风浪作用下的底泥悬浮沉降及内源释放量研究

分别于春夏秋冬4个季节对太湖梅梁湾水体开展了5次野外实验,利用沉积物捕获器收集沉积物,采用Gansith公式法计算了沉积物的再悬浮通量,并建立了其与风速的关系;对代表不同风浪作用下的太湖悬浮物进行了7次静沉降实验,计算了悬浮物的静沉降通量,并建立了其与悬浮物浓度关系.以3.7 m/s为界对低泥悬浮沉降过程进行分解和概化,计算了2005年每日的悬浮沉降量,并利用近10年的风速资料估算了太湖年均内源释放量,结果表明,太湖每日的内源释放量受风速影响显著,和风速变化趋势较为接近,然而不同营养盐的释放状况却各不相同.太湖内源年均进人水体的净底泥量有19.03万t,冬季最大.夏季次之;就营养物质释放量而言,COD约4.96万t、总氮约7 773.0 t、总磷约275.5 t.其中秋季营养物质释放量最小,夏季最大.     

太湖底泥沉积物释放规律研究

为探索浅水湖泊水动力扰动作用对底泥再悬浮影响的规律,通过矩形水槽试验模拟了太湖不同流速下的沉积物释放,并结合太湖悬浮物模型进行推算,获得了底泥沉积物再悬浮通量与风速之间的定量关系。结果表明:太湖底泥在3种起动标准下对应的起动流速分别为15、30和40 cm/s;底泥沉积物再悬浮通量与风速呈现线性正相关关系,再悬浮通量随风速增大而增大,且相关性较好。该方法为太湖内源释放量估算及富营养化治理提供参考依据。     

太湖氮、磷自净能力的实验与模型模拟

于2011年9月对太湖竺山湖开展了1次湖区实验,根据质量平衡原理,通过进出竺山湖湖区河道以及竺山湖湾心、湾口水量、水质测量,弄清了竺山湖湖区营养物质进出以及消纳规律,从而为完善水量-水质模型参数提供依据,也为进一步研究太湖水体自净能力提供了基础资料.采用EcoTaihu模型模拟了太湖营养物质的循环以及自净能力,根据竺山湖湖区实测结果对模型进行了验证,实验得到竺山湖湖区总氮年自净能力为1 979 t,总磷年自净能力为119 t,通过EcoTaihu模型计算得到竺山湖总氮年自净能力为1 911 t,总磷年自净能力为116 t,实测数据和模型较为吻合.模型计算结果表明,2006、2008、2010年太湖氮元素自净能力分别为4.00、4.27、4.11万t.2006、2008、2010年太湖磷元素自净能力分别为1 566、1 798、1 712 t.     

太湖湖滨带春季悬浮物沉降特征与水体营养盐响应

为研究湖滨带悬浮物沉降过程中水体营养盐时空分布状况,在太湖西岸湖滨带典型区域进行原位沉降实验,计算了沉降量和沉降通量,并对沉降过程中TP、TN、NH+4-N、NO-3-N测定分析.结果表明,太湖西岸湖滨带沉降通量表现为人工芦苇区近岸无植被区自然芦苇区远岸无植被区,平均沉降通量分别为(1 383.40±925.60)、(1 208.67±743.50)、(278.72±142.53)、(245.58±154.25)g·(m2·d)-1,沉降第6 d以后沉降量稳定上升,沉降速率大于分解速率;经过持续15 d野外沉降实验观测,沉降过程中近岸带的TP含量是远岸带的2~3倍,且沉积物捕获器内NH+4-N和NO-3-N含量出现显著的差异(P0.01);沉降量与水体TN和NH+4-N含量呈显著相关(P0.01,n=42),表明沉降量的增加会导致上覆水体TN与NH+4-N含量增加;TN与NH+4-N相关系数为0.84,显示沉降量的增加可能加速氮素不同形态间相互转化,这一现象在当前太湖湖泛治理中应当予以重视.     

滇池福保湾植被重建对底泥再悬浮及营养盐释放的控制

为估算滇池福保湾植被重建工程对底泥再悬浮及营养盐的控制效果,对重建示范区内及区外进行了悬浮物沉降现场研究,并利用颗粒物捕获器收集底泥悬浮颗粒,分析重建区内、重建区外、不同生活型植物重建区的悬浮颗粒物沉降通量,比较了不同水生植物修复区的颗粒物再悬浮通量,估算了植被重建区底泥再悬浮的通量及营养盐N、P释放量.结果表明:水生植被重建区外悬浮物净沉降量明显高于重建区内,对工程实施效果进行估算,97d内工程区内底泥的再悬浮量、N的释放量、P的释放量分别是区外相同面积的15.71%、13.30%和12.44%,底泥污染控制与植被重建后对沉积物再悬浮抑制作用较为明显,沉水植物对底泥再悬浮的抑制效果相对挺水植物显著.     

太湖水体及表层沉积物磷空间分布特征及差异性分析

通过对水体不同程度富营养化湖泊——太湖全湖40个位点的高密度采样分析,得到太湖水体及表层沉积物各污染因子在太湖的空间分布特征图,结果表明,太湖水体中SRP、TP、TN及沉积物中TOC、TN、TP及P的各形态等在空间上表现出明显的分异性,水体中污染物主要分布于竺山湾、五里湖、梅梁湾及太湖西部等湖区,TN、TP最低值为0.05、0.88mg·L-1.沉积物中Fe-P的分布与水体中TP类似,含量在29.13～258.31mg·kg-1之间变化.Ca-P除主要分布于南部太湖及东太湖外,西北部湖区也见大量蓄积,最高值达357.68mg·kg-1.OP的高值分布于西北部湖区,最高值达371.91mg·kg-1.沉积物中IP占TP的含量高于OP,最高值高出OP含量约50%.IP中Fe-P的比例虽然低于Ca-P,但与水体中SRP、TP之间的高度相关性(R为0.49、0.64),指示Fe-P的内源释放为太湖水体中磷的重要来源之一.而沉积物中TOC与C/N、TN、TP及P的各形态之间的显著相关性,表明了高有机质含量更利于对营养盐的蓄积埋藏.太湖水体及表层沉积物各指标空间上表现出如此明显的区域性差异,除受不同湖区入湖污染源直接作用外,还和各参数不同的生物地球化学行为有关.     

风浪扰动下的太湖悬浮物实验与模拟

采用太湖湖区底泥,根据波浪水槽实验总结了各种扰动强度下太湖底泥的起动切应力.波浪水槽可以系统地模拟太湖常见的波浪强度.通过实验确定了太湖底泥的临界切应力为0.050 Pa,采用国外先进的FVCOM模型计算模拟了太湖流场和悬浮物分布并和太湖实测资料进行了对比,结果较为合理,证明了模型的有效性.由于目前太湖的野外监测资料存在较明显的时空不一致性.模型参数率定的精度受到了较大影响,太湖悬浮物与太湖底泥的内源释放以及水体的透明度有较大关系,因此通过室内实验研究太湖的悬浮物规律对太湖的富营养化治理具有重要意义.     

太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析

采用SMT法于2009年11月对太湖北部湖区梅梁湾(T1)、竺山湾(T2)、太湖西部(T3)、太湖南部(T4)、太湖东部(T5)及湖心区(T6)沉积物30cm深度上不同磷形态进行分析,结果表明,太湖不同营养水平湖区不同磷形态含量变化明显,北部竺山湾及太湖西部富营养化明显, NaOH-P含量明显高于其他湖区,占TP比例总体为T2 > T1 > T3 > T4、T5、T6.反映太湖北部及西部受人为污染源输入影响严重. HCl-P则表现为太湖北部及西北部含量总体低于太湖南部\东部,占TP比例总体为T4 > T5 > T6 > T1、T3 > T2. OP随深度至约15cm迅速降低,和太湖较强的矿化作用有关系. 同NaOH-P一样, TP表现出太湖北部及西北部含量高于其他湖区的总体趋势,反映了太湖北部和西北部湖区特别是竺山湾富营养化高于其他湖区.     

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.     

太湖北部湖区水体与沉积物中Cd污染现状分析

对太湖北部湖区水体及沉积物中Cd含量、形态分布及其可能产生的环境风险进行了研究.结果表明,太湖北部湖区水体Cd质量浓度为69.35～85.11 ng/L,处于低剂量范围;表层沉积物中Cd质量比范围为0.70 ～ 2.84mg/kg,存在一定的潜在环境污染风险,但沉积物中Cd含量随着深度的增加逐渐降低.沉积物中不同形态Cd的含量及其比重在各点位间均存在明显差别,梅梁湾及环山河底泥中酸溶态、可氧化态和可还原态Cd所占比重均较高,存在较强的生物可利用性,而竺山湾中残渣态比重最高;各形态Cd含量的总体分布趋势与沉积物中Cd总量基本一致,表现为竺山湾＞梅梁湾及环山河,且与Cd总量呈现出显著相关关系,竺山湾沉积物Cd的生态风险较大.水体与沉积物中Cd含量的空间分布差异主要与湖湾周围的污水排放及湖流作用下的蓝藻堆积沉降有关.