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巢湖十五里河沉积物污染特征及释放实验研究 摘要 本文以巢湖十五里河为对象，对十五里河沉积物重金属及氮磷营养物含量与 污染特征开展定量化分析和评价，并对河道水体沉积物氮磷释放特征开展实验研 究。论文主要内容及结果概述如下： ( 1 ) 对十五里河沉积物重金属c u 、z n 、p b 、c d 和c r 含量及变化特征的分析 表明，在表层0 - 1 0 c m 内各重金属含量相对最大，在0 - - 6 0 c m 沉积层内，随着深 度的增加含量不断下降，且在3 0 - - 6 0 c m 之间重金属含量下降速度明显高于0 3 0 c m ，其含量接近背景值。根据重金属富集计算，得到污染程度排序为：c d c u z n , p b c r 。由主成分分析和相关分析，结合汇流区域污染源情况，初步判 定十五里河沉积物中营养元素及重金属污染主要来自化肥生产企业排污，以及农 田水土流失和生活污水排放等。在5 种重金属中，p b ，c d 和c r 在中游地区的地 累积指数达到中度污染水平，上、下游则为轻微污染等级；z n 、c u 污染程度很 小，为一般污染水平。总体上，十五里河生物毒性风险很小，表明河流沉积物重 金属污染不严重，生物毒性较低。沉积物中5 种重金属的毒性大小依次为：c u p b c r c d = z n ，平均单一潜在风险指数大小排序为：c d p b c u c r z n 。总 体上，中游河道沉积物潜在生态风险水平高于上、下游河道。 ( 2 ) 对巢湖十五里河沉积物营养元素含量及变化特征的分析表明，十五里河 沉积物营养元素含量丰富。t n 、t p 和t o c 等具有较为明显的同步变化趋势，均 呈现随沉积深度增大而含量不断下降的特点。碳氮比w ( c ) w ( n ) 表明，十五里河 沉积物中有机质主要以外源输入为主；t n 、t p 和t o c 具有显著正相关性，表明 三者具有明显的同源性。 ( 3 ) 参照土壤重金属质量标准，采用主成分分析和模糊综合评价技术，对沉 积物重金属污染水平进行评价。结果表明，十五里河沉积物重金属满足i 级质量 标准，对农作物生长不会产生不良影响。针对十五里河沉积物清淤问题，本文对 疏浚区域、疏浚深度及工程量进行了简要分析、计算，并对疏浚后底泥的处置问 题进行了探讨。 ( 4 ) 通过对十五里河沉积物柱状样室内静置释放实验，初步揭示了温度、溶 氧、p h 值等环境因素对水体沉积物污染释放的影响规律，对沉积物释放率与各 因素之间的关系进行了定量化分析。 关键词：污染特征；沉积物释放；重金属；营养物；十五里河；巢湖 c o n t a m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l e a s em e c h a n i s mo f s e d i m e n t si ns h i w u l ir i v e ri n t oc h a o h ul a k e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s h i w u l ir i v e r , f l o w i n gi n t oc h a o h ul a k e ，w a st a k e nt o ob ea l l o b j e c tt oi n v e s t i g a t et h ec o n t a m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o n a n dn u t r i e n tc o n t e n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，a n dt h er e l e a s em e c h a n i s mo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h eb o t t o ms e d i m e n t s 。乃em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sw e r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n sa n ds p a t i a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc u , z n ，p b ， c da n dc rw e r eo b t a i n e da n da n a l y z e d s t u d yr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so f c u ，z n ，p b ，c da n dc rp a r k e da tt h ed e p t hi n t e r v a lo fo 10 c mi nt h es e d i m e n t s ，a n da t t h ed e p t hi n t e r v a lo f0 6 0 c m ，i ng e n e r a l ，m e t a lc o n c e n t r a t i o n sd e c l i n e d 、) i ，i mt h e i n c r e a s eo fb u r i e dd e p t h m e a n w h i l e ，t h em e t a lc o n c e n t r a t i o n so fc u ，z n ，p b ，c da n d c ra tt h ed e p t hi n t e r v a lo f3 0 6 0 c md e c l i n e dm o r er a p i d l yt h a nt h a ta tt h ed e p t h i n t e r v a lo f0 3 0 c m t h er e s u l t so fe n r i c h m e n tf a c t o r ( e f ) i n d i c a t e dt h eo r d e ro f p o l l u t i o n l e v e lc d c u z n p b c r c o m b i n e dw i t hc o n v e r g e n c eo fr e g i o n a l p o l l u t i o ns o u r c e s ，p r e l i m i n a r yd e t e r m i n a t i o nw a sm a d et h a tt h en u t r i e n ta n dh e a v y m e t a lp o l l u t i o ni ns h i w u l ir i v e rs e d i m e n t sm a i n l yd e r i v e df r o mf e r t i l i z e rp r o d u c t i o n e n t e r p r i s e s ，a g r i c u l t u r a ls o i le r o s i o na n ds e w a g ee m i s s i o n sb ym e a n so fp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s a n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s g e n e r a l l y , s e d i m e n th e a v ym e t a l p o l l u t i o nw a sn o ts e r i o u sa n db i o t o x i c i t yw a sl o w , a n dt h ef i v em e t a l st o x i c u n i t sw e r e i nt h eo r d e ro fc u p b c r c d z n t h ep o t e n t i a lr i s ki n d e x e so ft h ef i v em e t a l s w e r ei nt h eo r d e ro fc d p b c u c r z n n ec o m p r e h e n s i v er i s ki n d e xi n m i d s t r e a mw a sh i g h e rt h a nt h a ti nu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m ( 2 ) 1 h es p a t i a lv a r i a t i o no fn u t r i e n tc o n t e n t ss h o w e dt h er i c h m e n to fn u t r i e n t si n t h eb e ds e d i m e n t so fs h i w u l ir i v e r t n ，t pa n dt o cp r e s e n t e dt h es a m et r e n d s ，a n d d e c l i n e da l o n gw i mt h ei n c r e a s eo fb u r i e dd e p t h t h er a t i oo fc a r b o nt on i t r o g e nw ( c ) w ( n ) s h o w e dt h a tt h es e d i m e n t sp o l l u t i o no fs h i w u l ir i v e rm a i m yo r i g i n a t e df r o m o u t e rs o u r c e s t h es i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt n ，t pa n dt o ci n d i c a t e d t h eh o m o l o g yo ft h et h r e eo b v i o u s ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h es o i lq u a l i t ys t a n d a r d so fh e a v ym e t a l s ，e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y o fs e d i m e n t sw a se v a l u a t e db yu s i n gp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s a n df u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nt e c h n i q u e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e d i m e n t so f s h i w u l ir i v e rm e e tc l a s sio fs o i lq u a l i t ys t a n d a r d so nt h eh e a v ym e t a l s ，a n dw i l ln o t a d v e r s e l ya f f e c tc r o pg r o w t h f u r t h e r m o r e ，t h ed i s p o s a lo fd r e d g e ds e d i m e n t s i n c l u d i n gd r e d g e da r e a ，d r e d g i n gd e p t ha n da m m o u n t ，w a sd i s c u s s e dq u a n t i t a t i v e l yf o r s h i w u l ir i v e r ( 4 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nn i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sr e l e a s eo f s e d i m e n t si ns h i w u l ir i v e r , t h ei m p a c t so ft e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e n ，p h ，a n d o t h e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h er e l e a s eo f s e d i m e n tw e r er e v e a l e di nt h ee n d k e y w o r d s ：p o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；s e d i m e n tr e l e a s e ；h e a v ym e t a l ；n u t r i m e n t ； s h i w u l ir i v e r ；c h a o h ul a k e 表格清单 表2 1 沉积物总氮、总磷和有机质的含量1 1 表2 2 重金属测定结果1 4 表3 1 沉积物表层重金属富集系数e f 1 9 表3 2 人为贡献率朋2 0 表3 3 相关系数矩阵2 2 表3 4 主成分分析的主要计算结果2 3 表3 5 地累积指数划分2 4 表3 6 沉积物中重金属地累积指数分级情况2 4 表3 7e r l ，e r m ，t e l ，p e l 重金属基准值2 5 表3 8 潜在生态风险评价指标与分级关系2 7 表3 9 生态风险指数计算结果2 7 表3 1 0 土壤环境质量标准2 8 表3 1 1 底泥环境模糊综合评价3l 表4 1 沉积物w ( c ) w ( n ) 的含量3 7 表4 1 2 沉积物营养元素的相关系数3 9 表4 - 3 十五里河底泥的评价分级标准4 0 表4 4 十五里河底泥中有机碳、有机氮和有机指数4 0 表4 5 底泥疏浚工程量4 4 表5 1 模拟实验控制方案的情况表4 7 表5 2 底泥氮磷释放的实验结果4 7 表5 3 在不同p h 条件下上覆水t n 的浓度。5 0 表5 4 在不同p h 条件下上覆水t p 的浓度5 1 插图清单 图1 1 技术路线图5 图2 1十五里河口沉积区域图6 图2 2 十五里河采样点布置示意图7 图3 1 沉积物重金属c u 的分布特征1 7 图3 2 沉积物重金属z n 的分布特征1 7 图3 3 沉积物重金属p b 的分布特征1 8 图3 4 沉积物重金属c d 的分布特征18 图3 5 沉积物重金属c r 的分布特征1 8 图3 6 沉积物表层重金属e f 分布特征2 0 图3 7 人为贡献率变化特征2 1 图3 8 十五里河沉积物重金属毒性变化趋势2 6 图4 1 沉积物w ( t n ) 分布特征3 4 图4 2 沉积物w ( t p ) 分布特征3 4 图4 3 沉积物w ( t o c ) 分布特征：3 6 图4 4 沉积物w ( c ) w f n ) 分布特征3 9 图5 1c o d 变化趋势图4 8 图5 2 溶解氧变化趋势图4 8 图5 3 总氮变化趋势图4 8 图5 4 总磷变化趋势图4 8 图5 5 不同p h 条件下t n 释放5 0 图5 6 不同p h 条件下t p 释放5 1 图5 7 不同p h 条件下氮的拟合曲线图5 2 图5 8 不同p h 条件下磷的拟合曲线图5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 佥8 巴王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名缓责盲 签字眺沙h 丁、中 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：漱毛奇 签字日期：y 9 j 、争 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 窘珈品 签字日期： ，。r 髟 电话： 邮箱： 致谢 本论文是在导师李如忠教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、构思、撰 写直到最后完成，导师都倾注了大量的心血和智慧，导师渊博的学识、活跃的思 维及平易近人的工作作风给我留下了深刻的印象。导师敬业精神、严谨的治学态 度以及勇于创新的开拓精神始终是我学习的榜样。在此，谨向导师表示最真诚的 谢意! 在合肥工业大学研究生阶段学习已近3 年，在这3 年的时间里得到了很多 老师、同学的关心和帮助。从他们那里不仅学习到了丰富的专业知识，还获得了 宝贵的人生感悟，丰富了自己的人生阅历。 感谢在实验阶段期间，为我提供实验条件和便利的陈天虎教授、洪天求教授 和钱家忠教授! 感谢寥荣明同学对我的实验指导! 感谢石勇师兄和舒锟同学在实 验过程中给予的支持和帮助! 感谢在研究生学习期间，关心和精心培养我的各位老师和资环学院的各位领 导，愿他们身体健康，工作顺利! 感谢各位师弟师妹，和他们在一起朝夕相处，给我留下了美好的回忆! 感谢我的父母和家人，正是他们默默无闻的奉献与鼓励，才使我有信心和毅 力顺利完成学业! 最后，向所有关心、帮助和支持我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢! 谢谢你们! 诉考：涪每每 2 0 1 0 年4 98 曰 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 巢湖是我国五大淡水湖之一，湖区位于e 1 1 6 。2 4 3 0 ”1 1 7 。5 1 4 6 ”、n 3 0 。5 8 0 0 “ n 3 2 9 0 6 2 8 ”之间，流域总面积1 3 4 8 6k m 2 ，其中巢湖闸以上9 1 5 3k m 2 ，闸以下4 3 3 3 k m 2 ，跨越合肥市、巢湖、六安等行政区域，地处我国中部经济带，流域内有杭 埠河、派河、南肥河及兆河等3 3 条河流纵横交错，呈放射状汇入巢湖【l 】。其中流 经合肥境内的十五里河污染较为严重，入湖常年水质为劣v 类。随着汇水区域经 济社会的快速发展，巢湖流域生态环境日益恶化，并逐步成为制约汇水区域经济 社会、生态环境健康发展的重要因素。 点源污水排放、非点源大气沉降、地表径流注入和水生生物的死亡堆积，会 使河流沉积物中污染物质逐步富集起来，形成河流的内源负荷 2 1 。近年来，国内 一些城市河道己基本上控制了外源污染，但是河流水体污染或富营养化依然相当 严重。究其原因，内源污染释放是不可忽略的因素。从巢湖十五里河的内源污染 构成看，沉积物的营养盐释放应该属于主导因素，无外吸收源时，扰动和浓度梯 度使底泥中氮、磷迅速释放到水中：当底泥水界面氮、磷浓度达到平衡后，释放 量减少，并趋于较小的稳定值；当有藻类外吸收源存在时，底泥水界面氮、磷浓 度达到平衡时间提前，且释放量比无外吸收源时大，在底泥。水界面氮、磷浓度达 到平衡后，仍以较恒定的速度持续向水体释放。因此，在对十五里河进行水环境 修复过程中，很有必要对河道沉积物内源污染物释放规律和释放量，开展专门研 究。众所周知，重金属是潜在危害的污染物，它在生物体内富集，成为持久性污 染物，造成严重的环境问题，如重金属中毒可导致癌症、地方病、使农作物减产 甚至颗粒无收等等。经各种方式进入水体中的重金属污染物不易溶解，绝大部分 迅速由水相转入固相，即迅速地结合到悬浮物和沉积物中，结合到悬浮物中的重 金属在随水搬运过程中，当超负荷搬运能力时，便沉积下来进入沉积物中。但在 条件适当时，沉积下来的重金属又可能重新释放进入水体。显然，河流沉积物既 是污染物的“汇 ，也是污染物的“源 。因此，开展河道沉积物污染特征研究具 有重要意义! 本文以巢湖十五里河为对象，分析沉积物重金属和营养物质含量，旨在了解 重金属和营养物质的空间分布特征、污染状况、相互关系及其可能来源，为十五 里河水环境修复及相关污染控制决策提供科学依据。 1 2 文献综述 1 2 1 河流沉积物重金属污染研究进展 河流沉积物是水体的重要组成部分。一方面，沉积物通过对重金属的积累和 释放，影响水体环境质量；另一方面，沉积物又是底栖生物的主要生活场所和食 物来源，沉积物中的重金属直接或间接地对水体及底栖生物致毒致害，并能通过 生物富集、生物链放大等途径进一步影响到其它生物以及人类【3 】，因而在重金属 污染研究中具有特殊的重要性t 4 。对沉积物中重金属的含量，水平、垂直分布和 赋存状态的研究，既是查明现代水环境重金属污染的关键，又是追溯和繁演该区 域重金属污染历史的主要依据【5 】。近些年来，国内外广大学者对河流沉积物重金 属污染开展了研究，重点从河流沉积物重金属空间分布特征、沉积物中重金属含 量的影响因素、沉积物重金属赋存形态、沉积物中重金属污染生态风险等4 个方 面，阐述了河流沉积物重金属研究进展。 国外学者早期对莱茵河、刚果河、多瑙河等河流水体的重金属污染进行了研 究，到目前基本包括了所有重要的河流1 6 ；v l a di m i r 7 】等研究了p a s v i k r i v e r 排 水渠沉积物中重金属的背景浓度，重金属在沉积物中的垂直分布，重金属在表层 沉积物中的空间分布，根据研究结果对p a s v i k r i v e r 沉积物重金属污染做出了生态 风险评价；s e g u r a 等【8 】对m a p o c h o r i v e r 沉积物重金属c u ，p b ，z n ，c d 总量 及各金属形态随季节的变化特征进行研究后发现，该河流表层沉积物中的p b 含 量呈自上游至下游逐渐增加的趋势，c u 则呈从上游至下游含量逐渐降低的规律， 而沿程沉积物中z n 的含量分布呈现不规则变化。f a r k a s 等【9 】对p o r i v e r 表层沉 积物主要重金属c d ，c u ，n i ，p b ，z n 的总量及存在形态进行了分析。k a r u p p i a h 等研究了c h e s a p e a k eb a y 的两条支流：w i c o m i e o 河和p o c o m o k e 河沉积物中重金 属含量及其毒性年际变化。结果表明：与背景值比较，近2 0 多年来重金属含量 及毒性都在增长【1 4 1 。国内学者“六五 期间曾对松花江进行了大规模的环境背景 值调查研究，同期也对珠江、长江流域的洞庭湖水系环境背景值进行了调查1 1 叫； “七五期间对长江流域进行了较全面的环境背景值调查与研究【1 1 | 。自1 9 8 3 一- 2 0 0 2 年，珠江口水体表层沉积物中重金属元素c u ，p b ，z n ，c d 的含量都有不同 程度的升高，这种现象是近期污染的结果【1 2 1 。长江( 南京段) 现代沉积物中重金属 含量略高于其背景含量，沉积物中重金属含量随时间由老到新，逐渐增高，在同 一沉积平面上，沉积物中重金属含量相近【l3 1 。陈静生【j5 j 则对我国东部2 0 条河悬 浮物与沉积物的地球化学特性及重金属污染物在沉积物中的化学行为和地理分 布规律性进行了研究，研究成果收录在中国水环境重金属研究中。 对沉积物中重金属污染评价，国内外开展了大量的研究工作。目前，对沉积 物重金属污染评价问题，较多采用评价方法是化学方法，具有代表性的主要有地 累积指数法【1 6 】、沉积物富集系数法【1 7 - 1 9 1 、潜在生态危害指数法1 2 们、生物效应数据 库法【2 1 1 、次生相与原生相分布比值法【2 2 1 、次生相富集系数法【2 3 】、多变量脸谱图法 2 4 - 2 5 】等。上述各种评价方法各有其自身的特点、适用条件和应用价值，但也都存 在某些局限性。滕彦国【2 6 2 。7 j 等应用地质累积指数评价了攀枝花地区土壤重金属污 染，而且还讨论了应用地累积指数时选择地球化学背景值的重要性，认为应选择 2 与该沉积物有直接联系的地球化学背景，得到的污染状况分析才更真实。陈静生 j 等应用了潜在生态危害指数法评价了太子河、柴河等沉积物的重金属污染，取 得了良好的效果。范宏文【2 9 】等运用2 套由生物效应数据库法导出的沉积物质量基 准( e r l e r m 和t e l p e l ) 评价了锦州湾沉积物中重金属的生物毒性风险，同时 与地累积指数对重金属污染的评价结果进行了比较。刘素美【3 0 】等用沉积物富集系 数法( s e f ) 法对大连湾沉积物中重金属的污染程度进行了评价，并且经进一步研究 认为在某些情况下，e f a l 值并不一定能准确地描述人类活动对沉积物中重金属 的影响，仅能部分地校正粒度分布引起的重金属含量的变化，但不能消除矿物组 成的影响。 1 2 2 水体沉积物营养元素研究进展 水体沉积物是水体生态系统的重要组成部分，是水体的各种营养物、污染物 的汇和源。其对上覆水中营养元素的“汇、源”效应，对水体富营养化有着重要的影 响。目前国内对营养盐的研究主要是针对营养盐的存在形式、形态转化、时空分 布规律及其累积、分布特征及对浮游植物的影响。石晓勇【3 l 】等利用1 9 9 7 年秋季 和1 9 9 8 年春季对长江口邻近海域两个航次的调查结果，对该流域营养盐分布、 结构特征以及主要控制过程进行探讨。王保栋【3 2 】根据1 9 9 7 。1 9 9 9 年黄海和东海4 个季节的现场调查资料，分析探讨了黄海、东海的营养盐分布特征及其对浮游植 物生长的限制状况。结果表明，在长江口以东及其东北部海域终年存在一个范围 很大的营养盐高值区( d i n 3 比m 0 1 l ，p 0 3 - p 0 2 # m 0 1 l 。1 ) ，并且认识到这些 营养盐主要来自长江淡水的扩展及苏北沿岸流的输送。郝彦剩3 3 j 等利用莱州湾4 个航次调查的资料，分析了1 9 8 9 年6 月、8 月和2 0 0 1 年6 月、9 月莱州湾海水 中营养盐浓度、c h l a 含量和浮游植物多样性的变化。研究发现，在1 2 年期间莱 州湾海水中总无机氮和活性磷酸盐含量在升高，而浮游植物的多样性在下降；海 水中的活性磷酸盐含量是c h l a 和浮游植物多样性的主要影响因子。近年来，国 内也初步开展了沉积物水界面营养盐生物地球化学方面的研究工作。蒋风华i j 4 j 等应用实验室培养法测定了溶解无机氮d i n 和s i 0 3 - s i 在胶州湾1 6 个站位沉积 物海水界面上的交换速率。 1 2 3 水体沉积物污染释放研究进展 沉积物与上覆水水体之间的物质交换过程十分复杂，常包括物质的生物循 环、颗粒的沉降与再悬浮、溶解态物质的吸附和解吸、沉淀与溶解等等。这些物 理、化学、生物过程交织在一起，增加了研究的难度。 随着湖泊富营养化问题的日益突出，河流外源污染的控制不断得到加强，但 是内源污染的释放依旧阻碍着水质恢复的进程，因此从机理上研究内源释放的影 响因素和影响规律，就更加具有实际意义。1 9 6 9 年v o l l e n w e i d e r 3 5 】提出的总磷模 型假设湖泊完全混合，考虑了湖泊总磷的沉积速度，被称为“简单的沉积模型 然而其未考虑底质与上覆水体界面磷交换的过程便成为这一模型的最大缺陷， t o h o 3 6 j 等从水土界面物质交换规律出发，采用孔隙水扩散模型法，从间隙水中污 染物质扩散通量角度计算界面通量，该法需要有形态离子的扩散参数，还要掌握 沉积物和界面上物质在固液中的量及垂直分布，其应用受到很多局限。于是 l a r s e n ”】等人和w e l c h 37 】等对v o l l e n w e i d e r 公式都进行了修改，使其模型包括了 一个恒定的底泥释放速率。该模型可以预测湖泊恢复健康的初始时间，但用于长 期模拟时，它明显具有一定的局限性，原因是随着时间的改变，底质释放磷的速 率会随着环境条件的变化而有所变化。7 0 。8 0 年代国际上掀起了研究沉积物污染 释放规律的热潮，我国自8 0 年代后期以来也陆续有了一些研究。采用最多的是 表层底泥异位实验模拟法 3 8 j ，即采用抓斗或其它装置取表层底泥，放入实验容器 中进行实验，根据模拟条件可以分为静态模拟和动态模拟，静态模拟考虑扰动较 小的情况，忽略了水力条件；水动力条件的模拟考虑了水体的流速和流态，在研 究受风力影响较大的浅水湖泊时必须考虑水动力条件，才能使模拟情况与实际情 况更相似，水力条件模拟的方式有顺直长实验槽、振荡器搅拌器、环形水槽【3 9 】 等很多种，但是此法由于采样和实验过程中都难以保证不破坏。 污染底泥的释放控制技术按照控制方法原理的不同，大致可分为：物理控制 技术和生物控制技术【4 0 l 。物理控制技术是借助工程技术措施来消除底泥污染的方 法：主要包括疏浚、覆盖技术；生物控制技术是利用生物体，主要是微生物来降解 底泥环境中的污染物，进而消除或降低其毒性的方法。它是传统的生物处理方法 的延伸，其新颖之处在于它治理的对象是较大面积的污染。既可在原位进行生物 修复，也可以对疏浚污泥进行生物处理，因而生物控制技术又可分为两类：即原 位生物控制及易位生物控制技术。 1 3 研究内容及技术路线 本课题来源于安徽省科技攻关计划重点项目：“巢湖入湖河口湿地生态修复 机理及关键技术研究与示范( 2 0 0 7 2 0 0 9 年，编号：0 7 0 1 0 3 0 2 1 6 5 ) ”。 本文拟以巢湖西北部入湖河流十五里河为研究对象，通过对水体沉积物 中各种污染物含量的分析和测试，对沉积物重金属及氮磷营养物污染特征、沉积 物环境质量以及重金属污染风险等进行分析和评价，提出河流底泥沉积物环保疏 浚方案，并对河道水体沉积物氮磷释放特征开展实验研究。论文主要研究内容包 括如下几方面： ( 1 ) 在采样、风干、研磨等的基础上，对沉积物样品中有机质、总磷、总氮 和重金属( p b 、c u 、z n 、c r 和c d ) 等的含量进行分析测试； ( 2 ) 对研究区域内沉积物中各污染物的空间分布情况进行分析，探讨污染因 子的垂直分布和空间分布特征； 4 ( 3 ) 采用多元统计方法，应用s p s s l 7 0 统计软件，对污染因子开展主成分分 析，并对各污染指标的相关性以及重金属来源进行初步研究； ( 4 ) 采用地累积指数法、沉积物质量基准法及潜在生态风险评价法等多种方 法，对沉积物重金属污染程度及潜在生态风险开展定量性评价： ( 5 ) 根据底泥营养元素含量与污染分布特征，计算十五里河的底泥环保疏浚 量，并参考土壤分类标准，提出清淤底泥妥善处置方案； ( 6 ) 根据底泥污染物静态条件下的释放特征，初步探索底泥在不同p h 值情况 下的释放机理。 本论文拟采用的技术路线，见图1 1 所示。 图1 1 技术路线图 5 2 1 研究区域概况 第二章样品采集与测试结果 十五里河发源于大蜀山东南麓，自西北流向末南穿过合肥市蜀山区和包河 区在义城镇的同心桥处汇入巢潮，流域面积1 1l2 5 k i n 2 全长约2 72 k m 。十五里 河是合肥市西南部的主要行洪通道之一，现已沦落为合肥市城市纳污河道。十五 里河上游位于合肥市政务新区，主要建有天鹅湖景观水体( 小型水库) 及箱涵等 设施。在天鹅湖的下方河道，由于大量工业废水、生活污水排放和农业水土流失， 再加上缺乏有效的水源补给，导致水体污染严重，河流生态环境很差，水体水质 常年处在v 类或劣v 类水平”。 十五里河流域地形起伏，西北高，东南低，西北都和中部岗冲相问，属于江 淮丘陵地带；东南部地势趋于平缓，属于畈区地貌。十五里河弯曲狭窄，自出1 2 1 同心桥向上86 k m 处分为左、右两支，右支为主干，流域面积为5 29 k m 2 ，河道 比将01 7 1 ，流域平均宽度29 3 k i n 。汇口以下流域面积3 35 l k m l ，河道平均比 降00 5 ，平均宽度66 1 a n 。 该区域气候属于亚热带和暖温带过渡性的副热带季风气候区，年平均温度为 1 5 1 6 0 c ，1 月份平均气温为2 3 0 c ，七月份平均温度为2 7 3 0 0 c ，年降水量约 为9 4 4 m m ，而每年6 9 月的降水量占全年降水量的6 0 左右，产生了很大的地 而释流。 2 2 样品采集及制备 2 2 1 采样点的设置 图2 1 十五里河道图( 局部) 本文针对天鹅湖下游至巢湖入湖河r n 段，根据沿河排污口分布及河道水力特 征，设置1 5 个采样点，见图1 。采样点2 、4 、7 、1 0 和1 3 号布置在主要排污r n 下方，其中2 号采样点在合肥四方化工集团( 原合肥化肥厂) 排污口下方t4 和 7 号采样点上方主要是工业排污口，1 3 号采样点上方主要是生活污水排放口。中 下游其它采样点，则多位于农业退水入河排放口的下侧。 n 图2 2 十五里河采样点布置不葸图 2 2 2 样品采集 2 0 0 9 年4 5 月，利用自制的柱状底泥采样器采集样品，根据沉积物采集深度 的不同，将每个柱状样划分为5 或6 层，每层厚度1 0 c m ，共得8 5 个层样样品。 所采集的沉积物样品现场装入可密封的聚乙烯塑料袋中，密封后立即带回实验 室，每个样品作为一个点的样品进行冷冻保存。由于对样品要进行重金属元素含 量分析，所以在采集过程中避免使用金属器具，主要的采样都是塑料小铲，样品 盛放在塑料自封袋中，独立包装以避免交叉污染。 2 2 3 样品的处理 ( 1 ) 风干 将待测样品放置在阴凉通风处初步凉干，去掉大部分水分。样干后，平铺于 硬质白纸板上，用木棒压散，剔除里面的砾石及植物残体等杂物。 ( 2 ) 研磨过筛 样品风干后过1 0 0 目尼龙筛后，装入样品袋封口放入干燥器中备测。所有的 分析测试工作均参照标准分析方法。 2 3 样品测试方法 2 3 1 沉积物总氮和总磷含量的测定 测定沉积物全磷的经典方法是n a 2 c 0 3 熔融法【4 2 】，考虑铂坩埚价格较贵，则 用n a o h 在银坩埚中熔融。为了加快分析速度，采用酸溶法【4 3 小1 进行测试。本次 测定方法选用过硫酸盐法【4 5 4 6 】，不但能消化沉积物中全部的氮，能够分解转化为 硝态氮，而且能够消化其中全部的磷，让其转变为( 正) 磷酸盐，分别采用紫外分 7 光光度法和钼锑抗比色法进行测定。 2 3 1 1 实验仪器与试剂 ( 1 ) 仪器 5 0 m l 锥形瓶、5 0 m l 具塞比色管、容量瓶、恒温干燥箱( 上海实验仪器总厂) 、 电子天平、高压蒸汽灭菌器、移液管、7 5 1 型分光光度计、7 2 1 型分光光度计等。 ( 2 ) 试剂 过硫酸钾( k 2 s 2 0 s ) 分析纯，北京化工厂；氢氧化钠( n a o h ) 分析纯，硫酸( h 2 s 0 4 ) 分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司；硝酸钾( k n 0 3 ) 分析纯，广东汕头西陇 化工厂；磷酸二氢钾( k h 2 p 0 4 ) 分析纯，钼酸铵 ( n h 4 ) 2 m 0 0 4 4 1 - 1 2 0 】分析纯，酒石 酸锑钾，抗坏血酸( c 6 h 8 0 6 ) 分析纯，天津福晨化学试剂厂。 2 3 1 2 实验步骤 ( 1 ) 配制试剂 消化剂溶液：准确称量2 0 9 过硫酸钾和3 9 氢氧化钠溶于水中并标定至 1 0 0 0 m l 。 氮标准贮备液：准确称量0 7 2 1 8 9 硝酸钾溶于水中并标定至1 0 0 0 m l 。此刻 硝态氮( n 0 3 - n ) 浓度为1 0 0 a g m l 。 磷标准贮备液：准确称取0 4 3 9 4 9 经4 5 烘干4 8 h 的磷酸二氢钾 ( k h 2 p 0 4 ) ，用蒸馏水溶解后加入l m l ( 1 + 1 ) 硫酸( h 2 8 0 4 ) 溶液并标定至1 0 0 0 m l 。此 时浓度为1 0 0 9 9 m l 的磷标准贮备液。 6 5 n 硫酸的钼锑贮存液：取1 8 0 6 m l 的浓硫酸，缓缓加入到4 0 0 m l 水中， 不断搅拌，冷却。另取钼酸铵 ( n h 4 ) 2 m 0 0 4 4 h 2 0 2 0 9 溶于约6 0 。c 的3 0 0 m l 水中， 不断搅拌，再加入1 0 0 m 1 0 5 酒石酸锑钾溶液，冷却后标定至1 0 0 0 m l 。摇匀，贮 于棕色试剂瓶中。 钼锑抗混合显色剂：于1 0 0 m l 钼锑贮存液中，加入1 5 9 左旋抗坏血酸 ( c 6 h 8 0 6 ) ，临用前配制。 ( 2 ) 测定 消化：称取1 0 5 0 m g 的沉积物样品于5 0 m l 的干燥比色管中，并加2 5 m l 消化剂溶液，加水标定至5 0 m l ，摇匀，然后用纱布扎紧盖子，放进高压蒸汽灭菌 器中，在1 2 0 。c 高压条件下消化大约3 0 分钟左右，冷却后取出。吸取消化液的上 清液分别进行n 0 3 - n 和p 0 4 3 - p 的测定。 氮、磷混合标准系列的配制：分别吸取1 0 0 t g m l 的氮、磷标准贮备液1 0 m l 溶于水中摇匀，然后标定至1 0 0 m l 。此时溶液浓度为1 0 , u g m l 的氮、磷混合标准 液。再分别将0 、1 、2 、3 、4 、5 、6 m l 的氮、磷混合标准液放入7 个5 0 m l 比色 管中，即每个比色管中所含氮、磷分别为o 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 u g ，组成 标准系列。然后按照步骤与样品同时消化。 n 0 3 n 的测定：取消化液上清液在2 0 0 n m 2 2 0 n m ( 由扫描选择最佳吸收波 长) 波长和2 7 6 n m 波长处，用l c m 石英比色皿进行测定，其吸收之差( a 2 0 0 - a 2 7 6 ) 从工作曲线中找出对应的微克数 g ) ，然后除以待测样品质量( g ) ，即得全氮含量 c u g g ) 。 p 0 4 3 - p 的测定：在2 5 m l 比色管中加入1 0 m l 消化液上清液和2 5 m l 钼锑 抗混合显色剂，然后加水定容至2 5 m l ，摇匀，在2 0 4 0 条件下显色3 0 分钟，在 波长为6 6 0 7 0 0 n m 处，用3 m l 比色皿在7 2 1 分光光度计上进行测定。然后从对应 的工作曲线找出相应的含磷量 g ) ，除以土重( g ) 即得总磷含量。 2 3 2 沉积物有机质含量的测定 通过加热，用过量的重铬酸钾硫酸( k 2 c r 2 0 7 h 2 8 0 4 ) 溶液，使待测样品有机质 中的碳氧化成二氧化碳，其c r 2 0 7 2 被还原成c d + ，而多余的重铬酸钾( k 2 c r 2 0 7 ) 可以用硫酸亚铁( f e s 0 4 ) 标准溶液进行滴定。根据重铬酸钾消耗量计算有机碳，再 乘以常数1 7 2 4 ，即为有机质含量。重铬酸钾硫酸溶液与有机质作用反应式【4 7 羽】： 2 k 2 c r 2 0 7 + 3 c + 8 h 2 s 0 4 = 2 k 2 s 0 4 + 2 c r 2 ( s 0 4 ) 3 + c 0 2 t + 8 h 2 0 硫酸亚铁滴定剩余重铬酸钾的反应