（环境工程专业论文）太湖入湖口沉积物磷素释放与模型耦合研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 太湖流域的水环境污染问题直接影响饮用水安全、水生态安全和水资源可持 续利用，成为制约流域社会经济可持续发展、构建和谐社会的重大瓶颈。磷素是 太湖流域富营养化问题的限制性因子，而水体中磷素的来源包括外源和内源两部 分。本研究通过实验室测定与污染源统计相结合对南太湖主要入湖河道展开磷素 污染特征解析，将实验室模拟沉积物磷素释放的静态通量与动态通量结果应用于 w 疵rq u a l i 锣a n a l y s i s 觚ds i i n u l a t i o np r o 舻吼( 眦s p 7 3 ) 模型底泥项的改进，提 高水质模拟精度。 ( 1 ) 研究区域磷素非点源污染解析结果显示，农业非点源污染是区域总磷 污染的主要来源，占到6 1 4 7 ，而生活污染占3 8 5 3 。农业非点源中，种植业 和畜禽养殖的总磷排放比较多，而水产养殖的污染排放相对较少。空间上磷素污 染排放主要集中于南太湖入湖河道的上游区域，下游入湖口地区的磷素排放水平 相对较低。水体中磷素污染特征分布既受到外源负荷输入差异性的影响，同时也 受到流速、流向等水文地形条件的影响。沉积物中磷素空间分布主要受到河道宽 度、水流条件等因素的影响。 ( 2 ) 沉积物发生再悬浮的启动流速为0 1 0 m s - 1 。上覆水流速小于0 1 0 m s 。1 时，沉积物水界面的磷素释放基本不受流速变化的影响。静态条件下，无机磷 释放通量为o 5 8 0i n g ( i n 2 d ) ，总磷释放通量为0 6 7 ln 玛( m 2 d ) 。再悬浮时，沉 积物中磷素释放通量与上覆水流速之间存在响应机制，即通量r = a e 脚，本研究 中无机磷释放a - 5 6 9 7 4 ，b = 4 8 4 8 6 ；总磷释放a 娟3 1 6 l ，b = 4 9 6 3 8 。 ( 3 ) w a s p 7 3 水质模型对湖州入湖口区域水体磷素模拟结果表明反向流的 模拟结果略差于正向流，可能因为采用一维河道模拟并且忽略沉积物释放通量， 导致模拟的结果与实际相差略大。在模型参数中定义沉积物磷释放，并输入其随 时间变化的实际参数值，提高水质模拟精度。改进后一致性系数明显提高，误差 也有所降低，这说明在入湖口地区，沉积物的释放作用是水质模拟中不可忽略的 一步，在研究中应该予以关注。 ( 4 ) 对修正后的模型进行应用，在非点源污染负荷削减1 0 、2 0 、3 0 、 5 0 的不同层次下情景分析结果显示，为使入湖河道总磷浓度达到功能区要求， 浙江大学硕士学位论文 流域磷素非点源需削减5 0 以上才能达到控制目标。因此，流域的磷素污染控制 仍需以点源削减为重点任务，在点源污染得到基本控制的基础上，进一步开展非 点源污染的削减，才能达到水环境功能区划的水质标准。 关键字：沉积物，磷素，释放通量，w a s p 模型，水质模拟 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a 研e n v 衲衄e n _ t a lp o l l u t i o no f1 础b l ll a k e 谢ud h c t l ya 虢c tt 1 1 e 越n k 啦 w a t e rs a f e 劬w a t e re c o l o 百c a l 鼢f e 够a r l dr e c y c l i i 培o fw a t e rr e s o u r c e s ，w 1 1 i c h 、) l ，i u b e c o i n ea 陀s t r i e db o t t l 伽啪kt 0t l l es u s t a i m l b l es 0 c i o e c o n o i l l i cb a s i nd e v e l o p m e m a n dt l l ec o n s t m c t i o no fah 釉o i l i o 璐s o c i e 够p h o s p h o r u si st ：h el i i l l i 证gf 撕0 ro f e u 仃o p l l i c a t i o np b l e m si n 亿l i h ul a k e p h o s p h o r 哪i n 啪t e ra c c u m l l l a t e s 丘0 mt w o s o 唧c e s ：n l e e x o g e n o u s 锄d 髓d o g e n o u sp o l l u t i n g s o u r c e s b a s e do nm e c h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h o m sp 0 1 l u t i o ns o u r c e s 锄ds e d i m e n tp h o s p h o m sr e l e a s ei n m er i v e r s 啪u 1 1 d l a k e ，也ew a t e rq u a l 埘a n a l y s i sa n ds i i 】m l a t i o np r 0 伊锄 ( w a s p 7 3 ) 、嬲r e v i s e d 锄d 印p l i e di nt l l ep r e d i c t i o no fp o l l m i o nc o 砷旧1 1 kr e s u l t s w a ss 1 1 0 、da sf 0 1 1 0 w i i 玛： ( 1 ) t l l en o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n a n a l y s i s o fp h o s p h o n 珞s h o w e dn 雠 a 鲥c u l t u r a l ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sam 匈o rs o u r c eo fp o l l u 缸o ni nt l l er e 西o n a l t o t a lp h o s p h o m s ，a c c o u 1 1 _ 血gf o r 61 4 7 ，w m l ed o m e s t i cp o l l u t i o na c c o 蛐：t s 矗) r 3 8 5 3 a m o n gt l l ea 鲥c u l t l 2 i ln o n - p o i n ts o u r c e s ，角r m i n g 龇1 dl i v e s t o c ke i i l i s s i o i 塔 r e l a t i v e l ym o r en 嫩t 1 1 屺删u l t l 玳0 nt o t a lp h o s p h o m s t h es p a t i a ld i 航r e n c e s b i t w e e nt l 圮u p s 仃e 锄a n dt l l ed o w 玎_ s t r e 锄o ft l l er i w ：r sa r o u i l dt h i h ul a l 汜i 1 1 d i c a t e d t h a tt l l ee r 血s s i o nl e v e lo f 此d o w n 鲫r e 锄r e 百o nw e r ea l m o s te q u a la i l dl o w ：t h e p h o s p h o r u sd i s 仃i b u t i o ni 1 1w 栅p o l l u t i o n i s i e t e n l l i i l e db ye x o g e n o u sl o a d 嬲w e l l 鹊 t l 圮n o wr a t e ，f l o wa n do m e rh y d r o l o g i c a lt i e 啪血c o n d i t i o 船s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f p h o s p h o m si n d i m e n t s 、) 佻m 枷yd e t e n n i i l e db yr i v e r 诵d m ，f l o wc o n d i t i o n s 锄d o m e rf a c t o r s ( 2 ) t h es t a nn o w r a t ef o r 溅e i l t sr e s u s p e i l s i o ni so 1 0m s w h t 1 1 en o w m ：t eo fo v e d 咖gw a 钯ri sl e s st l l a no 10m s ，m er e l e a u s eo fp h o s p h o r 啵丘d m d i i n 咖a l l l l o s t 卿鼬l e 谢t 1 1av a l u ea s0 5 8 0m g ( i n 2 d ) 。1f o rp h o s p l l a t e 锄d0 6 7 1 m g ( m 2 d ) 。1 f o rt o t a lp h o s p h o r u s h o w e v e r 血en o w 珊eo fo v e d y 啦w a t c ri sl e s s t l l a no 1o i n s ，t b e r ee x i s t sac o n e s p o n d i n gm e c h a m s m sb 啪e n 廿l er e l e 弱en u x 龇l d t h ef i o wr a t e s 弱r = a e 加山l da sf o rp i l o s p h 蜀【t e ，a = 5 6 9 7 4 ，b = 4 8 4 8 6 ；w 1 1 i l ef o r 浙江大学硕士学位论文 t pa = 6 3 1 6 1 ，b = 4 9 6 3 8i nt l l i s 吣 ( 3 ) 1 1 l es i m i l l a t i o nr e s u l t so fp h o s p h o m si i lh l l 疝o ue s t 唿巧砌lw a s p 7 3o n t h er e v e f s ew a ss l i g h t l y 、o r s e l a nt h ef o r w a r dn o w t h er e 嬲o nm a y b et h e s i n l p l i f i c a t i o no fo n e - d i i i l e i l s i o n a ls h u l a t i o na n dt 1 1 ei g n o r i n go fs e d i m e n tf l u x 甜研 n l ei n v o l v i r 培o f d i m e n tn u x ，血ec o 璐i s t e r l c yi i l d e x ( d ) i i l c r e 嬲e dt h ea b s o l u t e 锕o r a n dt h er e l a t i v ee 玎o rd r l o p p e dd o 、n ni 1 1 d i c a 钯st h a ti ti sas i 嘶f i c 锄tf a c to fs e d i i n e n t r e l e 嬲m gi ne 殉】a r ) rw i l i c hs h o u l db ec o n c e n l e di i lw a t e r 掣山i 哆s i m u l a t i o n ( 4 ) a p p l i c a t i o no ft 1 1 em o d i f i e dm o d e lr e v e a l e dt 1 1 a t 吼d e rd i 侬；r e l l ts c e n a r i o a 舱l y s i st h a tm en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nl o a dr e d u c t i o nm t es e t 弱l0 ，2 0 ，3 0 ， 5 0 ，t l l en o n - p o i ms o u r c ep o l l 蛐s h o u l db ec u tm o r e 协m5 0 i no r d e rt 0a c l l i e v e m ec o n t r o lo 巧e c t i v e so ft l l e 缸l c t i o n a la r e 雒r e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，i ti sm ep o i n t s o c i on l a ti s 也ek e yp o i n to fw a ：t e r s h e dp h o s p h o r u sp o l l u t i o nc o n t 1 f u m l e r r e d u c t i o no fl l o n - p o i l l ts o u r c ep o n u t a n t s 虹l o u l db ec a r r i e do nb a s e do nt h ec o n t lo f p o i m - s o u 】ep o l l u t i o n k q 啊o r d s ：s e d i i n e 峨p h o s p h o n 塔，r e l e 嬲ef l u 墨w a s pm o d e l ，a t e rq l l a l 蚵 s i m u l a 矗o n v 浙江大学硕士学位论文 致谢 硕士即将毕业，两年半的硕士生涯我收获了很多也成长了很多。感谢我的导 师王飞儿老师，您给的信任让我有机会更快地进步，您的严格要求让我明白做人 做事责任心的重要。硕士期间我有幸参与到一些实践项目，让我能够学以致用； 您引导我进入科研的神圣殿堂，让我可以全面发展。即将毕业之际，我想对您说： 老师，谢谢您! 我将继续努力，不辜负您的期望。 感谢环保所的良师益友对我的关怀和帮助。感谢师兄沈超峰、聂泽宇、钱轶 超、杨尚源、肖彦、许磊对我的支持和鼓励，感谢师姐罗玲无微不至的照顾，感 谢同学习室师兄师姐与同学们史铁锤、金婧靓、戴露莹、程广焕、许涛、朱李俊、 岳乾坤、刘飞翔、李亚男、杨稀、钟晓航、邓经友和刘德富等对我的关心和付出， 感谢余华东、边金云，刘奇、杨悦真心的陪伴，是你们让我在面对困难时鼓起勇 气继续前进，是你们让我深刻体会到“不抛弃、不放弃”的温暖和决心! 感谢环保 所的各位老师，师兄师姐师弟师妹们，身在这个温暖的大家庭，我感到无比荣幸 和快乐。今天我们很多人即将毕业各奔前程，千般不舍万般留恋都化作对你们深 深的祝福：祝我们的付出都能迎来收获! 愿我们永远保持一颗快乐、善良、向上 的真心! 感谢我的父母亲人，你们在远方的牵挂是我黑暗中的光芒和寒夜里的温暖， 感谢男友邵帅对我的照顾和鼓励，我会坚定地向前走，让我们一起认真耕耘，用 心生活，快乐收获! 杨佳 2 0 1 2 年1 月9 日 浙江大学紫金港 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 随着经济发展与社会进步，城市化进程不断推进，人类生产与生活对水环境 的影响日益显著，水环境污染问题日益突出，水体呈现严重的富营养化态势【1 1 ， 水生态系统功能退化，蓝藻频繁暴发【2 ，3 1 。反过来，水体富营养化问题也直接影 响到区域饮用水安全、水生态安全以及水资源的可持续利用，成为制约区域社会 经济可持续发展、构建和谐社会的重要制约因素。 水体富营养化是由于氮、磷等营养元素的富集造成水中藻类等浮游植物的过 度生长从而导致生态系统失衡现象【4 】。近年来，滇池、太湖、西湖、东湖、南湖、 玄武湖、渤海湾、莱州湾、九龙江、黄浦江等的富营养化造成当地居民生活和社 会生产的极大不便。我国绝大多数湖泊富营养化属于磷素控制【5 1 ，研究表明，水 中磷的浓度与藻类生长呈现出一定的相关性，1 9 磷入水，可使水内生长蓝藻 1 0 0 9 【6 1 ，当磷素浓度达到最高值时，藻类生长速度也达到最快阴，因此磷素特征 的分析对评估和预测水体富营养化风险具有重要意义【2 】。同时，由于氮元素在水 体、沉积物与大气环境之间存在复杂的交换，相比之下磷素的控制效果较为直接 而稳定【引，因此水体富营养化治理的首要任务是对水中磷素污染特征进行解析， 在此基础上提出相应的控制对策。 水体中磷的主要来源分为外源和内源两大部分。外源污染主要来自人类生产 和生活等活动排放的磷素，通过废水以及地表径流进入河流等水体；内源污染主 要指河道、湖泊等底部沉积物所蓄积的磷素发生释放，以一定的比例和形态进入 上覆水，成为水体磷素的另一重要来源【9 】。针对水体富营养化的控制措施往往注 重外源负荷的削减和控制，与此同时，如不重视沉积物磷素的释放，这一系列措 施的实施效果常常受到影响【埘一般情况下，沉积物既可作为磷素储存的“汇”， 在一定条件下，也可转化为磷素释放的“源”。沉积物对磷的吸附与释放是一个动 态平衡的过程，在一定的自然条件与外力扰动下，平衡被打破，磷素在沉积物 水界面将发生交换，此交换通量受到环境条件的制约。因此，水体磷素污染控制 对策的制定，在控制外源磷素负荷输入的同时，必须充分考虑沉积物水界面的 浙江大学硕士学位论文 磷素迁移转化通量研究，全面保证控制对策的有效实施。 1 1 2 区域现状 研究区域位于苕溪流域，是南太湖具有代表性的入湖河道。太湖是我国的第 二大淡水湖，兼有景观水体和水源地双重价值。太湖流域是全国经济最发达的地 区之一，面积仅占全国0 4 ，人口不足全国3 ，而工农业生产总值占全国1 0 以上。太湖流域的水环境污染问题会直接影响饮用水安全、水生态安全和水资源 可持续利用，将成为制约流域社会经济可持续发展、构建和谐社会的重大瓶颈。 2 0 0 7 年暴发的太湖大规模蓝藻事件，又一次给人们敲响了警钟。太湖水体蓝藻 暴发成为当前太湖水环境治理的重点。水中蓝藻生长需要的营养元素主要为氮、 磷。太湖水质监测数据显示，2 0 0 9 全年除东太湖和五里湖水质为类，贡湖和 东部沿岸区为v 类，其余湖区均劣于v 类，主要超标指标为总氮和总磷。研究表 明，当氮磷比例达到一定值时，水体发生富营养化机率大大提高。自6 0 年代以 来，磷成为太湖限制性营养元素【l ，若水体中磷的含量持续增加，则为蓝藻的 暴发提供了必要条件。因此，控制磷素增长成为抑制太湖蓝藻暴发的关键之一 太湖水体磷素主要来源是环湖各河流的输入以及内源释放等。太湖主要出入 河道有1 5 条，其中浙江有6 条。浙江省环湖河道自西向东主要有长兴水系、苕 溪水系及湖州市东北部的漤港。近年浙江省主要入太湖河道水质相对较好，以 类为主，各年份水质略有波动但总体保持稳定，主要污染因子以氮、磷污染为主， 氨氮浓度总体保持稳定，但总磷浓度近几年有所升高，可见，流域磷素污染开始 呈现加重趋势。监测数据显示，大部分断面顺流( 入湖) 时水质要劣于逆流( 出 湖) 时的水质，表明太湖来水水质总体要优于环湖河道的水质，因此要从源头上 控制南太湖水体磷素污染，必须开展浙江省环太湖主要河道磷素污染解析及迁移 转化模拟，以此对症下药制定一系列措施来削减入湖磷负荷。 1 1 3 研究意义 针对浙江省主要入湖河道磷素污染加重的趋势，通过对主要入湖河道磷素内 外源污染特征的解析以及磷素在沉积物水界面迁移转化规律的探索，对水质模 型进行修正，可以有效掌握入湖口磷污染通量以及磷素在入湖口的迁移转化，为 太湖入湖口水质管理提供更为可靠的工具。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 水体与沉积物中磷形态及其分布规律 自然水体中磷以多种形态存在，不同形态的磷在上层水体和底层沉积物中的 分布差异较大 1 2 1 磷素在水体与沉积物中的形态分布 ( 1 ) 无机磷 水体与沉积物中的无机磷主要包括铁结合态磷( f e p ) 、铝结合态磷( m - p ) 、 钙结合态磷( c a p ) 、碎屑态磷( d e p ) 、交换态磷( e x p ) 和闭蓄态磷( o c - p ) 。 铁结合态磷存在于上层水体和底层沉积物中，沉积物中的铁结合态磷含量与 生物生长量有很大的相关性 6 】。活泼的铁氧化物对磷的快速吸附和释放，控制着 孔隙水中磷的浓度，从而直接影响沉积物水界面磷的交换【1 2 】。f e p 容易受 到环境变化的影响，在富氧环境，沉积物水处于氧化状态，铁离子易以f e 3 + 形式存在，f e 3 + 容易与p 结合，以磷酸盐形成沉淀，这时，f e p 在底泥中是潜在 的磷释放源。在厌氧和缺氧环境中，难溶性的f e ( o h ) 3 容易转化为可溶性的 f e ( o h ) 2 ，可使与铁结合的磷大量释放进入水体，加速水体的富营养化【1 3 1 。 铝磷( 砧p ) 很易从底泥中溶出，水中相当多的化合物可作为它们的提取剂， 例如o h 或其它有机配体，可被碱溶【1 4 1 。在相当的时间内，铝磷与铁磷存在一个 转化过程，底泥中的铝磷将逐渐转化成铁磷。同样在面灰性土质中，存在着向钙 磷的转化。 钙结合态磷主要以钙的磷酸盐形式存在于沉积物中，主要指与自生磷灰石、 湖泊沉积碳酸钙以及生物骨骼等的含磷矿物有关的沉积磷存在形态，大多来自于 生物颗粒的沉积和早期成岩作用形成的氟磷灰石，常难以被藻类等浮游生物利 用，较为稳定，对磷从底泥向水体释放的促进作用较小。但影响磷形态转化的因 素是多种的，当水体中有足够的c 0 2 时，能够增大c a - p 的可溶性，促进c a - p 的释放，会使湖泊富营养化更加严重。c a - p 在总磷中所占的比例，在不同处理 中是有差别的，即使都是在底泥处理中也不同。c a p 含量一般与沉积环境，如 水动力状况、水温、酸碱度等条件密切相关【”】。 碎屑态磷主要来自于流域内风化侵蚀产物中磷灰石矿物晶屑，通常以悬浮颗 粒物形式迁移，主要以土壤侵蚀方式随径流进入河流【1 6 】。 交换态磷主要是指处于弱吸附状态的磷，包括部分间隙水磷、与c a c 0 3 结 浙江大学硕士学位论文 合的磷( 尤其常发生于硬水河流中) 、某些有机残骸释放的磷等【1 7 1 。这种形态磷 的含量通常受季节影响较大，且与沉积物间隙水中的磷化合物含量相关。e x p 虽少，但它是最易被藻类等生物直接利用的磷形态【1 8 1 。 闭蓄态磷主要是一层f e 2 0 3 胶膜所包裹的磷盐，这种磷盐包括一部分铝磷和 钙磷。这种磷盐被沉积物吸附后，被一层f e 2 0 3 包裹在颗粒表面上，能长时间地 存在，这部分磷盐被认为是生物不能利用的磷。 ( 2 ) 有机磷 水体中的有机磷包括两部分，即外源排放进入水体的难降解性有机磷和死亡 的水生生物尸体形成的可降解性有机磷。难降解性有机磷进入底层沉积物后比较 稳定不易释放，而可降解有机磷部分，可以在早期成岩过程中随有机质的降解而 释放，甚至向其它结合态磷转化【1 9 1 。 对不同形态磷的特征进行分析可以发现，当进入底层沉积物后，其像上层水 释放强度差异较大，造成的水体内源污染程度也各不相同。通常情况下，交换态 磷( e x p ) 、铁磷( f e p ) 、铝磷( 砧- p ) 易于向水体中释放，而闭蓄态磷( o c p ) ，自生 钙磷( c a - p ) ，碎屑磷( d e p ) ，有机磷( o r - p ) ，则不易向水体释放【4 】。 1 2 2 磷素在沉积物冰界面迁移转化影响因素 除水体中不同形态磷的分布差异影响外，温度、照度、d o 和e h 、p h 、水 力扰动等主要环境因素也对磷的迁移转化有着不同程度的影响。 ( 1 ) 温度 温度是化学反应与生物反应进行的必然环境因素，对有机物矿化过程、水生 动植物以及微生物的生长繁殖和活性都有重要影响。随着温度的升高，沉积物中 磷的释放速率有所提高【2 0 ，2 1 1 。有试验研究表明，夏季沉积物样品中磷的释放比 冬季有显著的提高，每提高1 0 磷释放率平均提高2 倍。这可能由于季节温度 的变化不仅导致了沉积物物理化学性质的改变，而且导致了微生物数量、活性、 以及种类发生变化陬】。另外，温度在垂直方向上的差异有利于湖泊不同深度之 间进行物质交换，也会导致沉积物中物质向上层水体的扩散。根据水温特征，湖 泊所处的状态可以分为正列状态，等温状态以及逆列状态。逆列状态有利于溶质 向上扩散f 4 】。 4 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 照度 照度对磷形态及分布的影响主要是通过影响藻类生长间接实现瞄j 。照度和 底栖藻类的生长呈正相关性【2 4 】照度增加会促进底栖藻类的大量繁殖，从而需 要吸收大量营养盐，影响沉积物水界面原有平衡状态，从这个意义上讲，底栖 藻类构成一个生物“屏障”，是沉积物磷素向上覆水释放的间接限制因素。另一方 面，照度急剧减小限制底栖藻类生长，死亡的藻类在微生物矿化作用下将大量释 放磷酸盐，增加上覆水中磷素的浓度。姚扬【2 5 】等试验研究表明，不同照度下沉 积物中无机磷通过释放进入上覆水或被底栖藻类转化为有机磷而含量减少，相应 的，沉积物中有机磷含量有所增加。 ( 3 ) d o 和e h d o 的高低与水体氧化还原电位e h 、水生生物种类及其活性、有机物的矿化 过程密切相关，而这些因素都会对沉积物磷的释放产生重要的影响。当水中d o 浓度升高时，一方面沉积物的矿化作用与有机物质的好氧分解加剧，沉积物中有 机磷减少，上覆水中无机磷增加；另一方面，好氧条件有利于聚磷菌( d p b ) 通过 有氧呼吸合成有机磷【2 叼；同时，在富氧环境下f c 3 + 和m 3 + 的存在，使磷素易被络 合形成磷酸盐沉淀存在于沉积物中而减少向上覆水释放【1 3 】。综合各方面作用， 通常条件下，富氧条件下磷的释放强度和释放量要明显小于缺氧环境【2 1 ，2 7 1 ，但 对于有机污染比较严重的河流，好氧条件下有机物的矿化速率远比厌氧条件下 快，导致好氧反而会比厌氧更容易造成底泥磷的大量释放【2 8 ，2 9 1 。 ( 4 ) p h p h 值主要通过影响沉积物对磷酸盐的吸附和离子交换过程而对沉积物中磷 的释放产生影响【2 2 1 。张登峰等鳓研究发现，酸性范围内，p h = 3 的极端酸性条件 下，沉积物中磷的释放达到最大；而在p h = 1 1 的极端碱性条件下，沉积物中磷 的释放也大幅度地提高。对于石灰性地表水体底泥而言，提高上覆水的p h 值， 可使沉积物对磷的吸附能力增加，降低磷的释放量。在碱性条件下f e p 、a 1 p 呈现出向o c p 、c a - p 转化的趋势；在酸性条件下，则存在着o c p 、c a - p 向f e p 、 趾p 转化的趋势。而对非石灰性地表水体底泥而言，p h 中性范围条件下底泥的 磷释放量最小，这是因为p h 值较低时，底泥释磷以溶解作用为主，而p h 值较 高时，o h 。可与无定形铁铝胶合体中的磷酸根发生交换，从而导致底泥磷得到释 浙江大学硕士学位论文 放。金相灿等【3 1 1 对玄武湖沉积物中磷的释放研究结果也均显示：p h 对沉积物中 的磷释放量具有显著的影响，且其影响强弱顺序均为：p h 7 3 p h 4 o 0 7 ( 1 6 ) 孔隙水扩散模型法的关键是孔隙水的采集，常用的方法有压榨法和厌氧离心 法，操作简单，但从现场采样至实验室离心获取孔隙水，其间所需时间较长，且 垂向分层中控制精度通常较低( 约2c m ) ，近表层的上覆水也难以采集，因此用该 法不易获得沉积物水界面上覆水和孔隙水的平滑过渡浓度梯度曲线，一定程度上 影响了借助f i c k 定律对界面释放速率的计算结果。p e 印e r 法是近些年从国外新 引入的一种孔隙水采集法【4 2 】，与传统离心法相比，具有取样时间短、取样的精 密度好、对环境敏感程度高，特别是可现场获取等优势，但其应用受到平衡时间 的制约。李宝等【3 q 采用p e e p e r 法来获取福保湾底泥间隙水，对界面浓度进行指 数拟合，通过对指数方程求导，获取界面浓度梯度，结合静态释放试验，确定了 滇池福保湾底泥氮磷释放速率，提高了内源释放估算的保证率。王建军等【饲通 过改进间隙水采样器，采用间隙水采集针连续获取间隙水，实现实时且连续的样 品采集，进一步提高了实验的精度。 7 浙江大学硕士学位论文 1 3 3 水下原位模拟法 水下原位模拟法可在不移动沉积物情况下进行模拟，结果最接近实际，但费 用较大。逢勇等【4 3 】采用水下原位模拟法，将沉积物捕获器为有机玻璃圆筒( 图 1 1 ) 。实验中，将2 个沉积物捕获器瓶口用孔径为l c m 左右的塑料网覆盖，而后 固定在塑料筐内，以防止大型浮游动物进入捕获器而影响实验精度。每个塑料筐 下挂2 蚝左右的重物，确保塑料筐在水中能保持水平，沉积物捕获器能保持竖直。 塑料筐顶端系上塑料绳，可以将塑料筐连同沉积物捕获器固定在水中不同深度， 将沉积物捕获器分上、下2 层同时放入水中，每层放置一个装有2 个捕获器的塑 料筐。每6 小时收回两个捕获器，开展指标测定。 ( 内径为l l c m ，高度为3 3 c m ，高度直径比为3 ：l ，横截面积为9 5 0 3 c m 2 ) 图1 1 水下原位模拟法沉积物捕获器示意图 f i g 1 1d i a g r a mo ft h eu n d e r w a t e rs e d i m e n tt r a pf i o ri ns i t i ls i m u l a t i o n l - 3 4 柱状芯样模拟法 柱状芯样法是用柱状采样器将采集的样品移入实验室后，通过调节各种环境 条件直接模拟，此方法下的沉积物磷素释放速率对温度具有一定的依赖性嗍， 计算如式( 1 7 ) 所示。d e r r i c k 等【4 5 1 对沉积物采用柱状芯样模拟法，得到香港 m a ip o 磷释放通量为9 钍3 3 m g i n - 2 d ，b 巧a i l 等h 6 】采用柱状芯样模拟法，设置 不同的温度和光照条件，研究其对沉积物营养盐释放规律的影响，取得了良好的 效果。 尺：【y 0 。一c 。) + 窆_ 一。g 产。一c 口卫么r 扭1 ( 1 - 7 ) 其中，释放速率【m g ( n 1 2 d ) 1 】； r 浙江大学硕士学位论文 v 一柱中上覆水体积( l ) ； c 。、c o 、c j 1 一第n 次、初始和j 一1 次采样时某物质含量( m g l 。1 ) ； c 。_ 添加原水后水体中氮磷含量( m g l 。1 ) ； v j 1 一第j 1 次采样体积( l ) ； a 一柱样中水沉积物接触界面( n 1 2 ) ； t _ 释放时间( d ) 。 柱状芯样模拟法可基本不破坏沉积物性状，且在多种控制条件下进行模拟， 因此应用较多，但柱状体系的体积通常不大，易产生壁效应【4 7 1 。 1 2 5 柱状流动培养法 柱状流动培养法是对柱状芯样模拟法的改进。采用恒定水流流经沉积物，当 水流中营养元素的含量稳定时，即可停止培养。徐徽等4 8 1 采用如图1 2 所示装置 对太湖展开水土界面氮磷释放通量的流动培养研究，此方法的关键在于根据研究 对象的监测数据设置合理的流动速度保证实验的合理性，释放通量可根据式( 1 8 ) 计算得到。 图1 2 柱状流动培养实验装置图 1 进水管；2 蠕动泵；3 0 型环及密封活塞；4 无扰动沉积物芯样；5 橡皮塞；6 出水收集管。 f i g 1 2a p p a r a t u so fc o l u m nc u i t i v a t i o e x p e r i m e n t l i n l e t ；2 p e r i s t a l t i cp u m p ；3 - o r i n ga n dp i s t o ns e a l s ；4 一s e d i m e n t ；5 一m b b e rs t o p p e r ；6 一o u t l e t 尺。= ( c 。一e o ) y s 6 0 2 4 ( 1 8 ) 其中，r 。一第n 次取样测定的释放速率 m g ( m 2 d ) 。1 ； c 。、c n ，旷第n 次取样时进水及出水中营养盐含量( m g l 。) ； v 一蠕动泵流速( m g l 。1 ) ； 9 浙江大学硕士学位论文 * 柱样中水一沉积物界面面积，m ? ； 6 0 、2 仁时间换算因子。 柱状流动培养法的优点是保证了实验过程中上覆水温度、溶解氧含量、p h 等条件基本恒定，排除其他环境条件的干扰，对流速展开单因子分析，且沉积物 再悬浮状况直接可视，既能够较为忠实地反映环境条件，又便于实验室模拟控制。 1 4 沉积物一上覆水模型研究进展 沉积物一上覆水模型通常以水质为研究对象，通过实验分析、经验概括与模 型建立探讨沉积物冰界面的物质与能量迁移转化规律m 根据模型的侧重点 与应用过程的差异性，可将众多模型归纳为机理模型与概念模型两大类。 1 4 1 机理模型 机理模型一般结合实验室规律研究，具体研究沉积物中不同形态的物质迁移 转化过程，涉及参数广泛，数据量较大。在实验室研究的基础上建立模型，根据 大量时间及空间监测数据进行率定【4 9 】。 刘素美等【5 和s e 玛e i 等【5 1 】在实验室沉积物间隙水营养盐的分析结果基础 上，建立沉积物中营养盐的成岩模型i 汀m ( d i a g e n e t i cr e a c t i o n - 仃粕s p o r tm o d e l ) ， 在此基础上展开沉积物冰界面营养盐的交换通量研究，采用模型在较长时间尺 度上分析了沉积物磷释放的热力学、动力学等环境影响因素，综合考虑了硝化速 率、反硝化速率、有机氮含量、硅质成分的溶解速率、生物扰动作用、孔隙率等 诸多因素，涉及到大量的计算模型与参数设置。 j 硒t t i w a i l i c h 等【5 刁采用系统动力学方法，利用s t e l l a i o n8 ) 对水体中 氮、磷的循环进行研究。 机理模型虽然能够较为准确地反映污染物在沉积物一水界面上的迁移转化 机制，但是又存在着参数多，取值困难的问题。 1 4 2 数值模型 沉积物一上覆水数值模型主要为河网水质模型。此类水质模型中一般包含有 沉积物模块，通过参数的输入和率定，可以初步模拟沉积物一上覆水之间的影响 机制。基于模型对沉积物一水界面的物质迁移转化探讨可归纳为两大类：以水质 为研究对象的沉积物释放通量输入和以泥水界面为研究对象的扩散作用模拟。前 者常用于水质模拟中，沉积物的磷素释放以通量值输入相应的水质单元【4 9 】，对 1 0 浙江大学硕士学位论文 参数的选择要求较为简单；后者综合考虑沉积物中磷素在藻类、微生物以及不同 环境条件的影响下的形态转化及其通过间隙水向上覆水的扩散作用【5 3 1 ，在机理 的研究上较完善，但沉积物中物理、化学以及生物反应相当复杂，导致模型参数 的选取有较大困难。 具有沉积物模块的水质模型包括s p 模型、m 弱模型、q u a l 系列、w a s p 模型、m i i 系列、e f d c 模型、c e q u a l 系列等，其中w a s p 模型数据结构 合理、模型运算高速、操作界面友好、数据处理便捷。b a i s e n 等【5 4 1 将线性吸附 关系耦合数值模型，对不同沉积物再悬浮通量条件下泥水界面上大肠杆菌再悬浮 通量进行模拟，从而独立地得到沉积物对水体中大肠杆菌数值的贡献率，为水质 治理措施提供合理的侧重点。) ( i l l a il i u 等【5 5 】将沉积物模型与三维水动力模型 耦合研究风力扰动对沉积物再悬浮的影响，并基于水位和盐度的监测数据进行率 定，研究结果表明风力扰动与上覆水浊度密切相关，对大风浪下上覆水浊度突然 上升提出合理的解释。针对沉积物一上覆水研究的概念模型具有一定经验性，是 对污染物迁移转化一般性规律的模拟，需要的数据资料相对较少，模型运算简单 明了。但是，由于数值模型的参数设计具有固定性，为方便计算，参数的选取未 必能够满足特定研究区域的要求，因此，数值模型的应用需要通过实验室模拟相 结合，才能更为全面真实地反映沉积物一上覆水界面的物质迁移转化规律。 1 5 研究内容与技术路线 1 5 1 研究目的 本研究通过实验室模拟与宏观模型相结合，旨在实现以下目的： ( 1 )了解南太湖流域磷素污染基本特征； ( 2 )掌握磷素在沉积物水界面迁移转化规律； ( 3 )实现区域水质初步模拟及模型改进验证。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 入湖口及环湖河道磷素污染特征分析 对浙江省环太湖主要河道及入湖口、沿岸湖体进行采样调查，测定水体和沉 积物中不同形态磷的含量。分析浙江省环太湖流域不同形态磷污染的时空分布特 征，结合流域污染源调查结果，解析流域磷素污染特征及主要影响因子。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 入湖口沉积物一上覆水界面磷素释放规律研究 为探明入湖口沉积物一上覆水界面磷素释放规律，开展实验室静态模拟与动 态模拟研究。磷素释放模拟以箱式模型的思维采用自制反应器模拟入湖口地形和 流态变化，并充分考虑入湖口往复流的复杂特点，根据现实水流特点及船体扰动 特征，设置不同的模拟条件，研究入湖口沉积物磷素释放特点。 ( 3 ) 模型构建与应用 根据常规监测数据，采用w a s p 7 3 模型对湖州市入太湖主要河道进行水质 模拟，并根据实验室模拟所得的磷素释放规律，对模型底泥项进行细化与改进， 以提高水质模型模拟精度。对修正后的模型进行应用，通过情景分析对流域污染 源削减的重点任务展开研究。 1 5 3 技术路线 图1 3 研究技术路线 f i g 1 3r e s e a r c ht e c h n o l o g i c a li i n e 1 6 研究创新点 本研究将实验室机理研究与宏观水质模型相结合，在模型改进与水质管理方 1 2 浙江大学硕士学位论文 面有较大突破。研究创新点包括： ( 1 ) 采用自制河口模拟反应器开展沉积物磷素释放规律的研究，较真实地 反映入湖口地区磷素在沉积物一上覆水界面的迁移转化规律； ( 2 ) 实验分析与宏观模型的结合，为水环境管理以及其他环境要素的管理 提供一条行之有效的新途径。 浙江大学硕士学位论文 第二章入湖口及环湖河道磷素污染特征分析 2 1 前言 太湖位于江苏、浙江两省交界处，长江三角洲的南部。它是中国东部近海区 域最大的湖泊，也是中国的第二大淡水湖，是中国著名的风景名胜区。太湖湖区 形态如向西突出的新月。太湖平均水深为2 m ，是大型浅水湖泊 5 6 1 。浙江省位于 太湖南岸环湖水系主要包括长兴水系、苕溪水系及湖州市东北部的瀵港。长兴水 系主要有三个入湖河道，苕溪水系在东西苕溪汇合后，分别经小梅口、长兜港、 大钱港入湖。东部主要是一些较小的瀵港，水流大部分以入流为主，其流入湖体 的水量只占浙江省总入湖水量的4 5 。 太湖流域经济发达，城市化进程较快，相应地，生产生活产生的污染负荷也 较多。磷素自外界进入到水环境中，在水与沉积物之间经过长期的迁移转化达到 平衡状态。r y d i n 等5 刀发现，随着时间延长，易释放态磷呈现出向难释放态磷转 化的趋势。当环境条件发生变化时，沉积物一上覆水界面的平衡被破坏，可能造 成沉积物中的磷素向上覆水体释放【5 嘶o 】。研究表明太湖的内源负荷占太湖总负荷 量的1 4 左右【6 1 ，6 2 】。2 0 0 7 年太湖蓝藻大规模爆发后，流域外源污染负荷的削减 提上日程，针对外源污染的治理措施逐步得到实施，为进一步巩固磷素污染治理 成果，全面预防流域蓝藻爆发亟需对湖区及入湖口地区的内源污染特征进行分 析。因此，本章以湖口区与主要入湖河道上覆水与沉积物为研究对象，重点分析 不同形态磷素组分的空间分布特征，探索磷素赋存形态与富营养化之间的关系。 2 2 材料与方法 2 2 1 污染源统计 根据湖州市监测站提供的污染源普查数据( 2 0 0 9 年) ，前期资料中缺乏研究 区域点源污染数据资料，故研究主要针对非点源污染，对湖州市吴兴区与长兴县 各乡镇的农业与生活的磷素污染排放进行统计分析。 2 2 2 磷素分布特征分析 ( 1 ) 采样点时间与地点 为开展对浙江省环太湖河道磷素污染特征的研究，针对入湖河道和湖区进行 水体和沉积物样品采集，便于实验室测定与模拟。所采集样品应包括主要入湖河 1 4 浙江大学硕士学位论文 道上下游上覆水、沉积物等。 本研究主要针对浙江省湖州市太湖入湖口的沉积物和水质分析，因此采样点 的设置应遵循以下几点： ( 1 ) 选取水量较大的入湖口河段进行研究，采样点的设置应位于入湖口； ( 2 ) 鉴于后期水质模拟采用w a s p 水质模型，选取水文水质数据较全面的 河段设置采样点； ( 3 ) 为保证样品的代表性，选取多个入湖口分别设置采样点。 采样点的具体位置可见表2 1 与图2 1 。 表2 1 采样点位置 1 a b l e2 一ll o c a t i o no fs a m p u n gp o i n t s 图2 1 采样点位分布示意图 f j g 2 1l o c a t i o no fs a m p n gp o i n t s 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 样品采集与保存 本研究于2 0 1 1 年1 2 月在以上采样点采集水样与沉积物样品。表层沉积物采 用弗安( 上海) 企业发展有限公司生产的f a 0 2 0 1 型抓斗采样器采集，装入黑色 聚乙烯塑料袋内；分层沉积物样品采用柱状采样器【6 3 1 采集，运输过程中应采用 缓冲材料固定以避免扰动；水样使用水样采集器采集置于聚乙烯塑料瓶中。样品 带回实验室在4 条件下保存。 ( 3 ) 实验室分析方法 水样中的总磷经