外源输入对底泥疏浚新生表层磷恢复及迁移的影响

外源输入对底泥疏浚新生表层磷恢复及迁移转化的影响尚不清楚,阐明该问题对于底泥疏浚实施后流域尺度上的外源控制及管理具有重要的意义.本研究以太湖梅梁湾沉积物为研究对象,采用野外原位模拟疏浚的方法研究在有无外源颗粒物输入条件下,疏浚前后新生泥水界面磷的迁移转化过程,并探讨疏浚对内源磷释放的控制效果.结果表明,疏浚后阻止外源颗粒物输入对沉积物总磷(TP)和总氮(TN)的控制产生着积极的影响;疏浚显著降低了表层沉积物潜在可移动磷的含量,有外源颗粒物输入组潜在可移动态磷(Mobile-P)含量显著高于无外源组,变化的Mobile-P以铁结合态磷(Fe-P)为主,有机磷(Org-P)次之,弱结合态磷(Lb-P)含量较低不足总磷的1‰;实验210d后,有外源颗粒物输入疏浚组间隙水PO_4~(3-)-P浓度低于未疏浚组,无外源疏浚组显著低于未疏浚组(P 0. 05);无外源疏浚组间隙水PO_4~(3-)-P浓度保持着较低的水平,其余组间隙水中PO_4~(3-)-P浓度呈现先增加后减小的趋势,间隙水PO_4~(3-)-P浓度与其对应分层沉积物中Fe-P含量显著正相关;冬春季间沉积物的源-汇功能发生了转变,沉积物对上覆水由汇转变成为源;疏浚措施降低了底泥内源磷释放速率,可有效控制其内源磷释放,阻止外源颗粒物输入对疏浚控制内源磷负荷起到了较好的促进作用.     

疏浚对湖泛的影响:以太湖八房港和闾江口水域为例

通过采集太湖八房港和闾江口疏浚后与未疏浚沉积物柱状样于室内模拟“湖泛”的发生与消退过程来研究底泥疏浚对藻源性“湖泛”形成和消退的影响.结果发现,疏浚能有效的延缓“湖泛”发生的时间,八房港和闾江口疏浚后沉积物柱状样水体色度均要低于未疏浚对照样,水体泛黑的时间也分别比未疏浚对照样延迟6d和2d.疏浚沉积物对上覆水柱中营养盐的含量也有较好的控制,试验过程中八房港和闾江口疏浚后沉积物柱状样水体中 NH4+-N的含量仅分别未疏浚对照组的40%和77.1%,PO43--P的含量也仅分别为未疏浚对照组的41.4%和78.1%.值得注意的是,疏浚沉积物所对应的水柱中Fe2+和S2-的含量均要高于未疏浚对照组.八房港和闾江口疏浚沉积物中亚铁的含量分别是未疏浚对照样的78.1%和76.4%,而闾江口疏浚后沉积物中酸挥发性硫化物(AVS)的含量则是未疏浚对照的1.36倍.沉积物中铁、AVS的含量没有表现出明显的垂向分布特征.     

液化条件下沉积物中氮、磷的释放规律

湖泊、海岸沉积物中的氮(N)、磷(P)等营养物质可以通过静态扩散或沉积物再悬浮向水体中释放。沉积物再悬浮过程中N、P的释放量可能大于静态扩散的释放量,特别是沉积物液化时再悬浮过程会对水体中N、P浓度产生重要影响。本文利用波浪水槽试验,研究了沉积层中的N、P在静置固结阶段(I)、加波未液化阶段(Ⅱ)、加波液化阶段(Ⅲ)中的释放规律。试验结果表明:阶段I水中的总磷(TP)、溶解性总磷(TDP)、总氮(TN)、溶解性总氮(TDN)浓度最低。阶段Ⅱ水中TP比阶段I提高了数倍,阶段Ⅱ水中TDP浓度比阶段I平均仅提高了0.2倍;阶段Ⅲ水中TP和TDP比阶段I分别提高可达59倍和25倍。阶段Ⅱ和Ⅲ水中TN、TDN均比阶段I提高了数倍。     

香溪河沉积物、间隙水的磷分布特征及释放通量估算

采集香溪河沿程5个样点不同季节、不同深度的沉积物,用Hedley分级方法分析磷形态及垂向变化特征,同时研究上覆水和间隙水理化性质对沉积物中磷释放的影响.香溪河上覆水及间隙水pH值范围为4.72~8.55,夏季呈弱酸性,秋季、冬季及次年春季pH值呈弱碱性;沉积物处于较强还原性环境;上覆水及间隙水总磷质量浓度(TP)年变化范围为0.02~0.48mg·L~(-1),沉积物TP含量为0.48~1.45 g·kg~(-1);沉积物中磷形态的含量为HCl-P(HCl提取态)Res-P(残余磷)NaOH-P(NaOH提取态磷)NaHCO_3-P(NaHCO_3提取态磷)H_2O-P(水提取态磷).沉积物-上覆水体交界面还原性环境有利于沉积物中磷向上覆水中释放;春季水体的弱碱性、夏季的弱酸性有利于沉积物向上覆水释磷,从而增加了上覆水体富营养化的风险;间隙水TP与沉积物TP含量密切相关;5个样点中有4个样点的PO_4~(3-)-P由间隙水向上覆水扩散,释放通量为0.01~0.04mg·(m~2·d)~(-1).沉积物是底层水体营养盐的重要来源.     

扰动与钝化剂对水/沉积物系统中磷释放及磷形态的影响

考察了扰动与钝化剂对滇池重污染底泥的磷释放的影响.结果表明,钝化剂(PAM+聚铝)有显著的抑制沉积物的磷释放和捕捉上覆水中含磷颗粒的效果.加钝化剂后,上覆水的总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)和溶解性无机磷(DIP)分别比未加钝化剂组低50.0%～89.8%,85.5%～97.9%和96.5%～100.0%.扰动促进了沉积物的磷释放,这是因为扰动导致泥水混合程度增加;扰动导致沉积物氧化还原状态的改变.5d后扰动组的磷开始释放,而未扰动组在第52d仍未释放.沉积物中释放的磷主要是磷酸盐.扰动促进了DIP的释放,扰动后DTP/TP、DIP/DTP及DIP/TP均增加.投加的铝盐的量在试验期间导致的上覆水中残余铝的含量在安全范围内.扰动对上覆水中残余铝的含量影响不大.     

太湖藻对水-沉积物界面磷交换过程的影响

采用太湖梅梁湾沉积物和上覆水,以及从太湖水体中分离出的水华优势蓝藻(铜绿微囊藻)和常见绿藻(月芽藻), 室内模拟研究了这2种藻对太湖梅梁湾沉积物磷交换过程的影响. 结果表明:藻种的不同显著影响磷在水-沉积物界面的交换过程. 在沉积物和上覆水灭活条件下,铜绿微囊藻能够显著增加沉积物磷的释放量,引起上覆水中可溶性磷酸盐的增加;而月芽藻的存在没有引起沉积物中磷的明显释放,上覆水中可溶性磷酸盐一直保持在很低水平. 在低磷浓度的水体中,藻类会被诱导产生碱性磷酸酶,分解大分子可溶性有机磷,以满足自身生长的需要. 沉积物中各形态磷存在明显的转化作用,其中铁磷和碱提有机磷含量明显下降,而钙磷和酸提有机磷含量则大幅增加.      

疏浚对梅粱湾表层沉积物重金属赋存形态及其生物毒性的影响

选择太湖梅梁湾未疏浚、疏浚后1周和疏浚后半年的表层沉积物为研究对象,测定其中重金属的含量及其不同赋存形态所占比例,开展沉积物间隙水中重金属毒性试验,据此探讨疏浚对沉积物中重金属含量及其赋存形态所占比例和生物毒性的影响. 结果表明:太湖梅梁湾调查区未疏浚沉积物重金属含量明显高于疏浚区,重金属的生物毒性占沉积物综合毒性的25%～35%. 疏浚后1周沉积物重金属含量急剧降低32%～51%,但对重金属生物毒性影响较大的吸附态及碳酸盐结合态重金属比例由未疏浚时的未检出或含量极低增加到40%～83%,生物毒性相应增加17%～38%;疏浚后半年,沉积物中重金属的总量略有回升,吸附态及碳酸盐结合态重金属比例下降,生物毒性下降并低于未疏浚时水平.      

湖泊疏浚方式对内源释放影响的模拟研究

通过室内模拟试验,探讨不同疏浚方式对内源氮磷释放的影响以及不同湖区疏浚后氮磷释放的差异性.理想式疏浚和绞吸式疏浚沉积物磷的释放速率分别为未疏浚的20%和72%,并且A(内湾)湖区沉积物磷的释放速率是B(外湾)湖区的80%左右.理想式疏浚和绞吸式疏浚后沉积物氨氮的释放速率分别是抓斗式疏浚的40%和83%,但是这几种疏浚方式对氨氮的释放并没有达到理想的效果,在短期内对氨氮的释放甚至是起促进作用的,并且A湖区(内湾)氮的释放速率约是B湖区(外湾)的1.5倍,这应该看作是湖泊疏浚工程一个潜在的负作用.研究结果表明,理想式和绞吸式疏浚方式对内源释放有较好的控制作用,在外源输入得到有效控制的前提下,底泥疏浚可以作为湖泊沉积物污染修复的手段,并且结合目前的技术手段,在太湖的疏浚工程中应尽量选择绞吸式疏浚.     

太湖磷循环的生态动力学模拟研究

构建了太湖水生态动力学模型(CAEDYM),依据已有相关研究成果对模型参数进行了初选,利用2005年的水文、气象、水质等监测数据对模型参数进行了率定,分析了湖泊水体磷的循环机制和沉积物内源磷的释放机制.结果表明,水温和溶解氧的模拟结果与实测数据非常吻合,TP、PO43-和Chl-a的变化趋势也与实测结果基本相同.浮游植物优势种的演替模式表现为:冬季隐藻和硅藻占优势,春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势;磷的内源释放对太湖磷循环影响的模拟结果表明,在不改变外源输入的情况下,降低底泥中磷的再悬浮作用能够有效降低水体中Chl-a的浓度,但对水体中TP及PO43-的影响较小.     

巢湖近代沉积物及其间隙水中营养物的分布特征

湖泊沉积物及其间隙水中的营养盐对于研究湖泊营养盐的生物地球化学和湖泊营养状态的历史变化具有重要的作用.系统研究了巢湖东、西湖区沉积物和间隙水中营养盐的剖面分布特征及其营养盐之间的相互关系.结果表明,巢湖近代沉积物中营养盐含量总体上随着深度的增加而降低,上层沉积物(1～15cm)中TOC(总有机碳)、TN(总氮)、TP(总磷)和Pi(无机磷)的含量都表现出明显的区域差异性,从西到东逐渐减小,含量的大小顺序为C1C3C16;东、西湖区下层沉积物(15～30cm)中TOC、TN和TP的含量差异不明显,分别在5mg.g-1、0.5mg.g-1和0.45mg.g-1左右变化;Po(总有机磷)在整个剖面上的分布则相反,总体上从西向东逐渐增大,含量大小顺序为C16C3C1.沉积物间隙水中的营养盐在空间上的分布规律与沉积物相似,西湖区两个点(C1、C3)沉积物间隙水中的营养物浓度总体上高于东湖区的C16点,大小顺序为C1C3C16,间隙水中的氮、磷酸盐、硅酸盐处于协同变化.间隙水中的氮与沉积物总氮含量密切相关;西湖区间隙水中的磷与沉积物磷含量密切相关,但在东湖区相关性不显著.表层沉积物间隙水中营养盐浓度都明显高于上覆水体,表明沉积物中的营养盐是水体营养盐的主要来源之一.     

三峡库区汉丰湖水体氮磷及化学计量比季节变化特征

在分析2017年3月至2018年2月汉丰湖水体氮磷营养盐质量浓度季节性变化的基础上,利用氮磷化学计量摩尔比评估水体氮磷养分限制状态.结果表明：湖体TN、DN和NO₃^--N平均质量浓度分别为1.60、1.25和0.91 mg·L^-1,三者季节变化过程相似,均呈现出冬季最高、夏季最低的特点.NO₃^--N对水体TN贡献较大,NH₄⁺-N和NO₂^--N质量浓度维持在较低水平且变化平稳.TP、DP和PO₄^3--P平均质量浓度分别为0.13、0.09和0.06 mg·L^-1,TP和DP质量浓度变化相似,呈春夏季升高,秋冬季先降低再升高的趋势,而PO₄^3--P质量浓度则波动降低.TN/TP范围在11.07~56.02之间,均值为29.23,TN/TP呈季节性波动变化,最高值出现在冬季,最低值出现在夏季.汉丰湖水体多数时间适宜藻类生长繁殖,少数时间处于N限制状态,极少数时间处于P限制状态.降雨径流、肥料使用、污水排放和水生生物活动等因素皆会影响TN/TP的季节变化,同时根据汉丰湖水质特征提出保护建议.     

珠江口三维水质与底泥耦合模型的验证及应用

基于一维河网与三维河口耦合水动力模型,建立了可描述珠江口水体-底泥中营养盐动态变化的三维水质-底泥模型,利用1999年和2006年夏季观测数据对模型进行了验证,在此基础上,模拟分析了珠江口主要水质因子和底泥营养盐通量的分布特征,以及底泥通量对珠江口营养盐输入的贡献.验证结果表明,模型能较好地反映出水体和底泥中的营养盐及溶解氧浓度的时空分布特征,各水质因子的模拟值与观测值的相对误差均小于38%;另外,底泥营养盐通量的模拟值与文献报道的实测结果较为接近,表明模型能合理地刻画出底泥主要生化过程及通量变化特征.模拟结果显示,夏季珠江口氨氮(NH_4~+-N)和活性磷酸盐(PO_4~(3-)-P)通量主要从底泥向水体输送,底泥是水体氮磷元素的源,而硝态氮和亚硝态氮(NO_3~-+NO_2~-,NO23)的通量输送方向则与之相反,底泥呈现“汇”的效应;底泥营养盐通量主要从河口向外海递减,伶仃洋NH_4~+-N、NO23、PO_4~(3-)-P的通量变化范围分别为0.24~8.88、-10.06~-0.14、-0.37~0.41 mmol·m~(-2)·d~(-1),珠江口近海的通量变化范围分别为-0.01~4.14、-1.45~0.68、-0.12~0.09 mmol·m~(-2)·d~(-1).整体而言,底泥营养盐通量对珠江口营养盐输入有明显贡献,夏季经底泥释放进入水体的NH_4~+-N和PO_4~(3-)-P最大相当于陆源总氮、总磷输入量的12%和22%.     

苏州古城区域河道碳氮磷类污染物的分布特征

苏州是水质型缺水城市,节水、减排、控源和截污等工程实施后,水质问题依然严峻.为了解苏州古城区域河道中碳氮磷类污染物的总量及分布特征,提出河道疏浚决策依据,于2019年春季在苏州古城区域采集了20个代表性断面的河道底泥和水体样品,测定了河道底泥的深度,分析了河道底泥和水体样品中碳氮磷类污染指标的含量,评价了河道底泥和水体的污染程度,并预测了换水、引水、降雨和疏浚情境下水质的变化.结果表明,苏州古城区域河道底泥深度在22~1025 mm之间（均值为266 mm）,底泥总质量约为5.2×10⁵ t.底泥中总有机碳、总氮、氨氮、总磷和有效磷平均含量分别为3.4%、2074 mg·kg^-1、140.2 mg·kg^-1、1765 mg·kg^-1和57.2 mg·kg^-1,属中度污染,总磷含量超标点超过90%,环城河污染程度最高,建议优先疏浚.水体中总有机碳、生化需氧量、化学需氧量、总氮、氨氮、凯氏氮、总磷和磷酸盐平均浓度分别为7.8、0.6、13.1、2.5、0.643、1.3、0.18和0.09 mg·L^-1,属重度污染,为劣V类地表水,总氮浓度严重超标.基于沿程碳氮磷类污染物总量的分布情况,苏州古城区域河道疏浚推荐顺序为环城河、古城北部河道、干将河和古城南部河道.降雨情景下,初期径流污染物浓度高,将导致河道水质急剧下降;换水和引水情境下水中总氮总量均减少0.2 t,完全疏浚后水中总氮总量分别进一步减少4.58 t和2.19 t.底泥磷以外源输入为主,可受纳部分水体中的磷,故疏浚后,水体中总磷总量可能增加.     

巢湖十五里河水花生生长区沉积物及间隙水中营养盐的基本特性

为揭示十五里河水生植物(水花生)生长区沉积物及间隙水营养盐的基本特征,在河道上选择3个具有代表性的采样点位(SP1、SP2和SP3)和1个对照点位(SP4),采集15根沉积物柱状样,并按2 cm厚度现场分层,得到样品80个.在对沉积物TN、TP、NH4+-N、NO3--N、Fe/Al-P、Ca-P、有机质含量及间隙水TN、TP、NH4+-N、NO3--N、PO34--P浓度分析测试基础上,解析沉积物及间隙水的氮磷垂直剖面分布特征,并进行氮磷相关性分析.由间隙水氮磷剖面分布发现,水花生生长区孔隙水氮磷浓度具有大致相似的垂直变化特性;除PO34--P浓度存在差异外,不同采样点位表层沉积物-上覆水界面的营养盐源汇关系,也具有很好的一致性.研究表明,在沉积深度0～18 cm内,水花生生长区的间隙水NH4+-N和NO3--N垂直浓度剖面,基本上都可以由Origin软件提供的Exp2PMod2或Exp3P2指数函数拟合,而PO34--P则不具备这一特点,暗示着间隙水PO34--P扩散的规律性弱于NH4+-N和NO3--N.     

基于沉积物中总氮和总磷垂向分布与吸附解吸特征的白洋淀清淤深度

针对白洋淀清淤示范区2种主要水体类型：开阔淀和鱼塘,采用沉积物总氮（TN）和总磷（TP）的垂向分布拐点法和吸附解吸平衡浓度法,开展了清淤深度确定研究.根据沉积物TN和TP含量垂向分布拐点法与吸附解吸平衡浓度分别确定的清淤深度是一致的.南刘庄示范区淀水体清淤深度为（50±10）cm,南刘庄示范区鱼塘水体清淤深度为（30±10）cm,采蒲台示范区鱼塘水体清淤深度为（30±10）cm.沉积物对NH₄⁺-N吸附/解吸平衡浓度（ENC₀）与交换态NH₄⁺-N含量和TN含量显著正相关;沉积物对溶解态活性磷（SRP）吸附/解吸平衡浓度（EPC₀）与沉积物交换态SRP含量和TP显著正相关.沉积物TN和TP含量可以预测沉积物对上覆水体释放氮、磷的风险.南刘庄和采蒲台清淤示范区沉积物有向上覆水释放氮、磷的趋势,沉积物是水体营养的来源.建议判别清淤深度TN控制值为750mg·kg^-1、TP控制值为500mg·kg^-1,沉积物剖面TN含量大于750mg·kg^-1、TP含量大于500mg·kg^-1,可设计为清淤层.     

南四湖内源氮磷释放的对比研究

采用柱状沉积物采样器和Peeper间隙水采集器分别于2011年8月获取南四湖不同湖区原位柱状沉积物和间隙水,通过原柱样静态释放实验及间隙水分子扩散模型对其氮磷释放规律进行了研究.结果表明,南四湖不同湖区夏季氮磷界面交换速率差异显著,静态释放实验沉积物NH4+-N和PO43--P的释放速率分别为3.1～10.3 mg·m-2· d-1和0.3～2.7mg·m-2· d-1,总体呈北高南低的趋势,南阳湖明显大于其他各湖区,这与其距离济宁市区较近,沉积物受污染较重有关.Peeper法与离心法分别获取不同湖区间隙水,利用分子扩散模型计算出NH4+-N和PO43--P的释放速率分别为3.69～4.51 mg·m--2·d-1、0.24 ～0.66 mg·m-2·d-1和2.54～4.16 mg·m-2·d-1、0.04～0.51 mg·m-2·d-1,同一采样点,Peeper法计算出释放速率比传统离心法高出约20％.通过静态释放实验获得的NH4+-N和PO43--P释放速率(R)在空间分布上与间隙水分子扩散模型计算出的结果相一致,但前者明显大于后者,将其进行比较,氮和磷的R/F值分别为0.84 ～2.64和2.03 ～13.79,表明原柱样静态模拟实验进行内源释放速率估算时,可能比分子扩散模型法计算的结果更接近于实际情况.     

Effects of physical and chemical characteristics of surface sediments in the formation of shallow lake algae-induced black bloom

Surface sediments are closely related to lake black blooms. The dissolved oxygen （DO） distribution and its penetration depth in surface sediments as well as the migration and transformation of redox sensitive elements such as Fe and S at the sediment-water interface are important factors that could influence the formation of the black bloom. In this study, dredged and undredged sediment cores with different surface properties were used to simulate black blooms in the laboratory. The Micro Profiling System was employed to explore features of the DO and ∑H2S distribution at the sediment-water interface. Physical and chemical characteristics in sediments and pore waters were also analyzed. The results showed that sediment dredging effectively suppressed the black blooms. In the undredged treatment, DO penetration depth was only 50 μm. Fe^2＋ concentrations, ∑H2S concentrations, and ∑H2S production rates were remarkably higher in surface sediments and pore waters compared to control and dredged treatments. Furthermore, depletion of DO and accumulation of Fe^2＋ and ∑H2S in surface sediments and pore waters provided favorable redox environments and necessary material sources for the blooms. The study results proved that physical and chemical characteristics in surface sediments are important factors in the formation of the black bloom, and could provide scientific guidance for emergency treatment and long-term pre-control of black blooms.     

底泥疏浚对太湖内源及底栖生物恢复的影响

底泥疏浚对湖泊内源削减具有重要的作用,是富营养化湖泊内源治理的重要技术之一.以太湖疏浚区为对象,估算了近十余年疏浚对内源负荷的削减量,并评估了太湖北部竺山湖和梅梁湖的底泥疏浚效果.结果表明,太湖累计疏浚的4 200万m³底泥,共计清除了底泥中氮约6.26万t,总磷约1.83万t,有机质约117万t,相当于清除了蓄积于底泥中二十余年的外源污染物输入量.对于外源控制较好的梅梁湖,底泥疏浚后5 a内水质改善明显,随后出现反弹,但仍有效削减了表层底泥总氮和总磷含量.相反,对于外源输入仍较大的竺山湖,疏浚十余年后,底泥内源又回复到浚前水平.对竺山湖疏浚区开展了长达6 a的底栖生物群落跟踪评估,发现疏浚初期对底栖生物群落具有一定的影响,但浚后2 a,底栖生物密度与生物量等指标已接近浚前水平. 6 a后,疏浚区与未疏浚区的底栖生物群落多样性指数已无差别.结果也表明,底泥疏浚对湖体内源具有较好的控制效果,且疏浚效果维持程度与外源输入强度密切相关.此外,长期来看,疏浚区底栖生物群落依靠自恢复能力可达到浚前水平,疏浚不会对底栖生物群落结构造成影响.     

太湖内源营养盐负荷状况及其对上覆水水质的影响

以太湖沉积物-上覆水界面为研究对象,于2013年夏季采集46个样点的沉积物柱状样,分析表层沉积物孔隙水中营养盐(正磷酸盐、氨氮、硝氮)的浓度空间分布,估算表层沉积物中磷、氮的扩散通量,明确营养盐在沉积物-水界面的分布规律,以探明内源营养盐负荷对太湖上覆水的污染贡献,并为沉积物-水界面氮磷的转移过程理论补充证据.结果表明:太湖西北部区域的表层沉积物孔隙水中正磷酸盐和硝氮浓度较高,分别达到1.11 mg·L~(-1)和1.25 mg·L~(-1)以上;大部分湖区的氨氮浓度超过2 mg·L~(-1).全湖区范围内,从表层沉积物的上覆水到孔隙水,氨氮含量呈现升高趋势而硝氮含量呈现降低趋势.北部3个湖湾区的沉积物营养盐扩散通量最高,正磷酸盐为2.69~4.60 mg·m~(-2)·d~~(-1),氨氮为17.8~45.7 mg·m-2·d~(-1),而湖岸河口区是沉积物硝氮内源释放显著的区域.沉积物向上覆水释放正磷酸盐和氨氮的年内源污染负荷分别为64.6 t·a~(-1)和1756 t·a~(-1);而上覆水向沉积物汇入硝氮的年负荷为1102 t·a~(-1).氨氮的内源污染负荷与外源污染负荷之比高达18.7%,氨氮、总磷和总氮内源污染为上覆水贡献的浓度分别为0.361、0.013和0.134 mg·L~(-1),表明自由扩散带来的内源负荷会使太湖水中营养盐污染恶化,需引起重视.