长江口细颗粒泥沙絮凝主要影响因子及其环境效应研究.doc

长江口细颗粒泥沙絮凝主要影响因子及其环境效应研究【摘要】：河口海岸水域环境中细颗粒泥沙的絮凝沉降是引起河口、海岸泥沙沉积的主要影响因素之一。由于径流和潮流的相互作用，及盐淡水交汇等因素的影响，河口区细颗粒泥沙发生絮凝(吸附)沉降再悬浮解絮(解吸)扩散沉积等复杂的变化过程。由此对河口泥沙的聚集和输移、河槽和浅滩的发育演变等有着重要的影响。在河口生物地球化学过程中对许多重金属元素和有机物的化学行为、迁移和归宿等也有显著影响。因此，河口区细颗粒泥沙的絮凝研究，对揭示河口“过滤器”本质和阐明河口沉积动力学过程具有重大的科学意义。作为国际地圈生物圈计划(IGBP)第六核心计划(海岸带陆地海洋相互作用计划LOICZ)中的基础性科学问题之一，河口区细颗粒泥沙的絮凝和其影响因子及环境效应的研究引起了广泛关注。尽管已有的大量研究揭示了盐度在絮凝中的重要作用，但国内外一些研究者认为：实际河口环境中有机物的影响可能比盐度影响大得多。由于河口泥沙絮凝受到多种因素的影响，内在机理十分复杂。鉴于在理论上和实验技术上的某些局限，直到目前人们对此问题认识还不够清楚，河口界面化学的发展以及先进的现场观测仪器的应用为解决这一问题提供了契机。在国际LOICZ计划中已将长江河口列为专门的调查区域(LOICZNo.72)，以研究其在全球陆海相互作用所扮演的角色。长江河口细颗粒泥沙中有机性颗粒占总颗粒的6075，细颗粒物质主要为粘土矿物，粗颗粒物质(8m)主要为有有机附着或具有有机裹层的粘土矿物集合体。同时由于河口的特殊地理位置，盐度的变化由口内径流至口外近海逐渐增加，各种阳离子浓度也出现相同的变化趋势。河口区丰富的有机质和离子浓度变化对泥沙絮凝都会产生较大影响。因此有必要将它们结合起来综合研究河口泥沙絮凝机理。本论文依托国家自然科学基金(No.50579021)资助项目和973国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412405)，利用国家重点实验室先进的现场观测仪器及室内测试分析方法，分别于2006年2月(枯季)和8月(洪季)进行了二次现场观测，主要观测项目有水体含沙量、流速、流向、水温、盐度、pH值、絮凝颗粒粒径、浮泥层容重、浮泥层厚度等。同时定时分层次取水样，现场过滤分离，冷冻保存，用来测定水相和悬沙中金属离子和有机碳等化学元素以及悬沙颗粒粒径等，定时采取河床浮泥和沉积物样，用于化学元素和粒径分析。二次现场观测目的性较强，使用的仪器较先进，取得了一批质量较好的原始数据和样品，为本论文深入地研究絮凝机理奠定了基础。同时对各种金属阳离子以及有机质等絮凝影响因子作了详细的室内絮凝实验分析研究，依据絮团粒径、电位和絮凝率等参数变化以及电镜分析其微观机构研究了各絮凝影响因子对细颗粒泥沙不同的絮凝机理。通过现场观测和室内分析相结合的方法，揭示了长江口C-P-OM(C代表粘土，P代表阳离子，OM代表有机化合物)复合絮凝形成过程及变化机理，并对颗粒态金属污染物在细颗粒泥沙作用下的分布规律作了详细探讨。(1)长江河口实测期间絮凝颗粒粒径均值为63.2m，是分散单颗粒粒径的10倍多，实测最小絮凝颗粒粒径为27.4m，最大为107m；在盐水入侵上界线区域徐六泾实测絮凝颗粒粒径相对较小，均值为42.5-60.4m，而南槽、北槽最大浑浊带区域絮凝颗粒粒径最大，均值为57.3-79.2m，这种差值是与区域间不同盐度值对细颗粒泥沙絮凝的贡献率有关；洪季实测絮凝颗粒粒径比枯季大，洪季均值为60.4-79.2m，枯季均值为42.5-66.6m，这与洪枯季泥沙来源和颗粒粒径的差异有关。同时周期性变化的水流流速对细颗粒泥沙絮凝的影响作用显得更直接明朗，而且最大絮凝颗粒粒径均出现在0.4-0.7ms的中等流速时段。(2)总阳离子含量由口内至口门递增，南港附近垂向分布不太明显，而南槽、北槽存在明显的垂向分布，底层浓度远远高于表层。长江口阳离子浓度受长江径流和潮流的共同影响，在南槽和北槽的最大浑浊带附近，洪季总阳离子浓度变化范围在40mmolL-110mmolL，枯季总阳离子浓度变化范围在150mmolL-260mmolL。在盐淡水体混合过程中，各主要阳离子浓度随着盐度增加而线性增加，且正相关性较好，属于典型的保守组分。阳离子絮凝能力(FA)由口内至口门递增，南支和南港附近垂向分布不太明显，而南槽、北槽存在明显的垂向分布，底层FA远远高于表层。在南港洪季和枯季阳离子絮凝能力相差不大，洪季稍小；而南槽、北槽附近，由于枯季径流较小，盐水对该水域影响较大，阳离子絮凝能力较洪季强。(3)DOC含量由口内至口门有递减趋势，垂向分布不太明显。在浮泥容易生成的最大浑浊带河槽段，枯季DOC含量较高，而且随着涨落潮变化较大，落潮含量稍高于涨潮。洪季DOC含量较低，随涨落潮变化并不明显；POC含量由口内至口门有递增趋势，垂向分布十分明显，表层、中层、底层依次增高。枯季POC含量较低，而且随着涨落潮变化较小，而洪季POC含量较高，随涨落潮变化非常明显。总体而言，落潮POC含量要大于涨潮，落急时刻的含量最高。南槽POC含量高于北槽。POC垂向分布明显，随着深度的增加而下降，底泥中含量最低。POC落潮时较大，北槽比南槽含量稍高，洪季大于枯季。无论南槽、北槽底泥中POC在枯季的含量都要小于洪季。无论洪季、枯季，DOC、POC、POC与盐度(S)变化具有一定的相关性。其中DOCS的相关性较差，而POC浓度与盐度成正相关，POC与盐度负相关。DOC、POC、POC与悬浮物质含量(TSS)具有一定的相关性。其中DOCTSS关系不明显，而POC浓度与悬浮物质浓度成正相关，POC与其负相关。枯季相关性更好，POC-TSS的R2可以达到0.97，而洪季可以分为两部分，当悬浮物质含量小于1gL时，相关性较好，R2可以达到0.89，当超过1gL时，相关性较差，而且斜率变小。(4)室内絮凝实验表明，随着金属离子浓度增大细颗粒泥沙絮凝率逐渐增大，絮凝体粒径增大，电位绝对值变小。本试验pH范围内，铝离子对细颗粒泥沙絮凝影响最为显著，这主要与Al(OH)_3的卷扫絮凝作用有关。随着腐殖酸浓度增大细颗粒泥沙絮凝率降低，絮凝体粒径增大，电位绝对值增大。这主要是有机裹层的存在使絮凝体的电负性增大，增加了絮凝体的稳定性。作为影响絮凝的主要因子，腐殖酸和盐度的共同作用使细颗粒泥沙可以形成较大絮凝体。腐殖酸等有机质的存在使得泥沙颗粒较易粘连在一起，形成较大粒径的疏松絮凝体；盐度的作用机制是在提供电解质，压缩双电层形成密实絮凝体的同时，高浓度的阳离子可以连接多个荷负电的絮团，形成更大絮凝体。可见各絮凝剂单独存在时的絮凝机理与多组分共同作用机理有明显不同，C-P-OM复合絮凝模式可以较好的解释长江口高浊度区细颗粒泥沙絮凝体的形成机制。(5)悬沙中各种金属的百分含量在长江口的沿程分布虽有差异，但总体上由河口内向口门出现降低趋势，南槽、北槽最大浑浊带出现较高值。并且在一个潮周期内都出现了急流时颗粒态金属含量小于憩流时金属含量；沉积物中的金属含量沿程分布趋势比较复杂，总体上也出现了降低趋势，但在南槽、北槽出现高值区。颗粒态金属含量垂向分布十分明显，由水体表层的悬沙至底层直至底泥颗粒态金属含量逐渐减少。长江口悬沙中金属含量与有机质百分含量正相关，与盐度呈负相关；多数金属含量与悬沙浓度呈负相关，与细颗粒泥沙(32m)在悬沙中的百分含量呈正相关，金属的转移过程明显的受悬浮物中的Fe-Mn氧化物和有机质所控制。在长江口最大浑浊带区域，由于细颗粒泥沙较多，絮凝沉降占优势，甚至有浮泥层出现，吸附在细颗粒泥沙表面的金属随絮团沉降在河床，因此底泥中金属含量在最大浑浊带区域出现高值区。浮泥层中的金属含量更高，接近底层悬沙中金属含量；而枯季由于来沙量较少，泥沙再悬浮占优势，金属被释放至水体，同时底泥中的泥沙颗粒逐渐粗化，对金属的吸附能力降低，导致枯季底泥中金属含量减少。【关键词】：长江口细颗粒泥沙絮凝环境效应有机质金属阳离子【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：TV148【目录】：摘要6-9Abstract9-12目录12-14第一章绪论14-331.1科学背景和研究意义14-151.2国内外相关研究进展15-291.2.1絮凝机理17-221.2.2细颗粒泥沙絮凝的影响因素22-261.2.3重金属元素分布的影响因素26-291.2.4存在问题291.3本文研究内容29-33第二章细颗粒泥沙絮凝主要影响因子现场观测和测试33-382.1研究区域概况33-342.1.1水动力特征33-342.1.2盐度特征342.2研究方法34-382.2.1取样时间及地点34-352.2.2测试仪器及药品35-362.2.3主要参数测试分析方法36-38第三章细颗粒泥沙絮凝主要影响因子的时空分布38-643.1金属阳离子的时空分布38-483.1.1盐度与金属阳离子的对比38-403.1.2总阳离子浓度河口的时空分布40-453.1.3絮凝能力(FA)在河口的时空分布45-483.2有机碳的时空分布48-563.2.1长江口溶解态有机碳(DOC)时空分布48-503.2.2长江口颗粒态有机碳(POC)时空分布50-523.2.3长江口颗粒态有机碳百分含量(POC%)时空分布52-533.2.4相关性分析53-563.3腐殖质的空间分布56-643.3.1实验方法57-583.3.2长江口腐殖质分布及来源分析58-64第四章细颗粒泥沙絮凝实验64-804.1实验材料与方法64-664.2盐度和腐殖酸共同作用下细颗粒泥沙的絮凝66-724.2.1盐度和腐殖酸共同作用下细颗粒泥沙絮凝参数的变化66-684.2.2腐殖酸存在条件下细颗粒泥沙盐淡水絮凝比较68-694.2.3盐度和腐殖酸的共同作用对絮团粒径的影响69-704.2.4细颗粒泥沙絮团表面形貌的电镜分析70-724.3高价金属阳离子及腐殖酸对细颗粒泥沙絮凝作用的影响72-804.3.1高价金属阳离子与腐殖酸对细颗粒泥沙浊度变化的影响72-734.3.2高价金属阳离子作用下细颗粒泥沙絮凝参数的变化73-754.3.3腐殖酸作用下细颗粒泥沙絮凝参数的变化75-764.3.4其它有机质作用下细颗粒泥沙絮凝参数的变化76-774.3.5高价金属阳离子与腐殖酸共同作用下细颗粒泥沙絮凝77-80第五章影响细颗粒泥沙絮凝的水沙条件分析80-875.1水动力条件的影响80-815.2粘土矿物的影响81-825.3泥沙颗粒粒径的影响82-875.3.1洪枯季泥沙颗粒粒径比较83-845.3.2悬沙粒径与絮团粒径关系84-87第六章细颗粒泥沙絮凝机理的综合条件分析87-936.1细颗粒泥沙絮凝的综合条件分析87-886.2细颗粒泥沙河口行为机理的探讨88-906.3细颗粒泥沙絮凝与浮泥发育及变化的关系90-93第七章环境效应分析93-1047.1长江口颗粒态金属含量时空分布93-977.1.1长江口悬沙中金属含量空间分