（环境工程专业论文）南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究.pdf

摘要 本文采用模拟实验与现场跟踪相结合的方法对疏浚后的南湖底泥进行氮、磷释放研 究，为南湖水生态修复及城市湖泊科学疏浚提供依据。 首先对疏浚后南湖底泥进行总氮、总磷监测，监测后发现疏浚后南湖底泥中总氮、总 磷含量仍较高，尤其是总氮的含量，这表明疏浚只降低了底泥中总磷、总氮的总量，并没 有降低含量；同时研究了总磷、总氮在水平方向和垂直方向上分布规律，并用线性插值法 估算得到南湖底泥总磷、总氮的总量。 其次，以蒸馏水、自来水为上覆水进行静态模拟实验，研究底泥总氮、总磷的释放规 律。发现这两种上覆水中，总磷、总氮在实验初期均迅速释放，蒸馏水中t p 释放速率为 3 4 1 2 m g m 2 d ，t n 释放速率为4 8 7 m g m 2 d ；自来水t p 释放速率为1 8 3 6 m g m 2 d ，t n 释 放速率为2 5 8 m g m 2 d ，随后迅速降低，最后趋于稳定。这说明自来水中余氯等抑制底泥 中总氮、总磷的释放：扰动模拟实验发现，模拟扰动初期t p 释放速率为3 7 4 1 m g m 2 d ， t n 释放速率为4 4 1 m g m 2 d ，随后迅速降低，最后也趋于稳定，说明模拟扰动也加速底泥 中总磷、总氮的释放。 另外，研究了4 种浮床花卉和1 种沉水植物对底泥总磷、总氮释放的作用，发现抑 制效果明显，上覆水中总磷、总氮指标达到类水质标准，水质明显改善，其中水竹、 美人蕉的t p 分别为o 0 1m g l 、0 0 2m g l ，t n 分别为o 3 3m g l 、o 2 3m g l ，c o d 为4 m g l ，3m g ，l ，说明美人蕉、水竹抑制作用相对较强。 最后对南湖补充自来水后底泥总磷、总氮释放进行跟踪监测，发现底泥疏浚后的底 泥总磷、总氮在补水的初期迅速释放达到较大值，上覆水水质劣于v 类水质标准。 通过对比模拟实验和现场跟踪实验发现，在实验初始阶段两者变化趋势较为一致， 但随着时间延长，两者趋势变化差异较大。 关键词：底泥、氮磷释放、城市浅水湖泊、总磷、总氮 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，t h eu r b a n s h a l l o wl a k ei no u rc o u n t r yi s s e r i o u s l yp o l l u t e di n r e c e n ty e a r s r e c e n t s t u d ys h o w e d t h a te u t r o p h i c a t i o ni nl a k e sc a u s e d b y t h en u t r i t i v em a t t e r r e l e a s i n gf r o m s e d i m e n t s w es t u d i e do nt h ep h o s p h o r u sa n d n i t r o g e nr e l e a s i n gf r o m t h ed r e d g e ds e d i m e n t so f n a n h ui nn a n j i n g w eu s e dt h em e t h o d o f d o i n ge x p e r i m e n t s o u t s i d eo u rl a ba n d m o n i t o r i n gi n t h el a k ef o rg e r i n gs o m er e s u l t sa n d s u g g e s t i o n sa b o u te c o s y s t e m r e c o n s t r u c t i o no f n a n h ua r e a t h e e x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tc o n t e n to fp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e n i nt h e d r e d g e d s e d i m e n t sw a sh i g hy e t , e s p e c i a l l yc o n t e n to f n i t r o g e n w ec a ns e et h a td r e d g i n gr e d u c e st h e q u a n t i t yo f t p a n dt n b u tn o tc o n t e n t w ek n e w t h ed i s t r i b u t i o no f t pa n dt n b ym e a s u r i n g i n h o r i z o n t a ld i r e c t i o na n dv e r t i c a ld i r e c t i o n , a n dw ee s t i m a t e dt h eq u a n t i t yo ft pa n dt ni n n a n h u b ym e t h o d o f l i n e a r i n t e r p o l a t i o n w es t u d i e dt h er e g u l a ro ft na n dt pr e l e a s i n gf r o ms e d i m e n t s 、i 也d i f f e r e n tw a t e r ( d i s t i l l e dw a t e ra n dw a t e rs u p p l y ) i no u re x p e r i m e n t s t h ec o n c e n t r a t i o no f t na n dt pw a s r a i s e du p r a p i d l y a tt h e b e g i n n i n go f o u re x p e r i m e n t ，t h e nr e d u c e d ，a tl a s ts t a b i l i z e & t h er e l e a s e r a t eo f t p w a s 3 4 1 2 m g m z d a n d t h er e l e a s er a t eo f t n w a s4 8 7 m g m 2 d i n d i s t i l l e d w a t e r , b u t t h er a t eo f t pw a s1 8 3 6 m g m 2 d ，a n dt h er a t eo ft nw a s2 5 8 m g m z di nw a t e rs u p p l y , w h i c h s h o w e dt h a ts o m e t h i n gi nw a t e r s u p p l y c a l lr e s t r a i nt h e r e l e a s i n g o f t pa n dt n ，s u c ha sr e s i d u a l c h l o r i n e t na n dt pi n c r e a s e d r a p i d l yw i t hs h a k i n gu pw a t e r a tf i r s t ，t h er e l e a s er a t eo ft pw a s 3 7 4 1 m g m 2 d ，a n dt h er e l e a s er a t eo f t n w a s4 4 1 m g m z d ，t h e nr e d u c e d ，l a s ts t a b i l i z e dt o o b e s i d e sw es t u d i e d4k i n d so fa q u a t i cf l o w e r sa n dl t y p eo fs u b m e r g e dp l a n t t h e yc a n m a k ew a t e rc l e a n ，e s p e c i a l l yc a n l a ，w a t e rb a m b o o t pw a s0 0 1m g ，la n d0 0 2m g l ，a n dt n w a so 3 3m g la n do 2 3m g li nw a t e rw i t hc a n n aa n dw a t e rb a m b o o r e s p e c t i v e l y i n m o n i t o r i n g ，w ef o u n dt h a tt n 、t pa n dc o d w e r er e l e a s i n gf r o ms e d i m e n t sq u i c k l y a f t e rc h a n g i n gt h ew a t e r t h ew a t e rq u a l i t yw a si n f e r i o rt ot h ew a t e rs t a n d a r di no u rc o u n t r y , e v e na f t e rl a k ed r e d g e da n dw a t e rc h a n g e d w ef o u n dt h a tt h et r e n d sw e r es i m i l a ri nt h e b e g i n n i n gb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t so u t s i d eo u rl a ba n do ns p o t w i t ht h et i m ep a s s i n g ，t h e t r e n d sw e r em o r ea n dm o r ed i f f e r e n t k e y w o r d s ： s c d i m e n t s ，t l er e l e a s eo f p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e n ，u r b a ns h a l l o wl a k e ，et n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事 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了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 固扬臣2 0 0 5 年6 月了日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 亟掏艮2 0 0 5 年月7 日 南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究 第一章绪论 l - 1 问题的提出与研究意义 我国的湖泊资源丰富，约有2 万多个湖泊，占世界天然湖泊资源的1 1 0 ，其中大于 l k m 2 的天然湖泊共2 3 0 0 余个【l 】。在众多的湖泊资源中，淡水湖泊比较集中于长江中下 游地区，且该地区绝大多数湖泊为浅水湖泊。湖泊以其巨大的蓄水能力，为我们提供 了供水用水、水利防洪、水产养殖、气候调节等多种利用功能【2 】。 然而，一个时期以来，随着人类活动的加剧及人们环保意识的淡薄，湖泊面临着 水质逐年恶化、富营养化问题日益严重、湖泊萎缩现象日益加剧、生物资源不断退化 以及湖泊盐碱化不断加剧等f 日题。一方面，工、农业的迅速发展和城市化进程，大量 未经处理的工农业废水和生活污水源源不断地排入湖泊水体【3 】；另一方面，人类通过 湖泊围垦造田、湖岸忖砌、水产养殖等破坏湖泊自然生态环境，减少了营养盐输出途 径，结果导致我国许多湖泊都受到严重的污染，且仍有继续加剧的趋势【3 】。湖泊富营 养化是指氮、磷等营养物质大量进入水体，浮游植物建立优势导致水生态系统的结构 破坏和功能异化的过程，它导致水体的溶氧下降、透明度降低、水质恶化、鱼类及其 他生物大量死亡。 营养盐是造成湖泊富营养化的重要原因，营养盐来源按进入途径可分为外源和内 源。外源污染又可分为两大类：点源，来自流域的城镇生活污水和工业污染源排放： 面源，来自流域的农田径流、畜禽养殖、水产养殖及其他面源。随着外源污染的控 制，内源污染日益成为水体富营养化的主要来源。内源污染是由于湖底沉积物中液态 营养盐向上覆水中释放，在动力作用下营养盐再悬浮造成的，在这种因素影响下，即 使大幅度削减外源污染负荷，仍可能引起藻类爆发，所以内源污染成为湖体藻类爆发 的关键因素。据调查，在我国1 8 个主要湖泊中，极富营养和富营养湖泊就有1 4 个，占 8 0 左右。我国的五大淡水湖泊水体中营养盐均大大超过了产生氮、磷富营养化发生 浓度，太湖和巢湖已进入富营养化状态，部分水体己达到严重富营养化。同时，我国 的城市湖泊由于地处城区，被街区包围，大量废水入湖，也无一例外的出现了严重富 营养化【2 1 。湖泊内总磷、总氮等营养盐含量增高，藻类爆发，透明度下降，有害气体 产生，溶氧大量消耗，鱼类死亡，水质日益变差。在很多地区水质性缺水已严重制约 了地方经济的可持续性发展，城市湖泊的发黑发臭已严重影响市民的正常生活，因此 第1 页 南湖疏竣后底泥氮、磷释放规律研究 解决这一系列问题己迫在眉睫| 4 4 l 。 人们己开始探求各种解决途径，截污疏浚、引水变活、生态修复、生态重建等措 施已广泛应用于湖泊污染治理中，也取得了一定的效果。在湖泊治理研究过程中发现 影响湖泊水质的因素较多，即使流域上的外源污染排放降到历史最低点，湖泊富营养 化问题依然突出。例如，r o s t h e r n e 湖截污后，水体的营养盐浓度虽然有明显降低，但 是湖水中叶绿素( c h l a ) 的浓度未降低；芬兰v e s i j a r v i 湖在1 9 7 5 1 9 7 8 年间削减外源污染 ( 磷负荷削减了9 3 ) ，湖水中磷由o 1 5 m g l 降n o ，0 5 m g l 之后，蓝藻水华依然肆虐了十 多年：荷兰的l o o s d r e c h t 湖群自1 9 8 4 年后，磷的输入降到历史最低水平，但其富营养 化程度却未见缓解 1 0 , 1 1 l 。这主要与湖泊中底泥有关，底泥中蓄含着大量的营养盐，动 力作用导致底泥悬浮，使底泥中营养盐释放到湖泊水体中，因而，在污水截污后湖泊 中底泥对上覆水体的污染就成为影响湖泊水质的主要因素。由此可见，湖泊底泥的营 养盐释放是当今湖泊治理研究的重点之一，尤其是对湖泊底泥中氮、磷含量、分布、 迁移转化规律等的研究。由于底泥氮、磷释放是一个涉及湖泊物理、化学、生物等相 当复杂的过程。到目前为止，仍未取得营养盐释放机理性问题的突破性进展，特别是 湖泊疏浚后底泥对上覆水的污染规律研究较少。 基于此，本研究将在国内外研究的基础上，采用露天全自然状态模拟与实际跟踪 相结合的方法，对疏浚后南湖底泥氮、磷、有机物的释放规律开展研究，旨在获得模 拟结果与实际结果的相对一致性与差异性，为城市湖泊底泥的科学疏浚提供理论依 据。 1 2 南湖背景及其现状 图1 2 改造后南湖现状图 第2 页 南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究 南湖位于南京市建邺区，与著名的莫愁湖遥相呼应。全湖总面积约为5 0 0 0 0r n 2 ， 平均水深为1 5 m ，是一个小型的城市浅水型湖泊。六朝时，这里原是长江的一部分， 后来由于长江和秦淮河的河道变迁逐渐形成了湖泊。历史上，南湖与奠愁湖相通，一 南一北，由于近年来城区建设将南湖与莫愁湖划分开来。在上世纪八十年代前，南湖 一直以种植莲藕为主，水体水质较好。八十年代，由于大量知青的返城，在南湖地区 兴建住宅小区，同时为了增加收入开始在湖中养殖鱼虾，使水体水质有所下降。近二 十年来，随着湖泊周边居住人口的激增，周边工业的迅速发展( 制革厂等) ，大量生 活污水和工业废水都排入湖内，南湖也由原来的清水湖逐渐转变为水质较差的污水 湖，且被棚户区层层包围，生活垃圾倾倒湖岸，使得南湖周边环境脏、乱、差，及水 体水质黑臭。南湖水质的恶化严重影响城市的美观和周围人民的居住环境。2 0 0 3 年， 南京市建邺区开始对南湖实施综合改造工程。首先，切断了一切有可能的外源污染， 将所有的排水管都改接入市政排水管网，防止周围工业废水和生活污水的再次入湖。 其次，施工单位于2 0 0 3 年底将全湖湖水放干后清淤，清除上层淤泥8 0 c m ，为了增加 公园的景观以及湖水的生态修复，在南湖周边种植草皮护坡、湖中心修筑瀑布、喷泉， 并预设人工湿地等( 如图1 2 所示) 。改造旅工工程在2 0 0 4 年8 月底已基本完成，施 工单位再次清除了湖中建筑垃圾等表层污染物。8 月2 5 日开始对全湖放入自来水，以 改善南湖水质。 湖泊的综合整治在国内的开展和实施普遍较多，南京的玄武湖、月牙湖等湖泊在 综合整治改造中也使用了截污、清淤及换水等措施。但不久湖水就出现了严重的富营 养化，这说明传统的综合整治方法中存在着一定的缺陷，需要改进。而太湖流域的湖 泊综合整治，利用生态疏浚、种植浮床水生植物( 美人蕉、旱伞草等植物群体) 、湖 泊湿地修复和生态修复等方法，取得了较好的效果【1 2 1 。南湖经过综合整治后究竟将取 得何种效果，有待于我们的实验研究。 我们在南湖清淤后采集底泥进行实验室模拟实验，研究南湖底泥在静态和扰动情 形下，氮、磷释放规律；以及在种植水生植物的条件下，观察几种水生植物对南湖底 泥氮、磷等营养盐释放的影响。同时，我们在南湖放水后次日即8 月2 6 日起，进行 现场跟踪监测，观察南湖底泥氮、磷释放情况。 由于南湖经过了底泥疏浚即环保疏浚，因而湖泊底泥中污染物质以及营养盐的含 量相对减少。 底泥疏浚有利于清除内源污染物，减少底泥污染物向水体释放即减少了水体的污 第3 页 南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究 染负荷。这是一种较为实用的减少湖泊内源负荷的方法。这种方法可以增加湖泊的环 境容量，改善了水质，促进了水生生态环境的恢复，同时也可以产生巨大的社会效益 和经济效益。由于疏浚一般是疏挖上层污染层中的浮泥、流泥，因而疏浚后底泥具有 污染物质及营养盐相对较少，底泥流动性相对变差的特点。 但值得注意的底泥疏浚也有可能会破坏原有的生态系统，特别是疏浚过深将使原 有生态修复更困难。实践证明，在透明度一倍处沉水植物容易恢复，但当湖泊平均深 挖1 5 m ，将湖区水深提高到3 m 以上( 若透明度仅3 0 c m 左右) 则不利于生态修列1 3 】。由 此可见，底泥疏浚也有可能使原有的生态环境遭到破坏，不利于湖泊富营养化的治理。 因此底泥疏浚时，应采用合理的、有效的、科学的疏浚方法。南湖疏浚是否科学、合 理还有待于观测。 1 - 3 国内外研究动态 1 3 1 湖泊水环境中营养元素研究 湖泊系统中营养元素的来源、蓄存、迁移、转换等过程，控制着湖泊水生生态系 统的初级生产力。富营养化过程通常是多种因子共同作用的结果( s t u m ma n d m o r g a n , 1 9 8 1 ) ，然而在诸多因素中必有一种或几种因素的变化是起主导作用的。目前 研究较多的为底泥中氮、磷两种营养元素，也普遍认为这两种营养元素是导致湖泊富 营养化的主要因素。经过长期的研究，人们逐渐认识到，湖泊富营养化的发生主要是 由于水体中“超负荷”的氮、磷等营养元素引起的湖泊水生生态系统初级生产力的异 常发展所致( r e y n o l d s ，19 7 9 ) i o , i i , 1 4 。 湖泊富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 最早是由n a u m a n ( 1 9 1 9 ) 提出的【4 】。湖泊富营养 化现象，实质上是湖水中生产性有机物( 藻类、大型水生植物、某些光能和化学能微生 物、有色原生物等) 利用太阳能和化学能，把简单的无机物( 氮、磷、碳、氢、氧等) 合 成为复杂有机体，从而导致湖泊生物生产增大的过程。这个过程是以“引起生产力增 加的营养盐生物富集”为本质特征的。湖泊富营养化，是湖泊在自然演变过程中的一 种自然现象，是湖泊随着所处的自然环境的变迁，必然要经历的从发生、发展、衰老 到最终消亡的过程。即随着时间的推移，湖泊中的氮、磷等营养物质逐渐积累，湖泊 由营养物质少的贫营养湖向营养物质多的富营养湖演变，最后发展成为沼泽和干地。 第4 页 南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究 概括地说，其演变大体可分为三个阶段，即：初期有机污染阶段、早期富营养化阶段 及深度富营养化阶段 1 5 d 6 j 。不过在自然因素作用下，这种演变的进程非常缓慢，往往 需要几千年甚至亿万年的时间才能完成。然而在人类活动影响下会急剧加速这一过 程，特别是现代生活中人类对环境资源开发利用活动日益增加，工农业迅速发展，大 量的营养物质进入并积累在湖泊中，从而使湖泊在短短的几十年甚至是数年的时间就 能完成这种转变过程。由此可见，湖泊富营养化是湖泊最终发展的一个趋势，其速度 的快慢主要取决于湖泊中营养元素增加的量、速度等等。 湖泊内营养元素尤指氮、磷含量过高，就会破坏湖泊内原有的生态系统平衡，导 致湖泊水体透明度下降，溶解氧含量下降，水体水质变差。因此，氮、磷等营养物质 是湖泊富营养化的主要因素。当湖泊中的氮、磷以有机形式沉积到沉积物表面时，一 系列的物理、化学、生物过程随之发生。研究发现在这过程中，磷的释放是非常明显 的，远远大于氮和碳 埘。但随着研究的不断深入，目前有许多专家认为营养元素氮和 碳的存在形式及转化过程复杂多样，对湖泊富营养化起着主导作用。所以对某一湖泊 来讲，分清底泥释放过程中何种营养盐占主导地位，也是非常重要，十分有意义的， 这对控制湖泊富营养化采取相应措施有着指导性作用。 1 3 2 底泥是湖泊富营养化内污染源 湖泊底泥( s e d i m e n t s ) 即湖泊沉积物，是湖泊生产系统的重要组成部分，是湖泊 营养物质循环的中心环节，也是水土界面物质( 物理的、化学的、生物的) 积极交替带。 湖泊底泥不仅可以间接地反映湖泊水体的污染情况、湖泊水动力状态，而且底泥在外 界水动力因素制约下向上覆水体释放营养成分，影响了湖体水质和富营养化过程。它 是水土界面各类物质的特殊缓冲裁体，是营养物质的聚集库，也是许多浅水性湖泊生 态系统的个性特征之一。 湖泊底泥是自然水域的重要组成部分。湖泊底泥般自上而下分为3 层：第一层 为污染层，为近二三十年人类活动的产物多呈黑色至深黑色；第二层为过渡层，含大量 沉水植物根系及茎叶残骸，结构疏松；第三层为正常湖泊沉积层，一般保持湖区周围土壤 母质的岩相特征，多为粘质夹粉质粘土，质地密实1 1 8 1 。底泥是湖泊生态系统的一个重要 组成部分，是大多数水生植物、动物及微生物的生长地和栖息地，是湖泊水治理中一 个关键。同时湖泊底泥也是湖泊营养物质的一个重要蓄积库，来自不同途径的各种营 第5 页 南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究 养物质，通过一系列物理、化学、生化等作用，其中一部分沉积到湖泊底部，在适当 条件下，底泥中的污染物可能会释放出来成为二次污染源。因此，底泥是湖泊富营养 化的内污染源 1 9 - 2 2 l 。 湖泊底泥中的物理、化学条件易受外界影响而复杂多变，底泥的物质结构复杂， 演化途径多样，这些都给湖泊底泥研究带来很多困难。目前对底泥的污染研究主要集 中在底泥营养盐的释放，也就是氮、磷等营养物质的释放。 底泥释放是指水溶液物理交换作用。由于底泥是湖泊的内源负荷，因而当外源污 染得到有效控制或者完全被截断后，累积于底泥中的各类无机和有机污染物通过与上 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可重新释放出来，污染 上覆水体。许多研究表明，经过数十年的累积，长江三角洲地区湖泊和河流底泥中己 积蓄了大量的耗氧性有机物、氮磷、重金属等污染物，这些污染物在底泥中的含量往 往比自然背景值高出一至几个数量级1 。尤其是在枯水期、高温少雨天气晴好之际， 太阳辐射引起水温升高，底泥发生强烈生化反应，营养盐释放速力加快，伴有甲烷和 硫化氢气体逸出，水体水质下降且产生恶臭，藻类大量繁殖，污染上覆水 2 4 1 ，导致湖 水呈富营养化状态，甚至出珊水华”现象，这样破坏了旅游景观和自然资源。由此可见， 在外源污染得到控制后，底泥释放可能成为首要污染源，其季节性的营养盐释放可使 湖泊富营养化状态维持数十年【2 5 1 ，相关营养盐释放规律的研究，日益成为关注的焦点。 湖泊底泥释放一般发生在浅水湖泊，特别是城市浅水湖泊。这类湖泊面积较小， 水深较浅，湖底平坦，所积累的淤泥较厚，底质中有机质、氮磷等营养物质十分丰富。 由于湖泊面积小、水深浅，加之湖水停留时间较长，水位变化不大，因而湖水普遍流 速较小且无固定流向，湖水的运动主要受风向、风速的影响1 2 6 l 。由此可见，城市浅水 湖泊具有湖泊水浅，流动性较差，底泥污染严重等特点。主要表现在底泥中营养盐氮、 磷含量普遍较高，极易受到外界环境因素的影响而释放出来，例如温度变化、风力大 小、划船扰动等。 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 ( 韩伟明，1 9 9 3 ) 2 7 1 。由于内源负荷磷的影响，西湖引水工程的效果在停机 i o d 后即消失( 吴根福，1 9 9 8 ) 1 2 8 1 。对瑞典一个湖泊的研究表明，在夏季水体总营养量 的9 9 来源于沉积物( r y d i l l a n d b r u n b e r g ，1 9 9 8 ) 2 9 1 。更为重要的是，水体在外源性磷、 氮被截断一段时间后，沉积物中营养的释放能持续发挥作用，使水体继续保持富营养 化状态( ( s o sn ，1 9 8 9 ) 1 3 0 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。 第6 页 南湖疏竣后底泥氮、磷释放规律研究 1 3 3 国内外底泥中氮、磷的释放研究 国内外底泥释放研究主要是在近3 0 年建立发展起来的。 发达国家在河流水体改善方面虽然取得了相当的成功，但对底泥的污染控制方面 却不容乐观。美国已发生了2 l o o 次鱼类消费问题，多次证实污染来自底泥，e p a 调查 了1 3 7 2 处底泥质量，数据证实有9 6 处存在底泥恶化问题【3 i i 。国内也发现了由于底泥中 污染物释放，使得底泥成为二次污染源。经研究发现杭州西湖内源污染已达到外源污 染负荷的4 1 【”1 ：安徽巢湖内源污染负荷是外来负荷的2 1 ；而云南滇池中8 0 的氮 和9 0 的磷都来自底泥( 3 舶。这使得底泥释放研究逐步建立起来，成为湖泊生态系统研 究的重要内容之。 国外学者专家是从上世纪7 0 年代开始对底泥中营养盐释放进行研究，国内专家 也潜心研究了十多年。近年来，随着人们对河流、湖泊水质恶化探究后，有很多专家 学者已经在关注河流湖泊底泥中营养盐释放与富营养化的关系机理。因而近年在学术 和实践中都取得了很大成果，并得到了一些较为成熟的理论。 对底泥释放的研究，人们较为关注的是湖泊中风浪的作用，这也是底泥释放的一 个较为直接的原因。例如k r i _ s t e n s e n 等在1 9 8 8 年8 月对丹麦一个浅水湖泊观测发现， 当风速由4 m s 矗1 增加到1 0r l l s _ 1 时，水中悬浮物( s s ) 浓度由5 0 m g l 一1 增加到l o o m g l - i , 总磷浓度由0 3 m g t l 一1 增加到0 8 r a g l _ 1 【3 3 1 。国内也有人研究风浪对底泥释放的影 响，例如秦伯强、范成新等通过在太湖开展的风浪与底泥悬浮的野外观测，结合分层 采取水样并分析水体中溶解性营养盐的浓度随深度的变化结粟，发现在水土界上的上 覆水中营养盐浓度有突然增加的现象，指示着沉积物对上覆水营养盐浓度有影响。对 沉积物中 l 隙水营养盐浓度随深度的变化分析，发现了沉积物孔隙水中营养盐浓度变 化与氧化还原环境的关系。结合水动力作用，提出了大型浅水湖泊水动力作用导致底 泥悬浮，从而使得底泥中的可溶性营养物质释放这一内源释放的概念性模式【3 4 】。 但国外的湖泊一般以深水湖泊为主( 湖泊水深一般在2 0 m 以上) ，底泥营养盐释 放不是导致湖泊富营养化的主要因素，风浪等条件变化也较难引起底泥的抗动。相反 国内则大部分湖泊都是浅水湖泊，而且有一部分是城市浅水湖泊就极易受到外界条件 变化的影响，引起底泥中氮、磷营养盐的释放。：并且我国的湖泊富营养化问题越来越 严重，使得我国的许多专家学者对富营莠化的湖泊、河流、水库等底泥进行了释放模 拟实验，主要研究的内容包括底泥释放的水动力学研究、底泥释放影响因素以及底泥 第7 页 南湖琉浚后底泥氮、磷释放规律研究 营养盐释放特点等等。因而，研究浅水湖泊底泥中氮、磷营养盐释放规律符合我国的 实际情况，这些研究对我们采取措施控制湖泊富营养化提供了理论依据，也为我们研 究湖泊富营养化机理等起到指导性作用。 国内底泥营养盐释放研究是在近几年内得到了飞速发展。研究也在国内众多湖 泊中展开，例如太湖、西湖、滇池以及巢湖等富营养化较为严重的湖泊。目前底泥氮、 磷释放研究在国内主要有中科院地理所的范成新、濮培民、秦伯强等人。范成新等人 于1 9 9 8 年选采用柱状芯样模拟法并结合孔隙水扩散模型法对骆马湖沉积物氮磷释放 负荷进行模拟，结果得到氮释放速率为7 _ 3 - - 7 7 9 m e d ( m 2 d ) ，磷释放速率为o 0 5 4 - - 0 5 3 1 m ( m 2 d ) ，用代表性季节温度得出全湖的氮磷释放总量分别为：氮( 1 1 1 3 2 士 7 1 3 ) t a ；磷( 1 2 5 0 士o 9 5 ) t a 。采用间隙水浓度扩散模型计算的氮磷释放量分别为： 氮1 1 0 4 7 v a ；磷u 2 9 a 。表明两种计算结果较为接近【3 5 1 。张丽萍、袁文权等于2 0 0 2 年用模拟试验方式对清华大学附近的沼泽化湖泊近春湖和校河的底泥污染物释放分 别进行了研究，主要研究了在不同扰动条件下，底泥耗氧速率、氮和磷污染源释放动 力学过程。研究发现底泥在受到扰动时对水体溶解氧的消耗速率是未受扰动时的1 0 倍左右。底泥氮和磷元素在厌氧状态加快释放，底泥扰动也明显加速释放过程速率， 但是释放出来的磷也可能重新被底泥吸附。耗氧速率高的底泥具有更大的氮磷释放潜 力，同时微生物数量在底泥污染物释放动力学中起者关键性作用，底泥扰动和颗粒界 面吸附过程等都会显著影响污染物的释放动力学过程 3 2 1 。 随着人们对底泥营养元素释放研究的不断深入，研究范围和内容等也有了很大扩 充。例如范成新等于2 0 0 3 年和1 9 9 8 年用柱状芯样模拟法通过控制条件，改变疏浚深度、 时间等分别模拟城郊污染湖泊五里湖和玄武湖底泥疏浚前后内源负荷变化，发现底泥 疏浚可在短期内使内源污染负荷得到一定程度的抑制，由于疏浚方法所造成的疏浚质 量差异将对底泥内源控制效果产生影响；随着颗粒沉降、动力扰动和生物转化等生物 地球化学过程的持续作用，内源回复现象将有可能逐步出现，其回复的速度主要与疏 浚方式、新生表层界面过程变化有关，沉积物中较高的营养物和有机物含量本底对底 泥界面过程和营养物再生起促进作用i 姗。 底泥中营养盐的释放存在着显著差异，不同湖泊营养盐释放情况也不同，湖泊的 现状决定着湖泊营养盐种类及其释放形式。根据r e d f i e l d 的假设，一个典型藻类的分 子式应为( c h 2 0 ) 1 0 6 ( n h 3 ) 1 6 ( h 3 p 0 4 ) ，也就是说，临界的氮磷比按元素计应为1 6 ：l ，按 重量计应为7 2 ：1 ，从理论上讲，如果氮磷比小于该比值，氮将限制藻类的增长：如果 第8 页 南湖琉浚后底泥氪、磷释放规律研究 氨磷比大干该比值，则可认为磷是藻类增长的限制因素p 7 1 。因而湖泊中哪种营养元素 对富营养化起控制作用关键在于湖泊内部氮磷比例关系。 1 3 3 1 底泥中磷的释放研究 底泥中磷的释放是底泥释放营养元素中最早开始研究的、研究也最为普遍。 大量的研究表明，磷是湖泊富营养化的主要限制因子( a n d r e w a n d s h a r p l e y , 1 9 9 4 ； c o r r e l l ，1 9 9 8 ) f 3 e 捌。世界经济合作与发展组织( o e c d ) 富营养化执行部主任，加 拿大湖沼研究中心活伦威德博士认为，根据o e c d 的研究，8 0 的湖泊富营养化受磷 元素的制约，1 0 的湖泊富营养化与氮元素和磷元素直接相关。在缺磷的状态下添加 碳、氮营养元素，水体的初级生产力没有明显的变化；当发生磷富集时，水体中的藻 类能够利用大气中的碳和氮而使其初级生产力显著地提高( s c h i n d l e r , 1 9 7 7 ；s h a r p l e y a n dc h a p r a ，1 9 9 4 ) 4 1 a 2 。o e c d 将富营养化的限制范围定在3 3 1 0 0 肛g l 总磷；英国国 家环境署规定，静止的水体总磷浓度达8 6 斗g 几时，水体即处于富营养化( u k e n v i r o n m e n t a l a g e n c y ，1 9 9 8 ) 4 3 】。这说明只要水体中有很低浓度的磷都可能对藻类和大 型植物数量产生重大影响。 磷( p ) 在湖泊环境中的赋存、迁移和转化等过程，对湖泊生态系统的初级生产力水 平具有重要意义。在自然条件下，与其它构成生命的所必须的营养元素f 如碳、氢、氧 和硫) 相比，磷通常是湖泊生态系统的限制性营养元素，控制了湖泊生物初级生产力水 平。磷是一种极具生物活性的元素，它通常只以五价形式存在于水体中。在多数自然 水体p h 条件下，溶解无机磷的主要形式是正磷酸盐离子：h 2 p o ；或胛谚一，它是为生 物直接利用的形式。在正常湖泊水体中，很大一部分磷( 总量的7 0 9 0 呦是以有机磷或 被生物细胞组织吸收的无机磷形式存在的 3 0 l 。在水体中经常发生颗粒固相的磷溶解释 放过程和颗粒固相吸附溶解磷的过程，因此水体中磷的实际存在形式可能较复杂。 底泥中磷的释放，在国内外研究较为成熟，较为普遍。一般对磷的释放研究主 要是采用模拟释放实验，主要通过控制实验条件，通过改变其中某一种条件，来研究 底泥中磷的释放。1 9 9 4 年傅庆红、蒋新利用分级提取的技术研究了太湖五里湖内底泥 中磷的形态，并且在厌氧和好氧条件下，改变p h 值研究了底泥对水体复磷。通过试 验研究发现，五里湖底泥中主要是无机磷，可溶性磷易释放，但占总释放不多。对湖水 复磷主要是铝磷和铁磷。p h 值对磷的释放影啊比较大，当p h 值高时，释放显著。 第9 页 南湖疏渔后底泥氮、磷释放规律研究 d o 的影响由于其它因素的作用而不很明显。隋少峰、罗启芳研究了武汉东湖底泥 的释磷特点时运用动态实验方法，研究结果表明：升高水温和扰动上覆水均能加运磷释 放。上覆水中性时0 h = 7 4 ) ，底泥释磷量最低；在较高或较低p h 值时，底泥释磷量倍增。 厌氧条件下底泥释磷量是好氧条件下的3 0 倍【4 5 】。河海大学的李勇、王超也对南京玄 武湖底泥磷释放特性作了研究，得出了溶解氧、p h 值、温度、扰动等环境园子对底 泥释放的影响曲线【”。 国外也有较多专家研究了底泥磷的释放。研究发现，好氧和厌氧条件对营养物释 放速率的影响被认为非常重要。s p i n 等人1 4 6 】认为，永体底部的溶解氧可决定磷在水 土界面交换中的转换方向。好氧条件，沉积物一水处于氧化状态，三价铁离子与磷结 合，以磷酸铁形成沉积，释放受到抑制1 4 7 j 。厌氧条件，沉积物中的磷向水体扩散。 b a u d o 等人【4 鄙认为，厌氧条件，不溶性的f e ( o h ) 3 变成可溶性的f e ( o 目2 ，使与铁结 合的磷大量释放进入水体，至少对浅水湖泊可加速其富营养化。但多数研究者认为， 除厌氧条件释放磷外，好氧条件也释放磷，只不过释放量较小f 4 7 ，4 8 一。另外丹麦科学 家j e n s e n 对丹麦1 0 0 多个湖泊底泥中铁和磷调查发现，底泥中总铁含量与总磷含量呈 显著正相关，而湖泊上覆水中总磷浓度却与沉积物中铁磷含量比成负相关【5 0 】。 此外还有较多研究底泥中磷释放的例子，但研究内容主要围绕改变温度、p h 值、 好氧厌氧条件及底泥动态复水( 扰动条件) 等内容展开。 1 3 3 2 底泥中氮的释放 由于过去普遍认为磷是湖泊富营养化的限制因子，因此对底泥中氮的释放相对 于磷的释放研究要少的多。 目前对氮释放研究主要是研究总氮、氨氮以及硝酸盐氮的研究。薛联青、吕锡 武等分布式采集了玄武湖底长期暴露的底泥，分析了底泥营养物的分层分布及其理化 特性对湖泊水质的影响强度。通过动态换水试验，研究了复水过程中暴露底泥营养盐 的释放过程和上覆水总磷、总氮浓度变化对水一土界面物质交换的作用关系以及对水 体富营养化程度的影响机制。实验及模拟表明：由于湖泥表层长期暴露，有机及结合 态营养盐降解为无机态营养盐，即使复水过程中使用清水，但由于干涸湖床沉积物总 磷t p 、总氮t n 的垂直分布，也将严重导致内源营养盐释放总量持续增加，在相对长 时间内，上覆水总磷浓度仍维持在较高f r o 1m l ) 水平。由氮的释放实验分别得到泥 第i 0 页 南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究 柱组释放入水中t n ，氨氮具有相同的变化规律，释氮速率比释磷慢。表层底泥组释放 入水中的t n ，氨氮变化稳定，即浓度稍有增加后再逐渐减小。表层底泥组释氮量有时 高于泥柱组，但释氮比释磷过程受扰动影响小得多i ”i 。胡雪峰等对上海市郊河流底泥 研究释放规律。研究表明：厌氧条件下，底泥n h s - n 释放速率和释放量高于好氧条件， 培养液n h 3 埘可在较长时间内维持峰值水平：通气条件下，由于硝化作用较强，培养 液n - h s - n 含量达到峰值后，迅速下降。在通气培养试验中，n h 3 一n 含量在前期都表 现为快速增长，至中期达到峰值，到后期则表现为下降。在通气培养的前期，好氧微 生物大量生长，底泥释出的有机质被快速分解生成n h 3 和c 0 2 ，使培养液中n h 3 的 浓度迅速增加。但在通气培养的后期，随着有机质的耗尽，大部分好氧微生物因缺少 有机营养物而死亡，n h 3 的释出量减少：再加上既有的n i - 1 3 在好氧和微碱的条件下迅 速硝化，使培养液中n h 3 - n 的含量迅速减少。在厌氧培养条件下，有机质多为厌氧分 解。厌氧环境不利于硝化作用的进行，因而释出的n h 3 n 可在溶液中稳定较长时间【5 2 l 。 厌氧培养后期，n h 3 - n 略有下降，可髓与n h 3 被胶粒吸附沉淀，移出溶液有关。国 外也有人对底泥氮的释放进行了研究。例如，w i l l i a me j a m e s 等将底泥暴露于空气中， 通过脱去底泥中2 0 、6 0 、9 5 的水分研究在各种状态下底泥中硝酸盐氮亚硝酸盐 氮、氨氮释放的影响。研究发现y 雹_ 7 1 ( 后底泥降低了硝酸盐氮亚硝酸盐氮、氨氮的释放 速率。由研究结果看出，底泥中氮的存在形式通过底泥的脱水、水合作用下在不断改 变，同时也影响到大型水生植物的生长【5 3 l 。 研究发现，氮的存在、转化形式复杂多样，主要与好氧、厌氧条件有关。在好氧 条件下，有机氮分解为氨氮等无机氮，在一定条件下，氨氮还可以转化为硝酸盐氮、 亚硝酸盐氮等。因而氮在水体中存在着多种价态形式，要比磷只以五价存在要复杂得 多。 1 4 底泥氮、磷释放的理论基础研究和分析 底泥中氮、磷释放理论主要是通过数值模拟得到了一些较为成熟的理论。主要以 水体中磷的释放研究较多。例如马生伟5 邮等用数值模拟的方法研究了太湖水体中t p 分布特征及湖流对其影响。根据控制方程： 在忽略t p 与生物量转换的条件下，描述浅水湖泊中t p 浓度时空分布的水平二维 控制方程可以写为 第l l 页 南湖疏浚后底泥氮、磷释放规律研究 百a c + “瓦a c + v 考一 l f 一： , 铲0 x 2 + b 矿0 2 c 厂 n ，一百p = 。 ( 1 ) 其中，c ( x ，y ，r ) 为t p 浓度( k g m 3 ) ，u ( x ，y ) ，v ( x ，y ) 分别为湖流在x ，y 方向的分量( 州s ) ： e ，b 分别为x ，y 方向的扩散( 包括扩散、弥散等过程) 参数( m 2 s ) ；h ( x ，y ) 为湖 水深度( m ) ：k ，a p 分别为t p 沉降系数( s 1 ) 及单位面积底泥的t p 释放速率( k ( m 2 s ) ) 。 推导、建立了一包括平流、水平扩散、沉降和底泥释放的浅水湖泊中污染物( t e ) 浓度分布计算的二维迎风有限元数值模式，并在给定若干点源条件下计算各种稳态流 场下太湖水体中的t p 分布。初步揭示了其分布特征及影响因素，探讨了湖流对太湖 水体中污染物( t p ) 输移扩散过程的影响。总结出了不同水域t p 浓度分布的不同主要 控制因素。 对于湖泊底泥中磷的解吸动力学模型，一般常用一级反应动力学、二级反应动力 学、抛物线扩散，修正的e l o v i c h 公式及双常数速率公式来描述。a m e r 【5 5 1 等用阴离子 交换树脂法研究土壤磷素释放动力学，表明释放速率不受树脂性质影响，而只取决于 固相磷的溶解速率。c h i e n 【5 6 谰e l o v i c h 方程模拟磷酸盐