（环境工程专业论文）三岔湖底泥污染物释放规律研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 底泥污染是影响湖泊水环境污染的重要因素之一，也是全世界范围内的一个环境 问题。国内外研究结果发现，在影响水环境质量的外源污染物得到控制以后，底泥作 为内源污染物逐渐成为影响水环境质量主要的污染来源。本文在参考学习前人研究工 作的基础上，采用p v c 柱模拟底泥的释放条件，进行了自然条件下沉积物向上覆水 体释放扩散污染物的规律的实验研究。本文实验研究对于了解底泥污染物向上覆水释 放污染物的规律研究有一定的理论意义。 中外学者从上世纪就开始了底泥污染物释放规律的研究。经过不断的发展，获得 了许多的成果，但是由于底泥污染物向上覆水体释放规律的复杂性、影响因素的多样 性，目前还有较多问题尚未解决。以前的研究主要集中在上覆水体污染物浓度的研究 上。而考虑底泥上覆水体的释放总量及释放速度的研究尚少。基于此，本文在前人研 究的基础上，对底泥污染物向上覆水体释放扩散扩散进行了实验研究。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对三岔湖水库近期污染特征进行了分析。通过定量分析发现，近期对三岔 湖造成污染的污染源有：生活污水、公肥、农药、地面径流、降水及网箱养鱼自残饵 及未消化的粪便。其中以网箱养鱼自残饵及未消化的粪便为主要污染源，该类污染物 将对湖泊沉积物造成巨大影响，并持续对影响湖泊水质。 - ( 2 ) 以湖水、蒸馏水为上覆水进行静态模拟实验，研究底泥污染物的释放规律。 发现这两种上覆水中，污染物在实验初期均迅速释放，影响其释放规律的主要原因是 水一泥界面浓度差；实验进入中后期后各类污染物释放规律各不相同，温度、溶解氧、 底泥特性及p h 对释放规律都会造成影响。 ( 3 ) 本文进一步对底泥释放总量及释放速度进行了研究。考虑每次取样对释放 总量的影响后，计算其释放总量的变化规律及释放速度的变化规律，发现其变化规律 与上覆水浓度变化基本一致。 关键词：底泥；释放规律；上覆水；三岔湖 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t l a k es e d i m e n ti sa ni n l p o n a n tf a c t o ri nw a t e re n v 衲衄e n t a lp o l l u t i o n ni s a l s oa w o r l d 埘d ee n v i r o m n e n _ t a lp r o b l e m d o m e s t i ca n df o r e i g i lr e s e a r c hr e s u h ss h o w e d t 王l a tm e r t l l ee x o g e n o u sp o l l 讹m t sl l i l d e rc o n 仃o l 帆“c hi m p a c t sw a t e rq u a l 咄s e d i i n e n ta sas o u r c e o fp o l l u t a l l t sw i t l l i i lm ea f f e c t e dw a t e rq u a l i 够h a sb e c o m eam 旬o rs o u r c eo fp o l l u t i o n 0 l i l t l l eb a s i so fr e f e r e n c e 、0 r kt 陆ss t u d yu s e dp v cc o l u m ns i m u l a t e st h er e l e a s ec o n d i t i o n so f s e d i m e m ，a t t l l es 锄et i m et h i se x p e r i m e mi su s e dt 0s t u d yu r l d e ri l 蜀【n i a l c o n d i t i o i l st l l e r e l e a s eo fs e d i m e n tp o l l u t a i l t sd i 丘i u s et oo v e n y i n g 坝吮r t h i se x p e r i m e m a la l s oh a ss o m e a l e o r e t i c a ls i 嘶f i c a l l c eo fr e s e a r c hf o ru n d e r s t a n d i n gt 1 1 e l a w so ft h er e l e a s ei i lt h e s e d i m e n tt oo v e r l y i n gw a t e r c h i n e s ea n df o r e i g ns c h o l a r ss t a r t e dt 0r e s e a c ht h el a wo fp o l l u t 舭t sr e l e a s e 自o m 血e l a s tc e 删，a 舭rc o n t i 肌o l l sd e v e l o p m e n t ，m 肌) 7o ft h er e s u l t sh a sb e e no b t a i n e d ，h o w e v e r ， b e c a u s eo fn l ec o m p l e x 时o fp o l l u 拓m t si ns e d i n l e n t sr e l e a s et 00 v e r l y i n gw a t e r ，也e d i v e r s 竹o ff a c t o r s ，n l e r ea r es t i l lm a n yq u e s t i o i l su i 】i a i l s w e r e d p r e v i o u ss t u d i e sf o c u s e d o n t h eo v e r l y i n gw a t e rr e s e a r c ho nm ep o l l u _ t a i l tc o n c e n 协a t i o n b u ts e d i m e n to v e r l y i n gw a t e r a i l dm er e l e a s er a t eo fn l er e l e a s eo ft l l et o t a l i ss t i l ll e s s h lt i l i sp 印e r ，b a s e d0 np r “i o u s s t u d i e s ，s t u d i e dt l l eo v e r l y i n gs e d i m e n tp o l l u t a n t sd i 丘、u s i o nt ow a t e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf 1 0 l l o w s ： ( 1 ) t 1 1 i sp 印e rh a l sa i l a l y s i s e dm ec h a r a c t e r i s t i c s o fm er e c e mp 0 1 l u t i o n so fs a l l c h a l a k e n 啪u 班q u 眦t i t a t i v ea 1 1 a l y s i s ，r e c e n tp o l l u t i o ns o u r c e so fs a n c h al a k ea r e ：s e w a g e ， p u b l i cf e r t i l i z e r ，p e s t i c i d e s ，s u r f a c e姗。正p r e c i p i 谢o n ，a i l d f i s h c a g e c u l t u 】陀a 1 1 dm e u n d i g e s t e dm 锄鹏舶m 恤b a i t s i n c em eb a i tw h j c h 舭f i s hc a g ec u l t l j r e 距dm e u i l d i g e s t e dm 觚1 j r e a sm em a i l ls o u r c e so fp o l l u t i o 玛a 1 1 d t h i sp o l l 晚m t s 研1 1b ea 仃e m e n d o u si m p a c tl a k es e d i m e n t s ，a n dc o n t i n u e dt 0 艋c tl a k ew a t e rq u a l 咄 ( 2 ) 1 1 l es 眦i cs h u l a t i o ni su s i n gw a t e ro fs a i l c h al a k ea n dd i s t i l l e dw a 船a st h e o v e d y i n gw a t e rt 0d i s c u s sr e l e 嬲eo fc o n t a n l i m l i l t so f s e d i i n e n t t h e nw eh a v ef o u n dt i l a t b o mt h eo v e d y i i l gw a t e r ，c o n t 锄i 1 1 a n t sa r er a p i d l yr e l e a s e di nt h ee a r l ye x p e r i m e n t s t h e m a i l lr e a s o no fi t sr e l e a s ei nt h ew a t e r c e m e n ti i l t e r f a c ec o n c e n t 枷o nd i 琢：r e n c e ；a r c rt h e e x p e m e n ti n t o l a t em ev a i i o l l st ) ，p e so fp o l l 咖n t sr e l e a s e d i i lm ed i 虢r e ml a w s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e l l s e d i m e mc h a r a c t e r i s t i c s 觚dl a w so fp hv m la f r e c tt h e r e l e a s e ( 3 ) 1 1 1 i sp a p e ra l s ot l 乏峪s t u d i e dn l et o t a j 锄o u i l to fs e d i m e mr e l e a s ea n dm e 如r t h e r r e l e a s er a t e c o n s i d e rm et o t a l 锄o u mo fe a c hs a m p l e0 nt l l ee 疏c to ft h er e l e a s e ，t l l e n c a l c u l a t e dv 撕a t i o no ft l l et o t a lr e l e a s ea n dt h er e l e a s er a t e t h ev a r i a t i o nf o u n di n 廿l e o v e r l y i n gw a t e rc o n c e m r a t i o nw i mb a s i c a l l yt 1 1 es 踟e k e y w o r d s ： s e d i m e m ；r e l e a s e s ；o v e r l y i n gw a t e r ；s 锄c h al a k e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出和研究意义 第1 章绪论 水污染是全世界面临的最严重的问题，这个问题主要表现为水体富营养化。随着 社会的发展和城市的扩大，使湖泊的富营养化过程加快，水生态系统受不同程度的破 坏，藻类大量繁殖，透明度下降，动植物大量消亡，污染严重时还会造成湖泊水体发 黑、发臭。湖泊富营养化是当今世界各国面临的水环境问题之一【l j ，对于我国来说，湖 泊富营养化已成为中国一个严峻的问题【2 j 。 根据前人调查表明我国是一个多湖泊的国家，全国共有1 平方公里以上的湖泊 2 7 5 9 个，总面积达9 万多平方公里，占国土面积的o 9 5 ，其中约1 3 为淡水湖泊。 湖泊是人类生存和发展的重要资源，在蓄水、防洪、养殖、维持生物多样性、航运、 旅游及维系区域生态平衡方面发挥着巨大作用。由于我国幅员辽阔，湖泊分布也非常 的广泛，地区差异性显著。我国的太湖、巢湖、滇池等这些大湖蓝藻发生的频率非常 大，特别是2 0 0 7 年许多湖泊都爆发了蓝藻。 湖泊富营养化同样是世界性的水环境问题，随着我国社会经济飞速发展，发展与 环境的矛盾日益加剧，减缓湖泊富营养化过程，控制湖泊富营养化成为了解决发展与 环境矛盾的重要途径。湖泊富营养化是一个严重的环境污染问题，湖泊富营养化的出 现频率不断加快，富营养化程度在加重，影响的面积在扩大，危害不断的加剧，严重 影响了湖泊的使用功能，特别是对湖泊作为饮用水源的地区的饮用水安全与人体健康 造成了巨大的影响，眼下开展对湖泊富营养化的控制和对湖泊的相关管理是十分迫切 和必要的。 底泥中污染物对湖泊的富营养化具有潜在的危害作用，其原因是各种外在条件的 变化会影响与底泥结合的污染物的迁移特性，导致污染物再次进入水环境中而造成二 次污染。因此，研究底泥中污染物的二次释放及其影响因素是十分必要的，它对于预 测底泥中污染物的迁移性和归宿以及提出正确的、经济可行的整治办法具有重要意义。 三岔湖是四川第二大人工水库，它现在不仅是简阳市的重要水源地，同时还具有 维持生物多样性、蓄水防洪、调节地表径流和气候等功能。摸清其底泥污染物的释放 规律，有利于控制污染、改善三岔湖水质，提高水环境质量，进而改善整个区域的生 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 态环境。 。、 1 2 国内外研究现状 1 2 1 底泥对湖泊富营养化的影响 湖泊沉积物主要是由湖泊基层及进入水体中的各类物质沉降后组成，底泥作为湖 泊不可分割的一部分，它是整个湖泊各种物质循环的中心，同时也是水一土界面物质 发生物理、化学、生物反应的主要地带，湖泊底泥可以在一定程度上反映出湖泊水环 境所受到的污染的程度，同时湖泊沉积物在不同的条件下可向上覆水体释放或者吸纳 营养成分，从而加剧或减缓湖体水质和富营养化过程；并且它作为湖泊水一土界面各 种污染物的缓冲带，是各类物质的储存库，这也是众多浅水湖泊生态系统的重要特征 专一【l 】“二 。 湖泊沉积物是各类湖泊水环境的重要组成部分。湖泊沉积物一般一般从空间上可 将其分为三层：首先是位于表面的污染层，该层所含物质主要为湖泊近二三十年所沉积 的各类物质，大都表现为黑色至深黑色；第二层为中间层，该层主要含有大量沉水植 物根系、茎叶及水生动物残骸，其结构较为疏松；最底层为正常湖泊沉积层，通常该 层保持了与湖区周围土壤相同的特征，大多为黄色粘土，质地非常密实【2 3 1 。底泥作为 湖泊整体生态系统中一个不可或缺的组成部分，是所有水生生物生存和繁衍的保障， 是湖泊水环境整理的关键性问题。与此同时，湖泊底泥作为湖泊营养物质的一个富集 储存库，可以将来自众多途径的各种物质，通过复杂的物理、化学、生化等作用，将 其中一部分物质沉积到湖泊底部，在外界条件发生改变的情况下，底泥中的储存的污 染物质将会释放出来造成二次污染。因此，底泥是影响湖泊富营养化的重要内源污染 【3 - 6 】 o 湖泊底泥的物理、化学条件极易受外界条件的影响而发生改变，底泥所含的物质 结构十分复杂，演化方式及其多样，这些客观制约因素都将给湖泊底泥污染物释放规 律的研究带来各种困难。 底泥释放主要是指水一泥界面物理交换作用。由于底泥是湖泊营养物质的储存 库，因此，当湖泊水环境污染得到充分控制后，富积于底泥中的各类污染物通过与上 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 覆水体间的物理、化学和生物交换作用，在一定条件下污染物再次释放出来，污染上 覆水体。研究表明，经过长时间累积，湖泊底泥中可蓄积了大量的污染物，这些物质 在底泥中的含量通常比湖泊的自然背景值高出数个数量级【刀。特别是在枯水季节及夏 季，水温较高，底泥中微生物活性增强，生化反应速度加快，营养物质加速释放，并 且伴有含甲烷和硫化氢的气体逸出，水质下降并产生恶臭气体，藻类剧烈繁殖，严重 污染上覆水【羽，根据i 母d i na n db r u n b e 曙对湖泊的研究结果表明，在夏季水体总营养量 的9 9 来源于沉积物【1 0 】，更会导致湖泊水环境呈富营养化状态，并有可能出现“水华” 的现象，这样会对旅游景观和自然资源造成严重的影响。综上所述，在严格控制外源 污染并取得成效后，底泥污染物的释放将成为第一污染源，营养物质的释放将使湖泊 呈现富营养化的状态并可能维持数十年【9 】，因而相关底泥营养物质释放规律的研究，现 在已经成为关注的焦点。 据研究发现，杭州西湖1 9 8 8 年7 月至1 9 8 9 年6 月间沉积物释放的磷占外源输入 磷负荷的4 1 5 一j 。由于内源污染物的影响，西湖引水工程对水体治理的效果在停机 1 0 天后即消失1 1 0 1 。更为严重的是，水体在外源性污染物被截断后，沉积物中营养物质 的持续释放将能继续发挥作用，使水体保持很长一段时间的富营养化状态【1 1 】。由此可 见，底泥是控制湖泊生态环境质量的重要因素之一。 1 2 2 底泥污染物释放途径 湖泊底泥是各种污染物质的载体及其相互作用发生的场所，沉积物中各种物质之 间、污染物与沉积物之间、不同污染物之间甚至于底泥与水界面之间一直保持着一种 动态的变化，比如吸附与解析作用、沉淀与溶解作用、分配与溶解作用、络合与解络 作用、氧化还原作用，以及生物降解和生物富集作用等。在整个底泥反应系统中，所 含污染物主要以三种形式存在：首先是溶解于间隙水种、其次是吸附于固相表面的颗 粒、最后是存在于底泥颗粒内部。【1 2 j 湖泊底泥对上覆水水质的影响主要有以下几种方式：首先是浓度差，这也是最为 重要的影响因素，由于水一泥界面的浓度差引起的各类污染物向上覆水体的释放污染 物的过程，从而造成上覆水体中各类污染物浓度的增加：其次是溶解氧的影响，在底 泥微生物生长繁殖的过程中将降解有机污染物并消耗上覆水体中的溶解氧，改变上覆 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 水体中污染物的浓度；再次是底泥再悬浮过程的影响，由于底泥吸附的各类污染物质 不断向上覆水体的扩散、释放，造成上覆水体中污染物浓度的升高；最后是各类底栖 动物或船只等对底泥的影响，加大了底泥中污染物向上扩散速度。【1 3 1 5 】 1 2 3 氮释放对上覆水的影响研究 目前国内外对氮释放研究对象主要是研究总氮、氨氮以及硝酸盐氮。 氮在水一泥界面的迁移、转化进行了各类的研究【1 6 2 6 1 ，同时建立了比较系统的沉 积物氮的循环模型【2 7 】；国内对于氮释放规律的研究主要侧重于面源流失和水环境中 各形态氮的分布规律的研究【2 9 】，沉积物中或水一泥界面氮的释放规律研究相对较少， 水一泥界面氮的释放规律的研究仅仅限于对n h 4 + _ 二n 和n 0 3 n 释放速率的估算【3 们， 戴树桂等人【3 l 】曾对沉积物中氮的主要迁移转化过程进行了初步研究并且建立了转化模 型。 氮在湖泊水一泥界面间的迁移及交换是一个十分复杂的生物化学及物理过程。胡 雪峰等人通过对上海市郊区某河流底泥释放规律的研究。结果表明：在厌氧条件下，底 泥氨氮释放速率以及释放量都高于好氧条件下，上覆水氨氮可在一定时间段内保持最 大值；在通气条件下，由于增强了硝化作用，上覆水氨氮含量达到峰值后，下降较为 迅速。在通气试验过程中，氨氮浓度的变化前期都表现为快速增长，持续到中期达到 峰值后，进入后期并表现为下降趋势。其主要原因是在通气培养的前期，好氧微生物 大量繁殖并且活性较高，底泥释出的有机质快速分解生成n h 3 和c 0 2 ，造成上覆水中 n h 3 的浓度快速增加。但在当达到通气培养的后期，随着溶解氧浓度的降低，大部分 好氧微生物因缺少氧而死亡，n h 3 的释出量减少；再加上原有的n h 3 在好氧的条件下 迅速硝化，使培养液中n h 3 - n 的含量迅速减少；在水体表现为厌氧条件下，有机质 多为厌氧分解，厌氧环境将对硝化作用的产生阻碍左右，因此释出的n h 3 - n 将在溶 液中稳定较长时间【1 2 】。厌氧环境后期，n h 3 n 有一定程度的降低，主要与n h 3 被胶 粒吸附沉淀，沉降出溶液有关。国外也有人对底泥氮的释放规律进行了研究。例如， m o o e r 和r d e d y 【1 3 】认为，好氧和厌氧环境下均有可能进行n 的降解，只是有机物降解 速度在好氧环境较厌氧环境快，但由于厌氧微生物对n 的需求量小于好氧微生物，厌 氧环境下以n h 4 l - n 的形式释放的n 比好氧条件下多，n h 4 + - n 常在还原层中不断积 累，而且绝大部分以交换态的形式存在于其中【1 4 】；在缺氧条件下，氧化物同时也可作 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 为n h 4 + - n 氧化的电子受体，并反应生成n 2 0 、n o 和n 2 等气态化合物【1 5 】；在好氧条 件下，上覆水和底泥中的n h 4 + _ 州易被表层的硝化细菌氧化为n 0 2 _ - n 和n 0 3 _ _ n 。 1 2 3 磷释放对上覆水的影响研究 沉积物中影响磷释放的因素较多【3 2 1 ，主要有温度、p h 、溶解氧浓度、氧化还原电 位、底泥磷形态，水体受到的扰动、藻类甚至盐度等。磷的释放可能会同时受多种因 素的影响，多种因素之间相互也会造成影响，磷释放量的变化也取决于它们综合作用 的结果。，。 温度：温度通常对沉积物磷的释放造成间接的影响【3 引。温度升高，有利于提高微 生物活性，并且使各种物理、化学、生化反应的速率加快。尹大强【3 3 】认为在未超过适 宜温度限度时，温度升高还可以使藻类和微生物的活性提高，将沉积物中的部分有机 磷分解转化为无机磷，与此同时把不溶性的磷化合物转化成可溶形态的磷；代谢速度 的加快同样也会加快有机质降解【3 训，近而导致沉积物释磷量的增涨。但是进入冬季湖 水温度的下降通常会引起沉积物氧化还原电位的下降，氧化层的增长将会阻止间隙水 中磷的释放。 p h 值：王晓蓉等3 5 1 、韩伟明等1 3 6 】通过实验都得出了相同的结论，p h 值为7 左右 时各类胶体都将参与对磷的吸附，底泥中磷的释放量最低：若水体为酸性环境，将能 加快钙磷的释放，但是铁磷和铝磷仍然是稳定的固相，同时底泥吸附作用也较大；而 水体呈碱性时，水体中的p 则主要以m 0 4 2 。的形态存在，在高p h 的情况下将促使o h 置换出磷酸根离子，同时生成水溶性的磷化合物。 水体中p h 值会对磷的存在形态产生较大的影响口5 1 。在水体中，铁、铝、钙等都 是极为普遍的金属元素，可溶性磷极易与c a 2 + 、f e 3 + 、a 1 3 + 等金属离子形成难溶性的沉 淀物，磷酸盐的阴离子同时极易被铝矾土等吸附，同时也将会被新生成的氢氧化铁、 氢氧化铝等胶体所吸附。磷酸基团同沉淀晶格中的金属离子之间可形成化学键，磷酸 盐同时吸附在粘土上形成化学结合，影响这些磷酸盐的溶解度及化合态的主要因素就 是p h 值，因此沉淀与溶解和吸附与解吸是影响磷化合物生成的重要途径，同时还影响 着磷元素的溶解度和磷的生化循环。o l i l a 等【2 6 j 研究表明p h 对铁、铝磷和钙磷的作用 机理不尽不同，效果也有一定的区别，含钙较低湖泊吸附磷的能力明显大于含钙质较 多湖泊。底泥中不光可溶性磷与铁结合磷对底泥释磷有较大影响外，同时有机态磷在 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 底泥的释磷过程中也发挥了重要作用，有机态磷、无机磷等在水中溶解态碱性磷酸酶 的作用下可转化为可溶性的磷酸盐【j 。 扰动：外界条件的扰动将会对浅水水体释放磷造成重要影响【3 8 】。由于自然因素( 如 风浪、水中生物等) 或人为因素( 如船行驶等) 引起的扰动可造成表层底泥再悬浮，表层 底泥再悬浮进入上层水体，会极大的影响上覆水中磷的浓度。李剑超【3 9 】等人通过实验 研究得出，表层底泥受到扰动悬浮后，深层的底泥中的污染物有可能继续释放直接进 入水体，释放量将远大于悬浮物解吸量，使得上覆水体磷含量快速增长，成为一些水 体底泥磷释放的主要途径。张路等人【4 0 】认为，底泥悬浮后引起的解吸作用对磷的释放 影响相当大，当底泥受水扰动向水体释放磷达到一定量后，可能进入一种完全释放状 态，此时水泥界面达到了一种动态平衡。只有当水体中磷含量降低后，底泥中磷 的释放才能继续进行。 底泥磷的潜在释放能力并不完全由底泥所含磷的总量决定的。相关研究表明，底 泥磷含量高但是以重金属污染为主的水体的底泥其负荷并非最高，相反有机污染较重 的水体的底泥( 如鱼塘底泥) 磷的释放能力则相对较高，这与其含大量易降解物质有密切 关系4 1 1 。谢丽强等人【4 2 1 对我国部分湖泊底泥的磷含量进行的相关分析也反映出不同外 界环境的水体磷的释放的决定因素也不尽相同。 1 2 4c o d 释放对上覆水的影响研究 国内外学者曾开展过对底泥c o d 扩散规律的研究，取得了较多成果，主要体现在 对于c o d 的释放规律的影响主要体现在溶解氧、温度、p h 等影响因素上。 朱健【4 3 j 等人在研究中发现：水体中溶解氧水平对底泥c o d 的释放有着重要的影 响，厌氧状态下c o d 释放曲线的峰值是好氧状态下的1 6 倍，溶解氧主要是通过影响 微生物活性来影响c o d 的释放在溶解氧充足的条件下，好氧微生物可以利用有机物进 行代谢作用，然后将有机物转化为自身的能量，同时也将有机物分解为c 0 2 和h 2 0 ， 近而降低了底泥c o d 的释放。但是微生物分解吸收有机物速率比较慢，所以，仍有大 量有机物会释放到水体中，使得水体中c o d 含量升高。当水体处于厌氧状态下时，好 氧微生物不能分解利用底泥中的有机物，于是将会导致大量的有机物不断释放至水体 中，使上覆水中c o d 浓度不断升高。然而在常规条件下，当上覆水处于缺氧状态时， 虽然好氧微生物无法正常新陈代谢分解有机物，但兼氧微生物此时仍然可以利用有机 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 物进行代谢，因此，在缺氧条件下，c o d 释放量为介于好氧状态和厌氧状态之间。 相关研究指出【4 3 】温度对c o d 的释放同样存在一定的影响：当温度为2 0 时c o d 的释放量最大，其最大值是温度为5 时的3 5 倍，并且高于当温度为3 5 时释放量的 6 6 ；温度主要对矿物质吸附有机质和微生物活性有不同程度的影响，温度较低时有 利于底泥中的矿物质和有机质之间相互作用力的形成，从而使底泥中的有机质处于比 较稳定的状态，当温度较高时，虽然影响矿物质吸附有机质，但却可以提高进微生物 的活性，微生物在其生长繁衍过程将会使部分底泥释放出的有机质分解，降低c o d 的 释放量，但是由于微生物的生长于繁衍将会消耗水体中的溶解氧，使水体的溶解氧浓 度降低，造成好氧微生物无法进行生理代谢，此时只会有部分兼性微生物可以利用有 机质，因此大部分有机质仍然逐渐释放至水体中。2 0 不但不利于矿物质吸附有机质， 并且也不利于微生物的生长，会导致底泥中大量有机质释放到水体中，造成水体中c o d 浓度大幅度提高。 在相关研究报告中指出：p h 对c o d 释放同样存在影响，p h 为5 左右时的c o d 释放最大值是p h 为1 0 时的1 7 倍，也是当p h 为8 5 时的2 7 倍，因为碱性条件促使 底泥中所含矿物质与有机质之间作用力的建立，有机质被底泥中的矿物质吸附，减少 了c o d 能向水环境扩散的释放量；再有在酸性条件下，虽然底泥中矿物质与有机质之 间的作用力不易形成，有机质将释放到水体中，导致水体中的c o d 大量增加，并且大 部分微生物难以在酸性条件下生长，这也是导致酸性环境中底泥中c o d 极具释放的重 要原因之一。在自然条件下，不但利于底泥矿物质与有机质之间作用力的形成，同时 又有利于微生物的生长，所以自然条件下c o d 的释放量小于酸性和碱性条件下c o d 的释放量。 1 3 本实验的目标、内容及技术路线 1 3 1 研究目标 通过底泥释放污染物实验，研究和预测底泥中污染物的释放对三岔湖水质的影 响。同时通过实验得出上覆水所含污染物浓度后计算出污染物释放量与释放速度，来 进一步研究底泥的释放对上覆水水质的影响程度。并为“三岔湖合作区域旅游城市环境 承载力与建设过程的环保对策研究”课题中水环境容量与承载力的分析提供基础实验 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 数据。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 研究底泥所含污染物在静态条件下向上覆水释放污染物的释放规律，并与 蒸馏水为上覆水样进行对比分析； ( 2 ) 在考虑取样时造成实验水样总量减少的影响下，计算分析上覆水所含污染 物的总量以及单位面积污染物的扩散速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 1 3 3 技术路线 本课题拟采用的技术路线如图1 1 所示： 陌1 1 _ j 图1 1 实验技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章三岔湖自然环境概况及污染现状 2 1 研究对象 2 1 1 三岔湖自然概况 三岔湖合作区域位于简阳市西南部的龙泉山系丹景山脚下、成都市东部近郊，地 跨东经1 0 4 0 1 6 7 2 8 ”至1 0 4 0 2 1 7 o o ”、北纬3 0 0 1 5 74 8 ”至3 0 0 2 27 2 8 ”，距成都主城区6 0 公里，距简阳市区3 1 公里。合作区域包括三岔镇、新民乡、董家埂乡、丹景乡和武庙 乡，共计五个乡镇的4 1 个村2 4 6 个社，2 0 0 8 年全区户籍总人口为5 5 9 7 9 入。 三岔湖又名三岔水库，属都江堰东风渠六期工程中的骨干囤蓄水利工程。这是四 川省水利电力勘测设计院设计，国务院水电部批准于1 9 7 5 年3 月破土动工，1 9 7 7 年3 月 竣工受益的大型人工湖泊。水库主坝位于原金河、蔡河、肖家河汇合处，截流并引都 江堰岷江水源成湖。因建湖前湖心有三岔镇而得名。湖区分属简阳县原建国、柏树、 新民、兴隆、龙云、同福及仁寿县原高家、观音、山峨等9 个乡。 ( 1 ) 地形地貌与地质构造 三岔湖属龙泉山脉的丘陵地带，整个地形北高、南低，属低山浅丘地形，地质构 造简单，地耐力约1 5 2 0 ) a ，地震烈度6 度。 三岔湖地区地貌特征丰富，有湖泊、港汊、岬湾、湖滩、山丘、谷地、半岛、岗 地、平原等，其走向分布和格局构成融洽的自然景观：山、水、岛交相辉映，相得益 彰；湖水清澈，游鱼戏于碧波；湖周悬崖幽谷，层峦叠嶂，山光水色，蔚为壮观。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 2 ) 气候气象 图2 一l 三岔湖七地利用现状图 三岔湖合作区域属亚热带季风气候，温和湿润，雨量丰沛，四季分明，年平均气 温1 7 ，一月最低气温5 4 ，7 月最高气温3 8 7 ，无霜期长；主导风向为西北风 和东南风，年平均风速1 8 米秒。年平均降水量为9 0 6 1 毫米左右，全年降水量分布不 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 均，东半年( 1 1 月至次年4 月) 少，约占全年降水量的1 3 8 ；夏半年( 5 月至1 0 月) 多，约占全年降水量的8 6 2 。从四个季度来看，降水量集中在二、三季度，特别是6 月至9 月的降水量约占全年的7 3 。 ( 3 ) 水文 三岔湖水主要引自泯江，入水口位于三岔湖北端，三岔湖主坝的西北方向。由张 家岩水库引出的南干渠为三岔湖主要的来水通道，南干渠往南延伸，可向资阳市老鹰 水库补充水源，也可汇入绛溪河，最终流入沱江。 三岔湖湖区面积2 7 平方公里，湖岸曲折，形态复杂，湖周长2 4 0 公里，南北长1 8 公里，东西宽7 公里。三岔湖死水位4 5 1 米，防洪限制水位( 汛期最高水位) 4 6 0 米， 正常高水位( 给水期最高水位) 4 6 2 5 ，可能最大降雨洪水位4 6 4 4 ，丰水期和枯水期落 差3 4 米。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 岔潮摊水流入绛溪* ：疆r 型二：曼 鲤j 卢= 森未 膏千鬟 匿e e 要l 目 r 绛溪河支流 )取水口 径流流入 辇区流入 内湾水域 水域 一噩噩玉歪夏1 鹭日e 塞亘流冬茧资千堡：埋卫塑耋堕壅孱朴水 规划范围 图i _ 2 三岔湖范围内水系分布图 图 例 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 4 ) 生物资源 三岔湖合作区域地带性森林植被属亚热带常绿阔叶林带，区内植物种类较多，森 林植被与农田植被相间分布，山坝差异明显。 三岔湖合作区域内野生动物种类丰富，是白鹭、夜鹭、绿头鸭等东候鸟的主要栖 息地，还有3 0 余种水禽、4 0 余种其他小型鸟，其中有十余种鸟类属国家二级重点保护 动物。 2 1 2 社会经济概况 根据现状资料统计，从目前产业经济结构来看，三岔湖合作区域的5 个乡镇基本 上都是以第一产业为主，其中以农业为主，渔业为辅，农业以种植水稻、小麦、玉米、 花生、西瓜、优质水果等经济作物为主，渔业主要为网箱养鱼和库湾养鱼，主要发展 名、优、特、新品种鱼；第二产业基础薄弱但最近几年发展较快；第三产业整体落后， 其中主要是旅游业，目前以农家乐为代表的旅游经营已有一定规模。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 _ 3 三岔湖范围内现状村庄与人口 2 2 三岔湖水库污染特征 2 2 1 主要污染物 根据1 9 8 9 - _ 2 0 0 9 年的三岔湖水质监测数据，三岔湖c o d 和b o d 5 在上世纪九十 年代有所增加，但1 9 9 9 年至2 0 0 9 呈逐年下降趋势，目前已可以达到地表水环境质 量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i i 类功能标准要求；而氮、磷污染则一直处于上升趋势， 与之相应的叶绿素水平逐年升高，而透明度逐年下降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 2 2 污染源现状 ( 1 ) 点源 三岔湖流域内以农业生产和第三产业为主，工业极不发达，没有工业废水排放。 三岔湖接纳的生活废水为三岔镇和旅游区内各个宾馆未经处理的生活污水。 表2 1 三岔湖生活废水排放状况表单位：t 年 项目tn t pc o d c rb o d 5 排放量 8 4 2 8l - 3 6 42 8 01 7 5 ( 2 ) 面源 流域内面污染源，主要来源农田径流及水土流失带来的污染负荷。 区内公肥、农药施用量调查见表2 _ ，施用化肥品种有碳铵、尿素、复合肥、磷 铵、过磷酸钙。农药品种有乐果、稻温灵等2 6 种。平均每亩年施化肥8 7 5 公斤，农药 0 4 3 公斤。 表2 _ 2 流域内农药化肥利用状况单位：t 年 县项目 名称 别 尿素复合肥 碳铵磷肥合计农药 仁实物量 9 2 6 1 7 43 6 3 614 0 66 1 4 23 6 5 寿 折纯量 4 2 64 3 56 5 31 7 5 81 2 9 8 3 亩平( k g 亩) 8 7 0 91 3 33 62 6 5o 7 5 简 实物量 2 7 0 02 1 0 0 4 0 0 06 3 0 u1 5 1 0 06 6 阳 折纯量 1 2 4 25 2 5 7 187 8 7 53 2 7 2 5 亩平( k 亩) 6 62 8 3 84 21 7 40 3 5 - _ _ _ _ _ i _ 一_ - i - - _ _ l _ _ - _ _ l i _ - _ - l _ _ _ - _ _ _ l l i i - _ _ _ - - - _ _ _ i _ - _ - l - l _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ i - - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ i _ _ - - _ - _ - - _ _ i _ l _ l _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ 一 注：化肥拆纯系数 复合肥以2 5 ( n 、p 、k 计)尿素以4 6 m 计) 磷肥以1 2 5 ( p 2 0 5 计) 碳铵以1 7 9 ( n 计) 面源污染负荷，以进入库区水质实测值为计算基础，地面径流，东风渠引水污染 负荷见表2 _ - 3 ，湖面降水污染负荷见表2 - 一4 。 表2 3 地面水污染负荷表单位：t 年 来源水量( 万m 3 ) c o d 衄 b o d 5 总磷( t p )总氮( t n ) s s 地面径流 东风渠来水 4 4 4 1 6 1 1 7 7 9 1 6 3 4 4 4 4 o l j 7 7 1 0 4 o 2 9 3 3 6 5 1 3 0 o 1 5 9 4 1 9 5 7 4 1 2 7 3 2 7 合计 1 6 2 2 0 6 6 0 7 42 2 1 76 5 82 8 9 42 2 3 0 6 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表2 一湖面降水污染负荷表单位：t 年 网箱养鱼对水体污染主要来自残饵及未消化的粪便，散失到水体中的污染物负荷 与湖区网箱养鱼年产量、饵料有关。2 0 0 8 年三岔湖全库共有养殖户7 0 9 户，网箱7 2 9 0 箱( 其中三岔镇养殖户为3 3 6 户，网箱3 8 5 7 箱；新民乡养殖户为2 4 6 户，网箱7 2 9 0 箱；董家梗乡养殖户为1 0 1 户，网箱5 6 2 箱；丹景乡养殖户为2 7 户，网箱1 4 4 箱) ， 网箱面积达到3 7 8 亩。年投饵料6 0 0 0 一7 5 0 0 吨，磷负荷4 2 5 3 吨，氮负荷2 8 8 3 6 0 吨。 2 2 3 底泥对湖水的影响 由上文对三岔湖近2 0 年入湖污染源的分析可知，三岔湖接纳的主要污染源为生 活污水、公肥、农药、地面径流、降水及网箱养鱼自残饵及未消化的粪便。上述污染 源所含的污染物主要为氮和磷。其中网箱养鱼自残饵及未消化的粪便对水体影响最大， t n 占入湖总量的5 0 、t p 占入湖总量的8 5 。网箱养鱼自残饵及未消化的粪便进入 水体后大部分以沉积物的形式沉降与湖底。因此，本课题对三岔湖底泥污染物释放规 律的研究对于摸清三岔湖的水环境承载力及可承受的开发强度是十分必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 1 实验水样 第3 章底泥污染物释放实验 实验水样采用三岔湖入湖口处湖水及蒸馏水。湖水水质分析结果见表3 1 ，由表 可知实验水样的溶解氧较高，总磷、氨氮、c o d c r ，p h 含量能达到地表水水环境质 量标准( g b 3 8 3 8 _ 2 0 0 2 ) 的i 类水要求。t n 含量较高，超过i i 类水的要求。 表3 1 三岔湖入湖口处湖水水质一览表 3 2 实验泥样 3 2 1 采样点位置 采样点位置的选择应能较好的反应三岔湖底泥污染特性，因此在采样点位置的选 择上应遵循以下原则：首先，由上一章三岔湖污染现状可得网箱养鱼自残饵及未消化 的粪便为对底泥影响的主要污染源，因此需选择养殖密度较大区域进行采样；其次， 由于水体流动的影响会对底泥有一定的冲刷作用，因此需选择水流相对平稳区域进行 取样；最后，由于本课题将对三岔湖水环境承载力提供基础数据，因此应选择污染较 严重区域进行实验。根据以上原则，通过对三岔湖水库的现场勘查，确定本次实验采 样点为坐标：3 0 0 1 7 9 3 4 ，n ；1 0 4 0 1 5 4 4 9 ，e ，水深8 2 m 。该采样点为三岔湖养鱼密集区 域。该区域水质较差，水体呈墨绿色，同时在该区域有浓郁的鱼腥气息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 3 2 2 采样方式 图卜l 采样点位图 采用重力型芯型底泥采样器进行采集。芯型重力式采样器主要用途是收集垂直分 布的底泥，并且测定底泥断面污染物的分布参数，进而可反映污染物的积累情况。另 外，芯型重力式底泥采样器对于采集富含有机质、细软的底泥有较好的效果。它由圆 形芯管、套绳和阀门等部件组成。在水深较大、本身重量不够时，可增设铅坠，确保 采样器进入泥层。采样时，底泥会进入圆形芯管中，采样结束后将j 签管去下，将其保 存。缆绳固定于取样器上部，作用为收放采样器。阀门安装于圆形芯管顶部，当采样 器进入采集好泥样后，利用重力使阀门上部丌口关闭，使其产生真空吸力，防止泥样 从芯管中滑出来。 通过观察重力型芯型底泥采样器所采三翁湖泥样主要特征为3 层层序结构：上层 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 为黑色流动浮泥层，中层为黑色污染淤泥层，下层为未受到污染的黄色自然泥层。在 采样过程中人工去除下层为未受到污染的黄色自然泥层，仅保留上层为黑色流动浮泥 层，中层为黑色污染淤泥层。本次实验收集泥样体积为3 0 l ，采集的泥样用有盖塑料 桶盛放。 3 3 实验分析方法 3 3 1 实验项目 p h 。 图3 2 底泥分层特征 液相中的总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、溶解氧( d o ) 、氨氮、化学需氧量( c o d c ，) 、 3 3 2 实验分析方法 总氮：采用g b l l 8 9 仁8 9 水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度发 测定； 总磷：采用g b l l 8 9 3 8 9 水质总磷的测定铝酸铵分光光度法测定； d 0 ：采用溶解氧快速测定仪测定； c o d 凹：采用g b l l 9 仁8 9 水质化学需氧量的测定重铬酸盐法测定； 氨氮：采用g b7 4 7 9 8 7 水