1 1 泥沙颗粒的双电层结构 f i g a 1e l e c t r i cd o u b l el a y e rf f f f u d ：t n eo f s e d i m e n t 盐絮凝是指入海河口水体中悬浮泥沙