（环境科学专业论文）湖泊水体营养物含量对沉积物再悬浮及沉降过程的响应.pdf

a b s t r a c t l a k et a i h ua n dl a k ed o n g q i a n h uw e r es e l e c t e dt ob e i n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r p h y s i c o c h e m i c a lc h a r a c t e r so ft h es e d i m e n ti n7s i t e so ft h e t w ol a k e sw e r e a n a l y z e d p r o c e s s e s o fs e d i m e n t r e s u s p e n s i o n a n d s e t t l e m e n tw e r es i m u l a t e di nt h el a b c h a n g e so ft h ec o n t e n to fn u t r i m e n t s i nt h e o v e r l y i n gw a t e r ，r e s p o n d i n g w i t h t h e p r o c e s s e so fs e d i m e n t r e s u s p e n s i o na n ds e t t l e m e n t ，h a v eb e e na n a l y z e ds y s t e m i c a l l y p h y s i c o c h e m i c a lc h a r a c t e r so ft h es e d i m e n ti n d i c a t et h a ta sf o l l o w s ， g r a n u l a r i t yo fs e d i m e n ta f f e c t st h eq u a n t i t yo fs u s p e n s i o n t h ed e e p n e s s o fc o r r a s i o nc o n n e c t sw i t ht h ep o r o s i t ya n dt h ew a t e rc o n t e n to ft h e s u r f a c el a y e r ss e d i m e n t t h ec o n t e n to fb i o a v a i l a b l ep h o s p h o r u so ft h e s e d i m e n ti nd i f f e r e n ts i t e so fl a k et a i h u ，m e n s u r a t e db yt h em e t h o do f f e o c a k l ，c o n s is t sw i t ht h ed e g r e eo fe u t r o p h i c a t i o ni nd i f f e r e n ts i t e s i ts h o w st h a tt h ep h o s p h o r u s s a v a i l a b i l i t yi s t h em o s t l y l i m i t i n g f a c t o ro fp h y t o p l a n k t o n sg r o w t hi nw i d ew a t e ra r e a s t h ec o r r a s i o nd e p t hc o n d i t i o n e do nd i f f e r e n ts t o r m yw a v e si sl e s s t h a n2c e n t i m e t e r n o r m a l l y ，m o r es t r o n g l yt h a tt h es t o r m yw a v e s d i s t u r b ， t h em o r en u t r i e n tm a t t e r sw i l lr e l e a s ef r o ms e d i m e n tt ot h eo v e r l y i n g w a t e r e x c e p ti nt h es t r o n g w i n dp e r i o d ，h y d r o p h y t ee n h a n c e dt h es t a b i l i t y o ft h es e d i m e n t ，a n dr e d u c e dt h ea b i l i t yo fs e d i m e n tr e s u s p e n s i o n f u r t h e r m o r e ，d r e d g i n gr e d u c e dt h ec o n t e n to ft h es u s p e n s i o ni nt h ew a t e r e v i d e n t l y t h es u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e ro fl a k et a i h ua n dl a k ed o n g q i a n h u s i n k st ot h eb o t t o mi nf l o c c u l a t i o ns t a t e i nt h ep r o c e s so fs e t t l e m e n t ， e x c e p tf o rt h a tt h e s e d i m e n to fe a s t l a k et a i h up u tu pm u c hs t r o n g e r a b i l i t yo fa d s o r p t i o n ，t h es e d i m e n to fo t h e rs i t e sr e l e a s e d m o r en u t r i e n t m a t t e r st ot h ew a t e rm o m e n t l y ，a f t e rt h a t ，t h ec o n t e n to fn u t r i e n tm a t t e r s i nt h eo v e r l y i n gw a t e rr e d u c e ds l i g h t l yt oal e v e lo fs t a b i l i z a t i o n i n t h e p r o c e s s e s o fs e d i m e n tr e s u s p e n s i o na n d s e t t l e m e n tt h en u t r i e n t i l c o n c e n t r a t i o ne n h a n c e ds u d d e n l y ，w h i c hs h o w e dt h a t d y n a m i cf u n c t i o ni s t h em o s t l yd r i v ef u n c t i o no fs e d i m e n tr e s u s p e n s i o na n dn u t r i e n tm a t t e r s r e l e a s i n gi ns h a l l o wl a k e k e y w o r d s ：s e d i m e n t ：r e s u s p e n s i o n ：s e t t l e m e n t ：s t o r m yw a v e s j 本论文得到江苏省自然科学基金：太湖藻类遥感定量模型及暴发机理 研究( 编号为：b k 2 0 0 2 0 6 7 ) 的资助，以及国家自然科学基金重点项 目：太湖流域富营养化控制机理研究( 编号为：5 0 2 3 9 0 3 0 ) 的资助。 学位论文独创性声明 本人所肇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己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)迕缝煎晒年f 月r 7 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、中围学术期 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) 聱绰 玎年厂月，7 同 l 绪论 1 1 内源污染问题研究意义 沉积物是湖泊及其流域中营养盐及其他污染物的重要归宿和蓄积库，若从长 尺度的时间来考察沉积物，它是一个“汇”。但对于短时间尺度而言，沉积物既 可以是湖内营养盐及其他物质的源，也可以是汇。这种源汇角色的转变尺度和程 度则主要取决于湖泊沉积物及其上覆水体的物理化学和生物特性的改变。在这种 源汇角色的转化中，沉积物一水界面处发生的物理、化学以及生物的过程至关重 要。考虑到沉积物一水界面是湖泊系统中物质交换和进入水体的主要场所之一， 因此，对这界面开展的研究一直是湖沼学和湖泊生物地球化学的熏要研究内 容。 中国是世界上水资源总量最大的国家之一，年地表水资源约2 6 8 0 k m 3 ，居巴 西、俄罗斯、加拿大之后，列世界第四位。然而我国人口众多，人均水资源量仅 2 5 2 0 m 3 ，远低于世界平均水平，人均拥有的淡水资源量在总人口1 0 0 0 万以上的国 家中，仅排列第3 4 位。1 9 9 8 年联合国已将我国列为1 3 个缺水大国之一。与水资源 需求急剧增长相矛盾的是，我国可利用水资源量因地表水污染等原因而迅速减 少。据统计，满足我国工业和生活的年用水量为! 2 0 0 亿m 3 ，占总用水量的2 1 经工业和生活使用过的水大多为废水或污水，如此高的废水产生率对流域接纳水 体水质必然产生不良影响。监测表明，我国可供饮用的河湖水源水质已在逐步下 降、营养程度逐渐上升，其中七大江河的一级支流己普遍受到污染，二、三级支 流则更为严重；东部和云贵地区部分湖泊、以及城郊湖泊大都已呈富营养化状态。 湖泊作为陆地水文系统中重要的组成部分，它与社会发展和人类生活息息相 关。特别是淡水湖泊，其提供的淡水资源，是人类重要的可利用资源之一。它不 仅是人类重要的饮用水源，而且还具有调节径流、防洪航运、农业灌溉、水产养 殖和观光旅游等重要功能。人类对湖泊的利用历史非常悠久，同时湖泊的开发和 利用也促进了周边地区的社会经济发展，可以说湖泊对人类的贡献十分巨大。但 是目前，世界上很多淡水湖泊都面l 临着富营养化的威胁，特别是一些经济较发达 的地区，由于人口和经济发展所带来的环境压力导致湖泊富营养化问题越来越严 重。我国自上世纪8 0 年代来，随着改革开放的深入，社会经济状况的发展，工农 业排放的废水成为湖泊水体中重要的污染来源。由此造成湖泊的功能受到极大的 损坏，功能的退化和水质性缺水的矛盾越来越突出。 长江中下游地区是我国浅水湖泊集中的区域，这些浅水湖泊发育在长江中下 游洪泛平原上。由于它们的形成和发展与营养盐演化密切相关，因此大部分湖泊 自然营养本底较高，即使在没有人类活动大量输入营养盐的情况下，随着湖泊的 自然演化，其营养水平也会达到较高水平。因此，长江中下游湖泊在近代人类活 动的强烈干扰下，普遍出现了富营养化问题。而且这些湖泊处于长江中下游经济 较发达地区，这些湖泊对于国民经济和社会发展的重要性尤其显著，而这些湖泊 目前普遍受到了湖泊水质恶化，富营养化程度加重的影响，其生态环境和社会经 济敦益严重受损。为了改善这些浅水湖泊的水质，恢复它们原有较稳定健康的生 态系统结构，对浅水湖泊内源负荷，特别是对沉积物内源负荷的研究具有重要的 意义。如太湖在经历了“达标排放”，“零点行动”等外源控制措施后仍然处于 较高的营养级别，藻华频发，一个重要的原因就是沉积物中氮磷营养盐的内源性 释放。 底泥污染是湖泊污染的重要研究内容之一。也是世界范围的一个突出环境问 题。作为湖泊生态系统的重要组成部分，底泥不仅是湖泊营养物质循环的中心环 节，而且也是营养物质的主要聚集库。通过大气沉降、废水排放、雨水淋浴与冲 刷等各种方式，大量的污染物进入湖泊水体，其中一部分沉积到底泥中并逐渐富 集，使底泥受到污染。从国外来看，莱茵河流域、美国的大湖地区、荷兰的阿姆 斯特丹港口、德国的汉堡港等，底泥污染均十分严重 l j 。我国城市河流底泥中也 积累了大量耗氧性有机污染物、重金属、氮磷和各类优先有机污染物，其含量往 往比背景值高出一至几个数量级4 】。作为湖泊污染物的主要蓄积库，底泥不仅 可以直接反映水体的污染历史，而且在一定条件下可向上覆水体释放各种污染 物，是影响河流水质的重要二次污染源。在点源污染得到有效控制以后，底泥就 成为湖泊水体污染的主要来源之一【”。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浓度在很大程度上要受到底泥的影响n 当底泥未被扬动 时，底泥中的污染物主要从表层沉积物向上覆水扩散和分解，对水质的影响较小： 而底泥一旦被扬动。较厚层底泥中的污染物将会大量囱水体释放，消耗上覆水中 的溶解氧，造成水质不断恶化【6 】。由于底泥与河水之间存在着一种吸收与释放的 动态平衡，一旦湖泊水体污染物含量减少，底泥中污染物的释放最就会增加r 其 2 对湖水的二次污染也会增大。底泥污染会严重损坏水体生态系统的健康，美e p a 在1 9 9 8 年的调查报告中指出，美国已发生的2 1 0 0 起鱼类污染事件大部分与底泥污 染有关【”。在我国，也已发现并证实水体底泥具有生物毒性，如乐安江在距河口 2 0 1 9 5 k m 河段沉积物中均显示出毒性【8 ， 由于沉积物在湖泊内源负荷形成机制中的重要地位以及沉积物与间隙水和 上覆水之间复杂的物理化学和生物过程的关系，对湖泊沉积物的物理、化学特性 以及沉积物在湖泊内源负荷中的界面过程及其机制进行研究是十分必要的，能够 为湖泊健康水生生态系统的恢复奠定理论基础，同时也为湖泊富营养化治理提供 依据。 1 2 浅水湖泊界面过程研究意义及进展 永沉积物界面的营养盐交换是沉积物影响是上覆水体的重要过程，研究水 沉积物界面营养盐的释放通量及其影响因素有助于认识湖泊内源释放过程及相 应的生态效应。 1 2 1 水沉积物界面静态过程的研究进展 水沉积物界面静态过程的研究在国外起步较早，在七十年代初就已形成相 关系统的理论研究。c l a v e r o 研究了在西班牙p a l m o n e s 河口沙蚕( n e r e i s s p ) 对 溶解的磷酸盐在沉积物水界面间传输的影响【8 1 ，并利用间隙水的浓度梯度计算 出磷酸盐的扩散传输，与7 k 下箱式试验的结果进行比较。a l l e t 等人也发现水底 生物的存在和活性能大大促进溶解的磷酸盐在沉积物和水相间的交换州， c l a v e r o 在实验中发现水体中氧的消耗与溶解磷酸盐传输速率相关，这种相关性 表明磷酸盐的交换与有机物质的降解是偶联的。p b o n a n n i 等人从1 9 8 7 年3 月 开始研究湖底沉积物和间隙水对湖中营养物质循环和缺氧现象所起的作用i l l j 。研 究者们早就认识到由于物理、化学和生物化学的过程，沉积物一直是营养物质和 其他污染物积累和间歇性再生的地方【1 2 , 1 3 ，一些体系在厌氧的条件下，大量的 n h 3 一n 和p 会从沉积物中释放出来【1 4 】。b o n a n n i 等人对o r b e t e l l o 湖的沉积物、 间隙水、水体中的营养物质进行取样测量，并计算了营养物质氮、磷从沉积物到 水体的释放速率，其目的是更好地了解沉积物的过程，为预测厌氧发生的模型提 供可靠的数据，从而辅助该湖的恢复管理工作。g a r b a n 等人对巴黎下游的塞纳 河中沉积物一水体界面间营养物质交换进行了实验研究和计算i ”) 。沉积物的组成 及氨氮和溶解性反应磷( s r p ) 的浓度断面是定量湖泊或海底沉积物释放过程的依 据【l “，沉积物与水体的物质交换主要通过扩散来实现，交换的强度主要取决于沉 积物间隙水中的营养物质浓度梯度【l “。为了定量沉积物与水之间的物质交换， g a r b a n 等采用了两种技术，一是利用芯式取样或渗析法取样测量间隙水中氮和 磷的垂宣分布，计算沉积物水界面间的分子扩散；二是利用水下钟罩法测定界 面间的氮和磷总体交换量。在国内，直至九十年代才对水沉积物界面静态过程 展开广泛的研究，尹大强等人通过改变环境条件对太湖五里湖表层分散状沉积物 进行了磷的释放实验研究【l8 】；范成新等、张路等利用实验室模拟的方法研究了太 湖梅梁湾和五里湖沉积物的内源释放、吸附和饱和度研究【i 92 0 l ：吴根福等人 研究了杭州西湖底泥的释磷情况；此外，张路还利用扩散定律和间隙水上覆水 营养盐浓度梯度分别计算了东太湖及梅梁湾水土界面的氮磷分子扩散通量【翻。 l - 2 2 水沉积物界面动态过程的研究进展 有关沉积物的悬浮及其动力机制首先是在海岸工程中发展起来的。早在六十 年代，k r o n e ，m e h t a 和p a r t h e n i a d e s 及p a r t h e n i a d e s 【2 3 矧等通过实验室实验和 野外试验开展沉积物沉积与冲刷与表层切应力的关系研究；s h e n g ， e ta 1 2 6 1 在浅水湖泊与海湾中研究发现沉积物的悬浮主要是由于波浪的作用，其贡献可以 达到7 0 以上。l i c k ， e ta 1 【z ”在美国五大潮开展的研究表明悬浮物浓度粒径 大小与水土界面上的剪切力大小有关。自九十年代以来，s h a n a h a n ， e ta l 。， v l a g ，b 1 0 r n ，e ta 1 ，l i j k l e m a ， e ta 1 2 8 - 3 1 】等开始用数值试验的方法来研 究水动力作用对海湾及湖泊中底混悬浮的影响，出现了基于水动力学的湖泊或海 湾沉积物冲淤与悬浮的模拟模型。总的来说，这项工作在海岸工程中研究得较多， 在湖泊研究中较为少见，在国内的湖泊研究中几乎是空白。 由于底泥的冲刷再悬浮涉及紊动影响下污染物的释放等复杂过程，其研究方 法尚不成熟，仍在发展之中。蒲迅赤等人口2 l 利用专门设计的紊动诱发装置，对不 同紊动强度水体进行了紊动对有机物生物降解影响的实验研究。通过三种不同紊 动强度的实验，发现紊动对有机物的降解有明显的影响。紊动强度越大，有机物 在水体中的降解率和降解速度越大。通过对较高紊动强度水体的降解实验数据分 析发现，在水体有紊动时，有机物的降解反应并不遵循一级反应动力学。周孝德 【3 3 】研究了紊动对河流悬浮泥沙上的重金属释放的影响，发现重金属的释放主要取 4 决于水流挟沙能力和紊动强度，并研究了河流泥沙随机吸附过程。n a k s m u r a 和 s t e f a np 4 1 提出了一个底泥耗氧( s o d ) 模型，利用边界层的概念将s o d 与上覆水流 速及溶解氧浓度联系起来。s o d 是上覆水溶解氧浓度的增函数。在流速非常低时， s o d 是流速的线性增加函数。当流速较大时，s o d 变得与流速无关。这可能是边 界层已经发展到水面的缘故。m a c k e n t h u n 和s t e f a n1 3 5 通过室内试验研究了水流 流速对底泥耗氧的影响，试验结果表明，s o d 能随流速显著增加。这表明，d o 通 过水流边界层的传输能够控制s o d 。当上覆水流速低时，s o d 随上覆水流速而成 线性增加。随着流速增加，s o d 达到最大值。该最大值强烈地依赖于底泥的组成、 底栖生物及水温，尤其是受有机质含量以及通过孔隙向深层底泥的氧气扩散率的 控制。褚君达和徐惠慈l 弘】曾对河流底泥的冲刷沉降及再悬浮闯题进行了系统的理 论及试验研究。将环境水力学、泥沙运动学及水化学相结合进行研究，从水流中 污染物的对流扩散方程出发。通过理论推导得到包括有底泥冲刷及沉降、底泥释 放等因素影响的水质基本方程，通过实验确定方程中的有关因素，用实测资料验 证，取得较好的结果，并付诸应用。 关于太湖沉积物的营养盐内源动态释放，张路【2 。】利用恒温震荡器构筑的模拟 扰动环境，研究了太湖沉积物的磷释放和吸附行为；范成新【3 q 等人通过野外调查 结合室内扰动实验，认为水体颗粒态磷的生物转化释放是营养盐的主要来源之 一；秦伯强m 一9 j 研究了浅水湖泊中动力作用与泥沙悬浮的关系，估算太湖内源 动态负荷的数量，并提出有关大型浅水湖泊内源释放的概念性模式，认为周期性 的剧烈风浪扰动又不断破坏水土物理界面，将底泥间隙水中大量的活性营养盐释 放到水体是太湖磷释放的主要模式；朱广伟阑通过一次大风浪后对梅梁湾一浅水 区的调查研究认为：尽管大风浪过程引起沉积物大量悬浮，水体悬浮物颗粒态营 养盐显著提高，但是由于悬浮过程营养盐释放与沉降机制作用十分复杂，活性营 养盐的浓度未必能够提高。 1 2 3 水沉积物界面动态过程对浅水湖泊水质研究的特殊意义 根据界面的储存功能和内部的输送功能，水沉积物界面应属于复杂界面， 界面两侧垂直的物质传输或者加快或者减慢，其内部具有传输和储存功能。在大 量的化学污染物排放的条件下，水和底部沉积物会同时受到污染。在浅的湖泊中， 水的温度较高、光照区与沉积物的接触时间较长、沉积物表面混合状况良好、污 染物在湖水上下层之间的浓度梯度较小，湖泊中污染物的循环的主要部分将发生 在底部沉积物中。一般说来，沉积物在水环境中的相对重要性随水体浓度的增加 和水力学停留时间的减少而减小。对于太湖，水深仅2 左右，换水周期为0 8 2 年，即平均状况下2 9 9 天方可换水一次，其沉积物在水环境中的相对重要性显而 易见；对于东钱湖也同样如此。 当污染物的排放减少或停止之后，由于污染物在水沉积物界面具有储存和 传输功能，在条件合适的时候，底部沉积物不再作为污染物的汇，而是成为污染 物的来源，这时污染物从底部沉积物释放出来进入水体，造成了水质的二次污染。 此外，沉积物的内源释放与沉积物的悬浮过程密切相关。水深越浅，沉积物越容 易发生再悬浮。湖泊沉积物的悬浮对于湖泊生态环境有着复杂而深刻的影响，沉 积物的悬浮将影响湖泊的内源释放，同时，沉积物的悬浮还将影确水体的透明度 并进而影响初级生产力，这在太湖这种浅水湖泊中更甚。因此，研究太湖和东钱 湖这样的浅水湖泊水动力条件下的内源污染问题具有更突出的意义。因此，研究 污染物在水沉积物界面的各种行为，对于浅水湖泊水污染控制具有非常重要的 理论和实践意义。 1 3 问题的提出与本论文的研究目的 1 3 1 本研究开展的缘由 大量的实验研究数据表明：湖泊沉积物和间隙水中所含的营养盐及污染物浓 度远比上覆水中的浓度高，在一定条件下，营养物质和有毒、有害物质被释放进 入水体，从而破坏湖泊水体的生态系统。在内源污染问题越来越成为国内外研究 热点的同时，国内外对内源污染问题研究还不够成熟，尤其表现在以下两个方面： ( 1 ) 水沉积物界面动态过程研究的不足 水沉积物界面过程研究过去主要集中在静态过程研究上，对动态过程研究 虽然也不乏报道，其中包括室内模拟实验和室外现场监测的研究，但两者都存在 许多不足之处。室内模拟实验研究的缺路主要表现在：无法保持模拟实验所用 的沉积物的现场原状：对风浪的扰动的模拟与实际相差甚远；难以满足模拟 现场2 米左右的水深的要求。室外现场监测研究的缺陷主要表现在：影响风浪 效果的因素如风速、风向、吹程、风浪持续的时间等等都存在许多不确定因素， 无法人为控制；风浪大小的产生的不确定性，它一方面给研究人员带来的挑战 性和艰巨性影响研究工作的顺利进行，另一方面使现场监测研究结论难以重现。 以上这些缺陷大大影响了水沉积物界面过程研究的精确性。 ( 2 ) 沉积物再悬浮后的沉降过程研究的匮乏 目前国内外对湖泊沉积物再悬浮届的沉降过程研究鲜有报道，作为界面过程 的重要组成部分，通过对沉积物再悬浮后的沉降过程研究有助于更充分地认识湖 泊水沉积物界面动态的全过程。 1 3 2 研究目的 本论文拟结合上海太湖管理局基金“太湖静态底泥氮磷负荷及动态流泥释放 模拟研究”、浙江省宁波市科委“东钱湖内源负荷调查及疏浚可行性初步研究” 等课题，针对目前水沉积物界面动态过程研究的不足，旨在找到能在实验过程 中不破坏沉积物原状、能模拟实际现场水深、实验条件可人为控制、可重复操作 且能比较准确模拟风浪扰动的方法，更准确地模拟研究不同风浪条件下( 不同的 扰动状态下) 湖泊沉积物再悬浮与沉降的动态过程，并研究湖泊水体营养物质含 量与其的响应。此外，本研究将力求达到其它以下目的： ( 1 ) 进一步了解不同湖区沉积物特征 ( 2 ) 为许多模型的精确计算提供可靠的参数 ( 3 ) 为加强湖泊研究，提供基础数据 1 3 3 研究思路 本文对水沉积物界面物质交换研究主要可以归纳为以下几点： ( 1 ) 湖泊沉积物的物化特性 ( 2 ) 湖泊沉积物动态条件下与水体物质交换特征 ( 3 ) 湖泊悬浮物沉降过程与水体物质交换特征 本文针对水沉积物界面动态过程研究的不足以及沉积物再悬浮后的沉降过 程研究的匮乏，通过对实验装置与方法加以改造和创新，对界面过程展开进一步 的研究，力求突出以下两个特点： ( 1 ) 研究对象的系统性。本研究包括了湖泊沉积物物化特性研究、动态条 件下物质交换过程研究、再悬浮过程以及再悬浮之后沉降过程的研究。 ( 2 ) 研究结果的可靠性。本研究尽量做到实验条件与实际情况相符，并将 太湖和东钱湖各自不同湖区相比较，避免了以偏盖全。 2 研究区域与实验研究方法 2 1 研究区域概况 2 1 1 太湖及重点研究湖区的环境特征 太湖是我国长江中下游地区著名的淡水湖泊，为我国五大淡水湖之，位于 长江三角洲南侧的太湖平原。太湖流域面积3 6 5 0 0 k m 2 。流域内河道纵横，湖荡密 布，河道总长度1 2 k m ，大于i k m 2 面积的湖泊有1 1 1 个，是我国典型的河湖水网地 区。太湖地理位置为北纬3 0 。5 j 4 0 ”一3 1 。3 2 5 8 ”，东经1 1 9 0 5 2 7 3 2 ” 一1 2 0 0 3 6 7 i 0 ”。全湖平均水深为1 9 m ，最大水深2 6 m ，湖泊面积2 4 2 7 8 k m 2 ，湖 内有大小岛屿5 1 个，实际水面面积为2 3 3 8 i k m 2 ，多年平均年吞吐量为6 2 亿m 3 ， 水量交换系数1 2 ，换水周期约3 0 0 天1 4 “。 千百年来，太湖以其优越的自然条件孕育了太湖流域悠久的历史、灿烂的文 化和高度的物质文明。地处我国经济最为发达的江浙沪城市群之间，目前流域内 拥有7 座大中城市，3 5 个县及县级市，城市化水平居全国之首；2 0 0 1 年总人h - - 千六百多万人，人口密度约1 0 0 0 人k m 2 ，是全国的7 7 倍。太潮水乡的苏锡常地 区和杭嘉湖地区分别是江苏省和浙江省经济发展的精华所在，蓬勃发展的乡镇企 业和现代农业生产方式已使该地区在全国率先进入了小康。据1 9 9 7 年统计，在占 全国不n o 4 的国土面积上，全流域创造的国内生产总值占全国的1 0 。各类统 计表明：太湖流域既是江苏省和浙江省的经济发展重心，也是我国社会经济发展 的最发达的地区之一。太湖不仅具有蓄洪、供水、灌溉、航运、旅游、养殖等多 方砸功能，是流域内多个城市的重要供水水源地，如无锡、苏州、吴县、吴江、 长兴、宜兴等，并且辐射到上海市的供水。 据中科院南京地理与湖泊所和水利部、国家环保局太湖流域水资源保护局共 同研究表明：太湖自8 0 年代初以来，营养程度总体呈上升趋势，已由1 9 8 1 年平均 中营养下限上升至1 9 9 7 年中富营养上限，正逼近富营养；而仍作为饮用水源的梅 梁湾和五里湖，自1 9 9 4 年来，则一直处于富营养化水平。“九五”期问，国家己 将太湖治理工作列入我国“三河三湖两区”污染治理的重点，由国务院1 9 9 8 年批 复的太湖水污染防治“九五”计划及2 0 1 0 年规划，提出了明确的太湖治理目 标，即“1 9 9 8 年底全流域废水达到国家规定的排放标准：2 0 0 0 年集中式饮用水源 地和出入湖的主要河流水质达到地面水i i i 类标准，实现太湖水体变清；2 0 1 0 年基 本解决太湖富营养化问题，湖区生态系统转向良性循环”。经过1 9 9 8 年底轰轰 烈烈地太湖重点污染源零点达标排放后一年多，虽然1 9 9 9 年遇到历史上罕见的高 水位，对湖体污染物含量的减少有利，但人们仍发现，太湖营养程度并没有像人 们预期的那样有很大改善。据初步统计，达标排放实施以后，主要营养物含量虽 略有下降，但营养程度却并未降低，说明外源并没有得到真正控制，其次来自湖 体沉积物的内源性营养盐释放也不容忽视。 太湖主要湖区分为竺山湖、北部湖区( 包括梅梁湾和五里湖) 、贡湖、湖心 区、西部沿岸区、东太湖、胥湖。各湖区空间异质性较大。总体来说，太湖的东 南湖区水质好于西部湖区好于北部湖区。各湖区的主要环境特征、水污染和富营 养化状况以及主要污染来源污染物的特征见表2 一卜卜l 。 表2 一卜卜1 太湖主要湖区环境特征、水污染及富营养化状况、污染来源 主要主要 水体营养化主要污染源 湖区环境特征状况 及污染物 部分区域存在底泥。沿岸带透明度0 2 - 0 5 m ，水无锡和常州部分生活污水 竺山湖有水草分布。水深1 2 2 m 。 质一类，部分区域和乡镇工业废水通过入湖 湖区 西北部有受污染入湖河流。v 类。湖区内见围网河流进入。养殖污染不容忽 养殖。视。 位于太湖北部，面积透明度0 2 m 左右，水无锡和常州部分生活污水 1 2 5 k i n 2 ，平均水深2 2 m 。湖质n - v 类；梅梁湾已及工业废水通过直湖港和 梅梁湾底5 0 有淤泥，湖周旅游景富营养化，夏季易发梁溪河流入两湖区，其量占 和五里点密布，船只运输繁忙，重生水华暴发、局部黑进入太湖总量的1 0 左 湖污染河道直湖港、武进港和 臭，五里湖及闾江口右，岸边游客每年1 3 0 0 万 梁溪河的入口，夏季迎风面呈重富营养化。人，沿湖旅游服务行业6 6 湖区易出现藻类聚集。家、工厂3 4 家。 位于太湖东北部，面积水质i h - i v 类，与梅梁沿岸人口约l o 万，鱼塘及湖 1 4 7 k m 2 ，水深2 m ，为望虞河湖结合区有时v 类：面围网共2 1 5 2 亩，2 2 个入湖 贡湖出水通道，年出湖流量夏季东部中营养，中口。年入湖污水总量： 9 ，4 6 m 3 s ，沿岸区硬底，东部中富营养，西部富 1 1 1 0 m ，t p ：7 1 t ，t n ： 部有大片水草发育。营养，有少量水华。 5 4 0 t 。 北部为宜漂河、槽桥河入 水质i i i 一类，北部水 宜溧河工农业点面源污染 口，南部为苕溪河是太湖 质差于南部，且北部均较严重，是太湖地区污染 西部沿入潮水量最大的河流，流经 经常可见藻类暴发， 物排放量最大河流。苕溪河 岸区斯江北部山区及平原。该湖 南部较少见藻华。 的农业面源污染为主要污 区大部分湖底存在软性底染类型。 泥。未见大面积水草发育。 位于太湖东南部，面积透明度见底，平均水湖面养殖及鱼塘污水是主 1 3 1 1 ( m 2 ，水深1 2 m ，湖体换质类，局部或 要污染源。全湖围网养鱼面 水周期1 0 天，底泥厚度类。呈中一中富营养 积5 万亩以上，养殖投饵污 东太湖1 1 7 m ，悬浮物含量低水草但局部沼泽化趋势严染严重，部分水体有水草腐 覆盖率约9 7 ，水草覆盖率重，水生植物退化，生烂现象，存在养殖规模过渡 及生物量为全太湖最高，是态系统调控能力降及不合理刈割问题。 太湖著名养殖区。低。 太湖中部的开敞湖区，面积水质处于北部湖区的该湖区属于水质过渡带北 最大湖心区仅少部分地方重污染和东南部中污部营养盐和污染物经过一 存在软性底泥湖心区北部染之间透明度定距离的输送到达该湖区 湖心区 未见水草分布，南部与东太3 0 6 0 c m ，平均水质i i i已有所沉降和分解。 湖接壤处有马来眼子菜生类：偶尔可见水 长网围和养殖较少。 华。 位于太湖东部，面积5 5 k m ，透明度3 0 7 0 c m ，水质胥江因铆灌年入湖污染物 水深1 9 m ，水草生长茂盛，i i i 一类。呈中富营量为：t p3 5 7 t ：t n 8 6 3 t 。 胥湖西部及南部有太湖大桥及养，夏季有时有轻度围网养殖发展迅速，目前有 多处旅游场所，东部有围网 水华。1 万多亩。 养殖。 2 1 ，2 东钱湖的环境特征 东钱湖是浙江省第一大淡水湖，地处东经1 3 4 。3 4 ，北纬2 9 05 2 ，距宁波 市内约9 公里，其东临天童、育壬二大古刹。南接象山港、雁荡山，西达宁海温 泉及奉化溪口风景区，北通北仑港、小港开发区及海天佛国普陀山。东钱湖由 谷子湖、梅湖、外湖三个部分组成，湖的东南两面傍山，西北毗邻平原，东西宽 1 0 6 5 公里，南北长8 5 公里，周长4 5 公里，平均水深1 4 米左右，面积2 0 平方 公里。 东钱湖湖区位居浙东沿海，属亚热带季风气候，温暖湿润、雨量充沛、四季 分明，冬无严寒、夏无酷暑。湖区年平均气温1 5 4 ，年平均降雨量是1 4 2 1 毫 米，降雨天数为i 1 9 天。常年风向冬季多为西北风，夏季多为东南风，年平均最 多的风向为西北风。鄞州站地面气象特征见表2 一卜2 - i 。 表2 - i - 2 - i 鄞州站地面气象特征 月份 1234 5678 91 0 n 1 2 平均气温( )4 45 39 21 4 9l g 82 3 62 792 7 72 3 71 8 31 2 86 8 平均风速( m s )2 62 72 92 92 82 52 9292 52 42 4 2 5 i 最大风速( m s )1 3 3 1 4 01 8 01 5 e1 4 3l 3 7 1 3 o1 9 71 7 31 1 71 2 o 1 2 o 根据2 0 0 4 年9 月东钱湖现场监测的数据( 表2 - 1 - 2 - 2 ) 以及地表水环境质 量标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 表明：东钱湖目前水质标准达到类水水质标准，但其 湖泊富营养化水平指数偏商，t n 、丁p 指数均达到v 类和超v 类水质标准。全湖 因为悬浮物含量较高，导致透明度下降，2 0 个样点( 见图2 - 2 2 ) 均在0 2 5 - 0 4 5 米之间。此外，t n 和t p 含量相对t d n 和t d p 相应较高，同样是受悬浮物含量高 的影响。 表2 - i - 2 - 22 0 0 4 年9 月东钱湖现场监测的数据( r a g l ) l 编号 t nt d n n i t 4 - nt pt d pp 0 4 一pc o d m叶绿素 2 1 81 1 40 1 90 1 2 2o ，0 1 7o 0 0 35 9 8g ，0 3 2 2 n l l2 2 21 1 9o 0 80 1 0 80 0 1 00 0 0 25 9 30 0 3 3 2 1 9 60 9 60 1 4o 1 1 50 0 0 90 0 0 25 ，8 70 ，0 4 9 8 东钱湖地区水体污染源主要包括生活污水及固态废弃物、农业污染、水上交 通污染及少量的工业污染源。明确东钱湖主要的环境问题是各小溪河流入湖口及 湖周居民聚集区河道和湖岸边淤积严重、湖容减小，湖周出现大面积露滩，湖泊 对水资源的调蓄能力降低。 东钱湖水生植物在湖区的分布面积较小，以沿岸带分布为主，分布面积估计 不足1 ，主要以挺水植物和沉水植物为主。可见东钱湖湖区目前并非处在一个 健康的生态环境水平，其主要表现在悬浮物含量过高。透明度下降，水生植物无 法正常生长的状况。要重新创建东钱湖的健康的生态环境，必须采取能降低湖区 悬浮物含量的有效措旌。 2 2 研究区域的选择 为探索不同环境条件下不同内源污染问题的不同表现特征，本研究选择两个 不同湖泊及其各自不同湖区作为研究区域。其中在太湖按照不同的代表性区域及 生态类型布设5 个研究点( 见图2 2 1 ) ，在东钱湖布设2 个研究点( 见图2 - 2 - 2 ) 。 l 号样点位于太湖北部的重污染湖区梅梁湾湖区；2 号样点位于贡湖湾，该 样点原属于草型湖泊，但目前水生植被退化较严重，水质有恶化的趋势；3 号样 点位于太浦河口东太湖，该湖区是太湖最典型的草型湖区，水草茂盛，水质 清澈，为中营养类型；4 号样点位于太湖西部沿岸区的长兴港口外；5 号样点位 于雅浦港口竺山湖区，由于太漏运河、漕桥港等入湖河道向竺山湖区排放的 污水，该湖区属中富营养水平，在藻化暴发季节常见蓝藻。此外，6 号和7 号两 样点分别在东钱湖北部谷子湖和南部湖心。两湖区采样点所在的湖区和经纬度坐 标见表2 2 1 。 图2 - 2 一l 太湖采样点分布图 图2 - 2 - 2 东钱潮采样点分布图 表2 2 一l 两湖区采样点所在的潮区和经纬度坐标 编号所在湖区位置纬度经度 |太湖梅梁湾 三山 3 1 。2 7 3 6 1 ”1 2 0 。2 1 ，0 6 2 ” 太湖贡湖贡湖湾 3 1 。3 0 4 6 ，5 ”1 2 0 。1 1 7 3 9 3 ” 太湖东太湖太浦河口 1 2 00 2 7 ，4 0 5 ”3 1 。0 0 4 4 9 ” 太湖西部沿岸带 长兴港口外 3 1 。0 27 2 1 6 ”1 1 9 。5 9 3 4 4 ” 太湖竺山湖雅浦港口 1 2 0 。0 4 ，0 0 3 ”3 l 。25 r 5 3 4 ” 东钱湖北部谷子湖 2 9 。4 77 0 18 ”1 2 1 。3 8 ，4 3 1 ” 东钱湖南部南湖湖心 2 9 。4 4 5 1 9 ”1 2 1 。3 97 1 5 4 ” t 3 2 3 样品的采集与预处理 2 3 1 水样的采集和保存 1 采样准备 采样的器皿需按照分析及保存需要进行选择，并尽可能减少器皿带来的污 染。普通塑料含有填料及添加剂，在水样的采集及保存过程中可能被溶出而带来 污染。同时塑料可能吸附水体中溶剂及颗粒态的化学物质而影响测定的准确度。 选用合适的采样器皿对实验及分析的准确度非常关键。而玻璃器皿因其化学稳定 性比较适合非碱性样品的采集及保存，在实验过程中尽可能采用玻璃器皿作为储 放器皿。本研究中使用的采样器皿及样品保存容器均按照湖泊富营养化调查规范 进行选择。每次采样前均将采样器皿用自来水洗净，野外采样的器皿用现场水样 洗涤多次，实验过程中用于培养水样的采集及储放器皿用盐酸浸泡后用自来水洗 涤干净，并用蒸馏水及去离子水洗涤多次，晾干或低温烘干备用。 2 水样采集 湖水样品的现场采集用有机玻璃采样器进行。本研究中动态模拟实验所需的 水样用5 0 l 聚乙烯桶储存。采样前均用现场原水样荡洗采样器及样品瓶。 3 水样的保存及预处理 水样采集后根据需要分装在玻璃瓶或聚乙烯桶中，采集的水样尽可能快的运 送到太湖湖泊生态系统试验站低温保存并立刻分析处理或冷冻保存。用于测定溶 解性营养盐的水样用玻璃纤维滤膜( w a t e r m a ng f c ) 过滤后保存、测定。 2 3 2 沉积物的采集及预处理 1 采集方法 沉积物分为分层沉积物及柱状沉积物分别采集。分层沉积物采用日本进口小 口径柱状采样器( r i g oc o ，m = 6 2 c m ) 采集后按厚度需要用塑料切板切取，并各 自置于塑料密封袋中保存。动态模拟释放柱状沉积物用日本进1 3 大口径封底式柱 状采样器( r i g oh r 5 1 7 1 ，o = 1 1 0 c m ) 采集后留在采样管中，上下加橡胶塞密封 后带回实验室。 2 预处理 新鲜沉积物样取出部分进行粒度、含水率、孔隙度及烧失重测定，剩下沉积 物样经搅拌均匀后取出部分在室温阴凉处干燥处理，剩余部分在冰柜中密封冷冻 ( 一1 8 ) 保存。经干燥处理后的沉积物去除动植物碎屑后用研钵研磨至2 0 0 日待 进一步分析生物可利用磷等物化参数。 2 3 3 间隙水的采集及现场处理 沉积物中的有机碎屑及颗粒的矿化分解是早期成岩作用最重要的生物地球 化学过程，也是沉积物间隙水体系中最重要的物化过程。有机物的矿化分解是 间隙水中各种生源要素的基本来源。随沉积深度的变化，沉积物一间隙水体系的 氧化还原特性、酸碱度、矿化度、离子强度等均相应的产生变化，并进一步影响 间隙水的物理化学要素的组成。这些变化反映了湖泊沉积物早期成岩作用中生物 地球化学过程的速度及其内部化学计量关系。研究沉积物及其间隙水中生源要素 的化学动力学及热力学平衡有助于了解沉积物各种生源要素的化学形态、成岩作 用、沉积物一上覆水界面交换、湖泊内源负荷机理及其强度和营养盐的埋藏过程 等都需要进行间隙水的物化组成及其过程的研究。 间隙水获取过程中涉及氧化还原、吸附解吸及沉淀溶解等条件的变化，由于 制备方法的不同，对这些条件的控制也有差异。一般而言，间隙水获取方法有离 心法、压榨法、渗析法、吸气引液法、毛细管法等。这些方法中，离心法难以控 制体系中的氧化还原条件和温度( 采用恒温离心机可以控制体系温度) ，虽然有 文献认为离心过程中氧化还原条件对间隙水的影响不如温度更重要，但是，这 两个条件显然都会对离心过程中间隙水的理化性质有直接的影响。压榨法分为普 通压榨法和整柱压榨法，都能通过压榨机使间隙水透过滤膜压出。吸气引液法不 适用于湖泊现场沉积物的间隙水获取【4 3 1 。毛细管法对于分层沉积物闯隙水的采 集，特别是分层精度较高的间隙水采集有其缺陷【4 4