（环境工程专业论文）城市湖泊底泥污染释放规律及在水质模型中的应用.pdf

摘要 城市浅水湖泊在城市生态环境中起着重要作用，湖泊底泥的污染严重影响了水 环境治理的进程。加强沉积物中污染物质释放规律和控制方法的研究，对修复湖泊 生态系统具有重要意义。水环境模拟是规划的重要技术手段，但是模拟过程中很多 参数的确定存在困难，或者估算出的参数不符合实际，因此参数的确定方法需要改 进。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过玄武湖沉积物柱状芯样室内模拟实验，归纳和总结了温度、溶氧、p h 值等环境因素对湖泊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 关系进行了定量化研究。 ( 2 ) n 过对实验数据的统计分析，分别遴选出对各污染物释放影响较大的因素， 依据沉积物水界面物质交换机理，拟合并汇总得出以各环境因子为参变量的沉积物 污染静态释放速率计算公式，进而得出水质模型中的底泥静态释放系数。 ( 3 ) 建立与底泥耦合的二维湖泊水质模型，结合底泥静态释放系数，对玄武湖引 调水方案进行预测研究。通过计算结果与实测数据的对比分析，对模型进行率定和 验证。 本文的研究有机联系了物理模拟和数值模拟，为模型参数的确定提供了一个新 的思路；同时本文也较为详尽地分析了环境条件对沉积物释放的协同作用效果，可 以为湖泊内源的控制提供决策依据。 关键词：城市湖泊底泥沉积物静态释放系数水质模型 a b s t r a c t s h a l l o wl a k e s p l a y i n g a ni m p o r t a n tr o l ei nu r b a ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，b u t p o l l u t e ds e d i m e n tb l o c kt h eh a r n e s s i n gp r o g r e s so fa q u a t i ce n v i r o n m e n t i t ss i g n i f i c a n t f o rr e s t o r i n gl a k e e c o l o g i c a ls y s t e mt os t r e n g t h e nt h e r e s e a r c ho fr e l e a s er u l ef r o m s e d i m e n ta n dc o n t r o lm e t h o d s n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni so n eo f i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si n w a t e rr e s o u r c ep l a n n i n g ，t h ep r e c i s i o no f m o d e lc a n n o tb ee n s u r e db e c a u s ei t sd i f f i c u l tt o a s c e r t a i nt h ev e r a c i t yo f p a r a m e t e r s ，s o m e w a y s m u s tb ec r e a t e dt oi m p r o v ei t t h em a i nc o n t e n t sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e l e a s i n gp r i n c i p l eo f l a k es e d i m e n ta r cs u m m a r i z e dt h r o u g ht h es i m u l a t e d e x p e r i m e n to fp o l e c o r es a m p l ei nx u a n w ul a k e ，a n dr a t i o ns t u d yo nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n r e l e a s i n gr a t ea n d f a c t o r sa r ea l s ot a k e no n ( 2 ) t h r o u g h t h es t a t i s t i c sa n a l y z eo f t e s td a t a ，w ec a ns e l e c tt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t t h e r e l e a s i n g r a t e m a r k e d l y a n de d u c et h ee q u a t i o n s b a s e do ni n f l u e n c i n gf a c t o r s a c c o r d i n gt o t h ee x c h a n g ep r i n c i p l eb e t w e e nw a t e ra n ds o i l ，t h e nt h es t a t i cr e l e a s e c o e f f i c i e n tw i l le a s i l yb eg a i n e d ( 3 ) at w o - d i m e n s i o nw a t e rq u a l i t ym o d e l ，w h i c hc o u p l e dw i t hs e d i m e n t ，w a s a d o p t e dt of o r e c a s tt h ee f f e c to f w a t e rd i v e r s i o ni nx u a n w ul a k e t h ep r a c t i c a b i l i t yo f s t a t i cr e l e a s ec o e f f i c i e n tw a sv a l i d a t e db yc o m p a r i n gt h ec o m p u t e rr e s u l ta n dm o n i t o r i n g d a t a t h i sp a p e rp r o v i d et r a i no ft h o u g h t st oa s c e r t a i nt h ec o e f f i c i e n t sb yr e l a t i n gt h e p h y s i c a l a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n d a l s o a n a l y s e s t h e c o o p e r a t i v e e f f e c to f e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so ns e d i m e n t r e l e a s i n g ，i n o r d e rt o p r o v i d eg i s t f o r d e c i s i o n m a k i n go n t h e c o n t r o l l i n go f e n d o g e n e s i s i nl a k e k e y w o r d s ：u r b a n l a k e s ；b e dm u d ；s e d i m e n t ；s t a t i c r e l e a s ec o e f f i c i e n t ； w a t e r q u a l i t ym o d e l 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) ：年月日 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) ： 年月日 第一章绪论 1 绪论 1 1 问题的提出和研究意义 湖泊是自然景观的一个重要组成部分，除了淡水、盐类、矿物和旅游资源外， 湖泊还具有调节江河径流、灌溉农田、发展水利、沟通航运以及繁殖水产之利，它 与人类的生产生活和娱乐息息相关。当前湖泊面临着的五大环境问题，即富营养化、 有机污染、西部湖泊盐碱化、生态破坏以及湖泊萎缩等问题。 城市湖泊系指位于我国一些大中城市市区或近郊的小型湖泊。由于地处人口稠 密、经济繁荣的大中城市，城市湖泊常具有观光游览，调节气候等方面的作用，因 而在国民经济中占有十分重要的地位。城市湖泊一般面积较小，水浅，湖底平坦， 底质中有机质、氮、磷等营养物质丰富。湖岸大多经过人工整治，岸线较为整齐， 湖泊水位受人工调控，因而不同年份，或同一年内不同季节水位变化甚小。湖泊水 源除了来自所在流域的地表径流和湖面降水的补给之外，大部分来自城市工业废水 和生活污水。由于湖泊面积小，加之湖水滞留时间较长，水位变化不大，因而湖水 的流速普遍较小且无固定的流向，湖水的运动主要受风向和风速的影响。受地质影 响，大多数城市湖泊水质偏碱性，湖水透明度低，有机物和营养盐类含量较高，水 生植物以浮游藻类为主，大型水生植物较少见，存在不同程度的水质污染和富营养 化问题。由于城市污水中夹带的泥沙和垃圾等杂物不断进入水体、湖水中大量死亡 藻类残体的沉积以及风景区的环境管理不善，致使我国大部分城市湖泊的淤积问题 越来越严重。大部分湖泊的水深仅有1 - 2 m 左右，湖底淤泥逐年加厚，如南京玄武湖， 1 9 5 4 年全面疏浚后，当时湖泊平均水深近2 m ，至1 9 8 8 年湖底地形的重新测定表明， 湖泊平均水深只有1 3 5 m ，湖泊的淤积速度可见一斑 1 】。相对于淤积问题，淤积后的 底泥对湖泊水体的污染问题显得更为关键。 湖泊沉积物是水体生态系统的重要组成部分，是入湖的各种营养物、污染物的 主要蓄积场所。浅水水体沉积物是许多底栖生物的生活场所，也是水生生态系统中 物质、能量循环中的重要环节。沉积物中氮、磷和有机质向水体的释放可以给水生 生物提供丰富营养来源，释放量过多则会造成水体富营养化，水生态系统退化；许 多有机有毒化学物质在生物体内具有累积性，威胁到人类生命或产生“三致效应”： 河海大学硕士学位论文 通过各种途径进入水体的重金属很容易被水体悬浮物或沉积物所吸附、络合或共沉 淀，从而在水底的沉积物中富集，重金属的富集对水生态系统威胁很大。国内外实 例证明，外源得到控制后，内源的影响仍然会使水体的污染状况持续下去。因此， 了解湖泊沉积物营养物质特征、水土界面行为以及沉积物中污染物质释放规律和控 制方法，对维护湖泊生态系统的健康状况是非常重要的。 玄武湖是一个典型的小型城市湖泊，流速慢而封闭、湖体置换周期长、污染胁 迫压力大，生态系统自我恢复能力较差。近年来已经基本将外源污染切除，且经过 多次综合整治，采用了包括截污、引调生态用水稀释、部分底泥疏浚、恢复生态多 样性的生态工程等各种手段，但是玄武湖的水质依然呈严重富营养化，内源污染释 放显然是不可忽略的因素，从玄武湖的内源污染构成看，沉积物的营养盐释放应该 属于主导因素，因此有必要加强玄武湖内源释放规律和释放量的研究。 点源的污水排放、非点源的大气沉降和地表径流注入、湖泊水生生物的死亡堆 积，会使湖泊沉积物中的污染物质逐步富集起来，形成湖泊的内源负荷。底泥与上 覆水之间不停地进行着物质交换，溶解于水中的污染物含量在很大程度上受底泥的 影响，而界面物质交换往往受许多因素的影响，包括温度、p h 值、溶氧水平、界面 氧化还原状况、微生物、底泥中物质存在形态和水体扰动，另外还受湖泊水化学组 成、藻类、有机质含量及类型，甚至盐度等 2 1 。探索各影响因素对沉积物物质释放 的影响机理和影响程度具有重要意义。从众多因素中筛选出主要影响因素并把沉积 物中污染释放量和释放速率进行定量化，并引入模型中进行水质预测模拟，则具有 较强的应用价值。 污染物进入水环境后，由于物理、化学和生物作用的综合效应，其行为的变化 是十分复杂的，很难直接认识它们。这就需要用水质模型( 水环境数学模型) 对污染 物在水环境中的行为进行模拟和预测，以便给出全面而清晰的变化规律及发展趋势。 运用数学模型，能够根据流域水体的水文水质历史资料，按其发展变化的规律，模 拟和预测未来情况，为水环境的合理利用和管理提供决策支持。数学模型具有精细 模拟水体运动情况、经济省时，可自由选择方案而不受实际条件限制的优点，因此 发展相当迅速。 第一章绪论 在城市湖泊综合整治中，水环境模拟常作为一个重要技术手段，但是湖泊沉积 物一水界面的物质交换比较复杂，影响因素也较多，在模型中沉积物对水体的影响 经常被简化，最初采用沉浮系数表示上覆水与沉积物的物质交换，物理概念上较为 笼统，包含了沉积物对上覆水体中物质的吸附、扩散释放以及颗粒沉降引起的水体 浓度变化等等，后来交换过程逐渐被细化，从物理意义上分解成具有明确意义的两 部分，即静态释放项和冲刷后悬浮沉降项。然后各部分再分别寻找合理的取值方法， 以使得这些确定方法具有足够的理论依据和实验基础。所以本文以沉积物污染释放 实验为依托，进一步探索水土界面物质交换规律，通过实验估算沉积物释放量，找 出底泥污染物释放速度与各主要影响因素的相关关系，拟合得出的基于各影响因素 的释放率计算公式，然后把底泥静态释放系数引入模型中来，从而解决了模型参数 取值难、参数不随环境条件变化等问题，为模型的精确模拟提供了条件，也为模型 的参数取值提供了新的思路。 1 。2 沉积物污染释放的研究进展 湖泊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。 黄绍基【3 】采用了质量衡算法，通过对所有出入湖量收支平衡调查，从而估算出 湖泊内源负荷，该法在没有沉积物释放数据时可以参用，但对于外源复杂的湖泊计 算误差则较大，且不能知道潮区内源分布。随着湖泊富营养化问题的日益突出，湖 泊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。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【4 】，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p 1 、 搅拌器、环形水槽嘲等很多种，但是此法由于采样和实验过程中都难以保证不破坏 河海大学硕士学位论文 原沉积物的表层物理状态，因此这些研究往往作为定性依据，常用于研究底泥释放 与影响因素的关系，其分析结果可作为定量研究时的参考。 b o e a s l 7 采用柱状原样室内模拟的方法进行模拟，该法可在基本不破坏沉积物性 状，保留沉积物垂向分层特征，且可在许多控制条件( 如p h 、溶解氧、光照、扰动 等) 下进行模拟，目前应用较多，但受采样仪器限制，模拟体系体积通常不大( 小于 3 l ) ，易产生壁效应。韩伟明等【8 】试图在实验系统内维持接近包括生物循环在内的自 然循环，采样后立即开始实验，并保持自然光照和搅动水层，通过测定上覆水中的 氮磷增量来推算释放速率，但实际上因为模拟实验系统太小而很不稳定，搅动水层 会引起沉积物表层的颗粒态氮磷的再悬浮，如果生物因素也不能排除的话，那么实 验受干扰因素就太多，平行性和可重复性就很差，常由于藻类衰减撮到负释放。于 是一些研究者【9 】尝试把一些因素分离出去，给这个实验提供了新的思路。实验前先 把瞬息万变的颗粒态悬浮物和浮游生物滤除，并避光培养，防止藻类生长，只计算 正磷酸盐( p o 矛 p ) 、氨氮( n h 4 + - n ) 、硝态氮( n 0 3 邶、总溶解氮( d a n ) 和总溶解磷( d t p ) 的释放强度。李文朝等 1 0 还采用此法作长期预测性实验，方法基本同上，先培养使 系统稳定( 2 3 周) ，实验周期较长，用于长期释放预测研究。长时间的柱状原样模 拟可能使模拟体系偏离实际生态系统，鉴于此，m a r k e r t 等【1 1 采用了水下原位模拟法， 可在不移动沉积物的情况下进行实时模拟，环境条件最接近于实际情况，但环境条 件不能改变，且必须采用柔性围隔保持湖水原有动力状况，持续时间长易产生缺氧， 费用也较大。韩伟民等尝试用刚性围隔实验系统，但系统很不稳定，与自然环境相 差甚远。 在模拟实验中，底泥释放机理的研究常侧重于污染物释放与影响因素之间的关 系，或者通过释放速率估算内源对湖泊的整体负荷，未能将污染物释放对上覆水水 质的影响定量化。因此，在对释放机理研究的同时，底泥污染对水质的影响也逐渐 被引入水质模型中来。1 9 6 9 年v o l l e n w e i d e r 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 1 2 1 0 t o h u 等【1 3 】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到1 4 】，还要掌握沉积物和界面上物质在固液中 4 第一章绪论 的量及垂直分布 9 1 ，其应用受到很多局限。于是l a r s e n 等【1 5 】人和w e l c h 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。 a h l g r e n 【l6 j 已经证实n o r r v i k e n 湖在底质负荷减少以后，底质释放磷的速率也会随之 减小。为了更加直接地表述底质动态变化对湖泊磷负荷的影响，一些学者在他们的 模型里增加了一个底质模块单元，如l o r e n z e n 等人【1 7 】构建了一个底质水相互作用 的二单元总磷模型，尽管该模型能较好地模拟底质对湖泊磷浓度的反馈效应，但它 还有几个难以克服的缺点：从未构建任何估算模型参数的清晰程序；第二，磷的加 速反馈机制是否与厌氧湖泊底部水体有关仍不明确，其假设底质水相互作用发生在 整个底质中也不合适。 w a s p 5 1 8 】也是使用广泛的生态动力学模型之一，包含三个独立的模拟程序 ( d y n h y d ，e u t r o ，t o x i ) ，都能够独立运行，其中e u t r 0 5 包括8 个变量，构 成4 个相互作用的系统：浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶氧平衡。同样可 以考虑沉积物与水体的物质交换，对底泥的模拟有两种选择，一是仅模拟上覆水的 网格计算，底泥的释放量直接输入；二是水体和底泥分别建立网格计算，底泥网格 考虑沉积藻类的分解和有机质降解，并考虑两网格之间的物质交换，但是两网格之 间的交换量只是达到了物质输送平衡，没有基于交换的机理得出交换量。褚君达【1 9 】 则建立了底泥冲刷悬浮沉降情况下的水质模型，考虑了底泥的静态释放和冲刷情况 下的浓度变化，但是水质变化方程未与底泥浓度耦合求解，静态释放速率的确定也 是给定的实验数据，不随时间和环境条件变化。因此，尽管很多模型里面已经考虑 了底泥对水质的影响，但是并未将底泥释放率随环境条件变化考虑进来。 根据底泥释放的机理，以及底泥释放速度与主要影响因素的相关关系，得出基 于这些因素的底泥释放速率计算公式，使得释放速率随环境条件的变化而变化，并 通过水质模型将底泥对上覆水水质的影响定量反映出来。本文正是基于这一思路作 了一些尝试性的工作。 1 3 沉积物污染释放的影响因素 1 3 1 沉积物磷释放的影响因素 河海大学硕士学位论文 沉积物中磷释放的影响因素很多口0 1 ，除温度、p h 、溶氧水平、界面氧化还原状 况、微生物、底泥磷形态，水体扰动之外，还有湖泊水化学组成、藻类、有机质含 量及类型，甚至盐度等。磷的释放同时受多种因素的影响，多种因素之间也相互影 响，释放量的变化取决于它们综合作用的结果。 温度：温度对沉积物磷释放的影响常通过间接影响反映出来 b 】。温度升高，有 利于提高物质活性，各种物理、化学、生物反应( 如扩散、有机质降解等) 的速率加 快。尹大强等1 2 1 1 认为在未超过适宜温度时，升温还会提高藻类和微生物的活性，微 生物能将沉积物中的有机磷分解为无机磷，而且把不溶性磷化合物转化成可溶性磷， 代谢速度的加快也使有机质加速降解口2 1 ，从而导致沉积物的释磷量增加。冬季湖水 温度的下降常引起沉积物氧化还原零电位的下移，氧化层的增厚阻止了间隙水中磷 的释放。 p h 值：王晓蓉等【矧、韩伟明等 2 4 】通过实验都得出结论，水体接近中性时镁盐、 硅酸盐、铝硅酸盐以及氢氧化铁胶体都参与对磷的吸附，沉积物中磷的释放量最低； 若水体偏酸性时，能促进钙磷的释放，但f e p 0 4 ( f 盼g i 磷铁矿) 和a i p 0 4 ( 块磷铝矿) 仍 是稳定的固相，可溶性磷主要以h 2 p 0 4 形态存在，此时底泥吸附作用也较大，底泥 内源磷的释放比中性增长不大；而水体偏碱性时，则以h p 0 4 z 一的形态存在，高p h 情况下有利于o h 。置换出磷酸根离子，生成多种水溶性的磷化合物，而使更多的底 泥内源磷释放到上覆水体中。 水体中p h 会显著影响磷的赋存形态口5 1 。在天然水体和地质中，铁、铝、钙等 是最普遍存在的金属元素，可溶性的无机磷容易与c a 2 + 、f e 、a 1 3 + 等形成难溶性的 沉淀物，磷酸盐的阴离子则容易被铝矾土、高岭土或蒙脱石吸附，也会被新沉淀的 氢氧化铁、氢氧化铝胶体吸附。磷酸基团同固体晶格中的金属离子之间有形成化学 键的强烈趋向，聚磷酸盐吸附在粘土上形成化学结合，这些磷酸盐的溶解度和化合 态的变化常受p h 值控制，因此沉淀一溶解和吸附一解吸是影响磷化合物的重要过 程，影响着磷元素在水中的溶解度和磷的生物循环。o l i l a 等【2 叼认为p h 对铁、铝磷 和钙磷的作用机理不同，效果也不一致，非钙质湖泊吸附磷的能力显著大于钙质湖 泊。底泥中除可溶性磷，铁结合磷对底泥释磷有较大影响外，有机态磷在底泥的释 6 第一章绪论 磷中也起重要作用，有机态磷、无机多聚磷等在水中溶解态碱性磷酸酶的催化作用 下可转化为可溶性磷酸盐【2 7 1 。 溶氧和氧化还原电位：d o 和e h 影响沉积物释磷主要是通过影响铁、锰氧化物 和硫的氧化还原以及微生物新陈代谢来实现的。w e t z e l 等2 8 1 发现，在厌氧条件下， 表层沉积物及沉积物表面还原电位低，铁、锰氧化物易被还原从而溶解度增大，其 吸附固定的磷被释放出来。而且厌氧微生物对磷需求量少，有更多的磷可以解吸出 来，释放到上覆水层。d ，a n g e l o 等【2 明认为，若间隙水中s 2 - 浓度较高，可与f e 2 + 反 应生成f e s ，f e s 对磷的吸附能力较小。而在好氧条件下，铁、锰氧化物被氧化后溶 解度下降，易生成f e ( i i i ) 的沉淀胶体，而c u 、m _ n 等物质能对这一过程起催化作用， 加速铁的氧化。 4 f e “+ 8 h c o s 一+ 0 2 + 2 月：0 斗4 f e ( o h ) 3 山+ 8 c 0 l 新生成的氢氧化铁与水相互作用，有效地利用水分子的氢键，交链结合形成不规则 的沉淀物质得到胶凝状的絮凝物质，其强烈的吸附絮凝能力将磷酸盐吸附在表面， 互相覆盖形成包裹体，成为闭蓄态的铁磷而沉降积累在底泥中f 3 0 1 。同时好氧微生物 新陈代谢需磷量较大，也不利于磷的释放 3 1 , 3 2 】。 藻类：1 9 9 4 年b r o o k 等 3 3 】研究认为藻类会直接影响磷的释放，也会通过其它各 种因素间接影响。藻类对磷的吸收使上覆水磷浓度下降，维持间隙水与上覆水之间 的磷浓度梯度，从而有利于沉积物中的磷向上覆水扩散，释放的磷为藻类的进一步 繁殖提供营养源，藻类生长与沉积物释磷相互促进 2 3 ，” 。藻类亦可通过影响p h 和 d o 而间接影响释磷，其光合作用消耗c 0 2 使上覆水p h 升高，同时放出0 2 ，使上 覆水溶解氧出现过饱和现象；死亡后的藻体被微生物分解时则会消耗d o 从而降低 溶氧水平。此外，t u o m i n e n 认为f 3 5 1 ，硅藻属细胞分解后释放出的s i 可与p 竞争f e 、 a l 氧化物表面的吸附位点而使磷吸附量下降。对于硅藻含量较高且铁、铝氧化物吸 附为主要固磷机制的水体，p h 较高时s i 与p 的竞争吸附也是促进p 释放的重要机 制。 扰动：表层沉积物的扰动是浅水水体释磷的一个重要机制。由于自然因素( 如 风浪、生物扰动) 或人为因素( 如船行波等) 引起的扰动可使表层沉积物再悬浮，表层 底泥直接进入上层水体，大大增加了传质速度。李剑超5 1 通过实验研究认为，此时 河海大学硕士学位论文 较深层的底泥中高浓度污染物可以直接进入水体，释放量远大于悬浮物上磷的解吸 量，使得上覆水浓度快速增大，成为一些水体沉积物磷释放的主要动力。张路等f 3 7 】 则认为，底泥悬浮后引起的解吸释放对磷的释放影响较大，当底泥受水动力搅动向 水体释放磷达到一定程度后，可能进入一种磷释放“枯竭”状态，此时底泥和悬浮 物与水体之间的磷达到了一种动态平衡。只有水体中磷含量降低，底泥中磷的释放 才能进一步进行。 底泥磷的释放潜力并不完全由磷的总量决定。有研究表明，总磷含量较高但以 重金属污染为主的河段的沉积物其负荷却并非最高，有机污染较重河段的沉积物( 如 鱼塘底泥) 磷释放能力则明显较高，这可能与其含大量易降解有机质有关闭。谢丽强 等3 8 1 对我国部分湖泊底泥中磷含量和水柱中磷含量、磷负荷进行的相关分析也说明 不同地理环境的湖泊磷释放的决定因素也是各异的。 1 3 2 沉积物氮释放的影响因素 国外对氮在沉积物一水界面的迁移、转化和循环进行了许多研究2 9 39 1 ，建立了 较为系统的沉积物氮循环模型h 明；国内对氮的研究侧重于面源流失【4 l 】和水体中各形 态氮的分布规律【4 2 1 ，沉积物中或界面氮的行为研究相对较少，水土界面氮的迁移转 化规律的研究仅限于对n i - h + n 和n 0 3 - n 表观溶出速率( 量) 的估算m j ，戴树桂等 曾对沉积物中氮的主要迁移转化过程及转化模型进行了初步研究。 氮在湖泊沉积物水界面间的迁移和交换是一个十分复杂的生物化学过程，吴丰 昌4 5 1 认为沉积物氮循环主要发生在沉积物表层2 c m 内，在沉积物一水界面及其附近， 可溶性n 0 3 浓度明显降低而n h 4 + 浓度则显著增大，这暗示了在沉积物- 水界面发生 着强烈的氮循环，杨龙元等 4 6 1 对实验分析认为n i - h + 有可能随浓度梯度通过孔隙水向 上扩散迁移，而n 0 3 则自上覆水体向沉积物内部扩散迁移，沉积物可能是湖泊n 0 3 主要的清除场所。沉积物中氮主要以有机氮为主，但含量有差异。湖泊中的氮主要 以颗粒有机氮的形式进人沉积物的，含量高低与湖泊的污染和营养程度有关p 5 1 。易 降解有机氮在异养微生物作用下易降解、铵化，生成的n t - h + - n 可以被粘土矿物所 吸附而成为可交换态n h 4 + - n 、进入间隙水、重新被微生物同化为有机氮或者扩散至 沉积物氧化层而氧化成n 0 2 - n 和n 0 3 - n 。沉积物中可溶性和可交换性氮含量反映 了湖泊的污染水平口9 1 。 第一章绪论 硝化和反硝化作用是沉积物水界面氮迁移和交换的主要形式。在富氧条件下， 沉积物库中的有机氮化合物经降解作用，生成n 0 3 、n 地+ 等无机离子扩散进入上覆 水体中，提高水体n 的营养水平；另一方面，上覆水体中的n 0 3 了也能反向扩散进 入沉积物的厌氧层中，在反硝化细菌的作用下，还原产生n 2 0 、n o 和n 2 等气体物 质，散逸进入大气库中，退出水体生态系统氮循环，降低水体n 的污染负菏。s e i t z i n g e r 等f 4 6 】认为，通过沉积物厌氧层内的反硝化作用，以n 2 0 、n o 和n 2 等无机气体等形 态去除的内源性n 负荷，可达湖泊外源性氮输入总量的一半以上。1 9 8 1 年b u r e s h 等 4 7 1 研究认为，n 0 3 - n 除了会发生反硝化，还可能被还原为n h 4 + - n ( d i s s i m i l a t o r yn 0 3 。 r e d u c t i o nt on h 4 + ，d n r a ) 或者同化为有机氮( a s s i m i l m o r yn 0 3 。r e d u c t i o n ，a n r ) ， a n r 过程受到高浓度n h 4 + 的抑制，因为微生物在合成代谢中更倾向于利用n h 4 + 。 特定条件下，d n r a 和a n r 过程可能取代反硝化而成为主导过程。 影响沉积物有机氮降解的因素有温度、d o 及有机质的生物可降解性等。刘培 芳等4 8 1 认为温度的高低对降解速度有影响，温度较低时深层沉积物的降解几乎停滞。 n h 4 + 的释放与沉积物类型有关，沙性物质含量高的低潮滩沉积物n h 4 + 的释放量明显 低于沙性物质低的高、中潮滩沉积物。m o o r er e d d y 4 9 1 认为，好氧和厌氧条件下 均可进行n 的降解。厌氧条件下，有机物降解速率比好氧条件下慢，但由于厌氧微 生物对n 的需求量小，厌氧条件下以n h 4 + 的形式释放的无机n 通常比好氧条件下 多，n h 4 + - n 常在还原层中积累，而且大部分以交换态形式存在【4 l ；在缺氧条件下， 铁、锰氧化物也可作为n h 4 + - n 氧化的电子受体，产生n 2 0 、n o 和n 2 等气态化合 物【5 0 】；在好氧条件下，上覆水和沉积物氧化层中的n h 4 + - n 易被表层的硝化细菌氧 化为n 0 2 - n 和n 0 3 。- n 。 1 3 3 沉积物有机质的释放 沉积物有机质是水体生物的主要营养源，一方面有机质的释放也受到各种环境 因素的影响，另一方面有机质的降解扩散等过程也会影响营养成分在沉积物与上覆 水间的浓度梯度，从而改变其从沉积物向上覆水的扩散速度。河流沉积物中有机质 主要来自外源，湖泊既有外源输入，也有内源生产。有机质含量高的湖泊沉积物， 其释放是水体有机碳的主要来源，可以占到9 0 以上【5 l 】。m a c h i w a 等网认为有机质 的降解受多种因素影响，包括外界的环境条件、生物作用及自身结构特性等，水体 9 河海大学硕士学位论文 污染状况、固化程度和沉积厚度都会对沉积物的降解产生影响。微生物的参与对有 机质降解起重要作用。水质污染则会影响分解微生物的活性，有机质的固化程度高 也不利于降解【5 3 ，m o r r i s 和b o w d e n 【5 4 1 的模拟实验认为降解主要发生在表层约2 c m 厚的沉积层。 n e w m a n 等研究了有机p 向无机p 转化时的影响因素，碱性磷酸酶活性( a p a l 与沉积物pe + p h 正相关，与孔隙水中胡敏酸的浓度负相关。沉积物孔隙水中可溶 性活性p ( s r p ) 的浓度除受有机质输入的影响，同时还受f e ( i i ) 浓度、细菌活性及水 深的影响，沉积物中n l - h + - n 和可溶性磷的释放通量是沉积物有机质降解速率的函 数。宋静5 6 1 发现西湖沉积物溶解性有机碳( d o c ) 的释放速率随着上覆水p h 的升高明 显增加，然而在厌氧和好氧条件下释放速率均下降。 1 4 本文主要研究内容及技术路线 通过实验研究底泥污染物在水土界面释放的规律，找出影响底泥释放速率的主 要环境因素。根据多因素对沉积物污染释放的协同作用和综合影响，参考底泥的吸 附释放机理以及浓度梯度紊动扩散传质公式，利用统计分析方法，建立基于这些主 要影响因素的底泥静态释放速率计算公式。根据计算公式得出湖泊水质模型中底泥 静态释放系数，并应用于玄武湖平面二维水流水质底泥污染耦合模型。 1 4 1 本文主要研究内容及创新点 ( 1 ) 多因素协同作用下的城市湖泊沉积物释放规律研究 沉积物释放的影响因素因沉积环境不同而各异。氮磷作为水生植物生长的必需 营养元素，沉积物中的含量与水体营养程度密切相关，因此在水土界面氮磷行为的 机理和沉积物释放的定量模拟方面都是研究的热点。在前人研究的基础上，本文采 用柱状原样沉积物室内模拟实验，采集南京玄武湖各湖软泥区具有代表性的样点， 进行城市湖泊沉积物一水界面氮磷交换规律的实验研究。分析不同温度、溶解氧、 p h 值等环境因素对湖泊沉积物氮、磷等释放的影响机理，研究各因素对沉积物氮、 磷释放的协同效果，并估算各湖区沉积物释放速率和释放量，为计算湖泊内源负荷 提供依据。 f 2 ) 沉积物释放速率计算公式拟合 1 0 第一章绪论 对于影响沉积物氮、磷、总有机碳( t o c ) 释放的各因素进行了综合探讨。将实 验结果作为多组样本，通过数据的统计分析，从众多因素中遴选出对释放影响较大 的因素，依据释放率随这些因素的变化关系，拟合汇总得出以各影响因子为参变量、 释放率为因变量的沉积物静态释放速率计算公式，并用其它未列入分析样本的实测 数据对公式进行合理性校验。 ( 3 ) 沉积物污染释放速率计算公式在水质模型中的应用研究 由静态释放速率计算公式得出水质模型中底泥静态释放系数，并引入南京市玄 武湖水质综合改善研究课题组建立的玄武湖水流- 水质一底泥耦合模型，在有限体积 法的框架下应用o s h e r 格式黎曼近似解计算模型中各跨单元边界的数值通量，进而 求得方程的数值解。利用玄武湖的实测资料，对引调水方案水质模拟结果进行率定 验证。 河海大学硕士学位论文 1 4 2 本文技术路线 图1 4技术路线图 第二章沉积物污染释放的模拟实验 2 沉积物污染释放的模拟实验 2 1 玄武湖概况 南京玄武湖属天然小型浅水城市湖泊，位于南京老城区东北部，是著名钟山风 景区的一个重要组成部分，以景观旅游为主，兼具水产养殖、滞洪和调节气候等功 能，是城市生态建设中重要的一环。玄武湖湖泊面积为3 7 k m 2 ，l o m 水位时平均水 深约为1 1 4 m ，最大水深2 3 1 m ，湖区被五洲( 梁洲、樱洲、翠洲、菱洲、环洲) 和湖 堤分成北湖、东南湖及西南湖。三湖区间有桥孔相联，但水力交换能力较弱。地区 气候属于暖湿的亚热带，全年平均风速3 r i g s ，多年平均气温为1 5 4 。c ，年平均水温 为1 7 2o c 。玄武湖沉积物积聚较快，表层沉积物主要是粘壤土质淤泥，具有较强的 吸附能力 1 。 2 1 1 沉积物的分布特征和组成 南京玄武湖底泥较厚，1 9 9 7 年疏浚前平均已达7 0 c m ，表层沉积物显灰黄色， 呈糊状，i o c m 以下颜色稍浅，呈粘土状，颗粒细，手感滑腻，有臭味，为含沙泥质 淤积物，富含有机质。由于疏浚方式和疏浚程度的不同，疏浚后各湖区表层泥产生 一定的差异。 n ) 沉积物的平面分布 对玄武湖水下地形监测表明( 图2 1 1 ) ：玄武湖软泥分布区为北湖局部未疏浚区 及原生态修复区，西南湖局部近东南湖区，东南湖全湖区。北湖表层泥样呈黄褐色， 引水之后受冲刷影响表层会积聚较厚的浮泥，含水率很高，湖心及西北湖区基本为 沙层覆盖；东南湖表层泥亦呈黄褐色，厚度约6 c m ，下层为黑色，基质为黄棕壤： 西南湖最小，流动性和连通性较差，承担较多水上旅游任务，表层泥多受人工影响， 只在和东南湖连通处有软泥区，泥层为灰色，上层稀下层为流塑状。 翌堕堕堂堡圭兰垡丝苎 图2 1 1 南京玄武湖水下地形图 本次实验在玄武湖各湖区的四个采样点( 样点布设见图2 2 1 ) 表层3 c m 沉积物理 化性质见表2 1 1 ，除北湖x 1 点外，各湖区表层沉积物理化性质差异不大。 表2 1 1 各测点表层3 c m 沉积物理化性质 项目x lx 2x 3x 4 含水量( ) 6 0 6 97 4 8 87 4 3 27 8 1l 孔隙率( ) 7 6 1 28 5 7 l8 6 5 08 8 4 7 有机质( ) 7 4 7l l ，9 01 3 0 01 3 ，9 7 p h 7 9 58 0 18 0 58 4 3 t n m g 廷1 1 2 5 13 5 9 11 2 5 01 0 3 8 t p m g k 9 1 7 3 37 9 58 l l7 8 3 ( 2 ) 沉积物的垂直分布 各湖区沉积物含水率、孔隙率和烧失率见图2 1 2 。 一一墨三兰塑篓望要塑登垫塑堡垫塞鉴 图2 1 2 各湖区样点沉积物性质 各湖区沉积物表层均具有较高的孔隙率和有机质含量，随着深度增加，均快速 下降，在约5 c m 以下时，变化则较为缓慢，物理性质差异不明显。北湖区x 1 点沉 积物有别于其它三个样点，孔隙率和含水率都比其它湖区低十几个百分点，烧失率 相差更为明显，表明北湖清淤后，表层沉积物理化性质与其它湖区差异较大。 ( 3 ) 沉积物中各形态磷的组成 河海大学碗士学位论文 底泥中各种污染物形态及比例对上覆水体的环境有重要影响。在玄武湖底泥磷 中，f e - p 成份占有较高的比重，与其周围土壤为黄棕壤和石灰土有关。玄武湖地质 中磷的赋存形态包括可溶性磷( d p ) ，铝结合磷( a t ，p ) ，铁结合磷( f e p ) ，钙结合磷 ( c a - p ) ，闭蓄态磷( o p ) 等，其中无机磷含量占总磷的7 5 3 左右，在无机磷中闭蓄态 的磷酸铁盐占总磷的4 0 ，其次c ap 占2 0 ，可溶性磷酸盐( f e - p + a i - p )1 2 ， 其它形态磷含量很少，在1 以下【2 9 1 。 ( 4 ) 各湖区沉积物上覆水水质 本次实验前玄武湖各湖区四个采样点的上覆水水质见表2 1 2 。 表2 1 2各测点上覆水水质 项目x lx 2x 3x 4 p h 8 0 68 0 37 7 17 5 6 n h 4 + - n n a g l i 0 2 40 1 60 2 50 1 8 p 0 4 3 - p m g l 。1 0 0 l10 0 1 20 0 1 80 0 0 4 t n m g l “ 1 2 8 90 9 6 10 6 9 80 ，7 5 9 t p m g l 1 0 0 5 80 0 4 60 0 3 50 ，0 3 8 n 0 3 - n r a g l l 0 ，4 8 50 3 6 0 0 4 0 2 0 ，7 6 5 n 0 2 - n n a g l - 1 0 0 4 50 0 1 6o 0 0 30 3 t o c r n g l 1 5 5 0 26 8 3 16 8 6 87 7 1 6 t c m g - l “ 1 9 ，8 8 12 2 5 1 22 2 4 7 02 8 。4 5 7 从各指标可以看出，玄武湖水质基本达虱 i i i 类水水质标准。 2 1 2 沉积物间隙水物质含量的差异性 由于各湖区底泥的形成差异和受人为影响程度的不同，沉积物的理化性质和间 隙水成分亦具有一定的差异性；而各湖区疏浚历史并不一致，同一湖区疏浚也并不 均匀，因此表层沉积物组分有差异，其中的间隙水物质含量也会有差异，从而可能 导致释放速率和释放量的在各湖区的差异性。在各样点采集沉积物柱状样品各两根， 一根立即切割分层，带回实验室待分析；另一根带回实验室做模拟释放实验，实验 后同样切割分层，经离心机离一t j , ( 4 0 0 0r r a i n ，2 0 m i n ) 后得间隙水，间隙水中各物质 浓度测定结果见表2 1 3 至表2 1 - 7 。 第二章沉积物污染释放的模拟实验 表2 1 3 各样点模拟实验前后间隙水n i - 1 4 + - n 含量变化( 皿g l 。1 ) 泥样x1 x 2x 3x 4 深度 实验前实验后实验前实验后实验前 实验后实验前实验后 0 1 0 7 7 71 1 3 30 6 2 0 1 5 9 81 3 0 42 0 5 90 7 2 11 5 4 6 1 - 2 0 5 7 93 1 8 80 3 8 71 0 5 6 0 5 1 42 4 3 91 ，0 6 30 8 0 1 2 - 3 0 5 0 43 4 0 l1 3 4 91 5 1 8 o 3 8 81 7 1 51 0 6 40 5 7 1 3 - 4 0 6 8 87 1 8 41 4 8 2 1 2 8 91 3 4 53 5 7 l2 1 5