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.     

太湖重污染湖区底泥内源释放量计算研究

在春夏秋冬4个季节不同风速段对竺山湖及太湖西岸湖区底泥内源释放进行了研究,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;对代表不同风浪作用下的悬浮物进行了静沉降实验,计算了悬浮物的静沉降通量.对太湖站33个观测站近10年的的风速资料进行统计分析并估算了太湖年均内源释放量.结果表明,竺山湖及太湖西岸湖区年平均内源释放量COD,TN,TP分别为4100,647.8和23.0 t.     

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。     

流速对太湖河道底泥泥沙、营养盐释放规律影响实验研究

河湖中的底泥作为二次污染源,影响河道水环境.太湖河口及调水区河流底泥泥沙、营养盐的释放扩散受水动力条件的影响越来越受到人们的重视.用环形水槽模拟河道的水动力条件的改变,通过实验研究悬浮泥沙、总溶解氮磷(TDN,TDP)和总氮磷(TN,TP)浓度在不同流速条件下在水体中的变化情况,从而掌握底泥泥沙、营养盐在不同流速下的释放特性.本研究按照泥沙的起动标准,把相对应的流速分为"个别动"、"少量动"以及"普遍动"流速,对应不同的泥沙悬浮量以及营养物质的释放量.研究显示高于起动流速下营养盐的动态释放较低于起动流速下的静态释放.泥沙的悬浮量与营养物质的动态释放过程密切相关.TDN、TDP释放量和最终平衡浓度随流速呈对数关系;TN、TP平衡浓度随流速增加呈指数形式增加.整个释放过程为,0~30 min的释放前期为孔隙水释放,营养物质释放量大且速率快;后期为再悬浮颗粒物释放,释放量小且速率减慢,达到平衡之后,营养盐浓度基本稳定.营养物质的空隙水释放与在悬浮颗粒物释放的比例有待进一步的研究.     

新安江水库悬浮颗粒物时空分布、沉降通量及其营养盐效应

为分析降雨入流影响下水库悬浮颗粒物的时空分布及沉降特征,在华东地区最大水库新安江水库(千岛湖)的河流区、过渡区和湖泊区(分别对应街口、小金山和大坝这3个水质断面)布设水体沉降物自动捕获器和水质高频自动监测浮标,结合定期水样采集分析,开展了为期1 a的水体颗粒物沉降通量及其营养盐效应观测研究.结果发现,水库水体浊度、悬浮颗粒物浓度(SS)、颗粒物沉降通量与降雨量、入库流量极显著相关(P0.01),其中浊度与SS的相关性最好(R~2=0.86);在降雨较多的春夏季,SS空间差异明显(河流区过渡区湖泊区),而秋冬空间差异不大;颗粒物沉降通量具有明显的时空异质性,空间上河流区过渡区湖泊区[分别为27.82、 4.34和0.26 g·(m~2·d)~(-1)],时间上春夏季秋冬季;结合全湖60个点位四季悬浮物浓度调查估算,全库颗粒物沉降通量为2.57×10~6 t·a~(-1),其中春夏季沉降通量高于秋冬季;街口、小金山和大坝捕获沉降物中颗粒态氮含量(PN)分别为6 812、 15 886和21 986 mg·kg~(-1),磷含量(PP)分别为2 545、 3 269和3 077 mg·kg~(-1),自上游向下递增.统计分析表明,中雨以上降雨过程与河流区浊度增量呈指数相关(R~2=0.81),持续强降雨则对浊度有累加效应,但对过渡区影响不大;SS浓度自河流入库区至下游大坝随距离增加呈较好的指数下降特征(R~2=0.84),降雨较多的春夏季更为明显.结果还表明,新安江水库年均库容淤损率为0.07%,与全国其它大型水库相比较低,但是坝前沉降物营养盐含量较高,具有一定的内源释放风险;管理上应加强流域水土保持治理,降低降雨冲刷对水质的影响;同时关注坝前高营养沉积物的内源释放对水质的影响.     

夏季海水养殖区大型网箱内外沉降颗粒物通量

通过模拟实验,研究了爱伦湾抗风浪网箱沉降颗粒物(SPM)的通量,估算了12h内SPM中无机氮(IN)、(无机磷)IP的释放速度.结果表明,由于投饵不当,残饵和粪便大量产生,严重影响水域生源要素的生物地球化学行为.SPM通量、POC、TN、TP的通量均为网箱内大于网箱外.SPM的C/N为21.6～69.2,说明在浅海区沉降过程中,N的分解较快,爱伦湾是低生产力水域.N/P为0.54～0.99,颗粒物中氮缺乏.短期内,SPM都释放IN、IP. SPM对NH4+-N有一定的吸附特性,SPM中POC 71%～76%被释放,TP 88%～97%被释放,TN的吸附率为44%～94%.     

模拟扰动条件下太湖水体悬浮物的结构特性

设计了1个水体扰动模拟实验装置, 通过该装置中的光散射分析仪和图象采集、分析系统,能在线记录底泥受到不同强度扰动时水体中悬浮颗粒物的变化过程.利用该装置,研究了太湖梅梁湾3个采样点的底泥在受到不同强度扰动后,水体浊度变化规律和悬浮颗粒物结构特性.结果表明,底泥含水率及粒度分布对底泥受扰动后再悬浮的潜力有较大影响,含水率越高,再悬浮的潜力越大.随着扰动强度增大,水体的浊度相应增加,水体中悬浮颗粒物中值粒径也增大,分别从6.63, 5.79, 5.51 μm上升到12.49, 11.38, 13.33 μm.悬浮颗粒物图象分析表明,颗粒物在扰动中发生聚集、絮凝过程.颗粒物图象的形态学分析表明,悬浮颗粒物形状呈现分形现象,颗粒物的长短比在1.27～1.52之间,分形维数D₂则在1.72～1.94之间.     

底泥再悬浮状态下生物有效磷形成机制研究

研究了底泥再悬浮状态下,不同形态磷及生物有效磷(BAP)含量的变化,并对生物有效磷的形成机制进行了初步探讨.结果表明,底泥再悬浮对磷的赋存形态有显著的影响.随着底泥再悬浮时间的延长,铁结合态磷(BD-P),铝结合态磷(Al-P),钙结合态磷(Ca-P)含量显著增加,而弱吸附态磷(NH4C1-P)则有所减少.底泥再悬浮后, BAP平均下降6.59%,说明底泥再悬浮促进了 BAP 向难被生物利用态磷的转化.藻类可利用磷(AAP)主要来自BD-P,但提取AAP后,再悬浮底泥BD-P释放量平均下降了33.4%,而对照试验底泥BD-P释放量则增加了19,8%,说明BD-P的性质对AAP的形成有显著的影响;NaHCO,可提取磷 (Olsen-P)主要来自BD-P、Al-P 和 NaOH-nrP,按照三者的释放量, Olsen-P与BD-P的关系更为密切.     

长江武汉段沉积物再悬浮过程中PAHs释放的预测模型

为研究长江武汉段沉积物再悬浮过程中多环芳烃的释放,采用回归方法建立了剪应力与再悬浮颗粒物浓度、有机碳含量及PAHs浓度之间的定量关系模型,并结合PAHs在悬浮颗粒物-水体分配系数,建立了不同剪应力条件下再悬浮过程中上覆水体PAHs浓度预测模型,通过模型预测结果与实验结果的比较,表明模型具有良好的预测效果,可用来进行不同剪应力条件下沉积物再悬浮过程PAHs释放的预测.     

不同释放模式下网湖沉积物氮磷释放通量估算

网湖位于长江中游,富营养化问题突出,然而目前缺少对网湖内源氮、磷污染负荷的系统研究.通过采集原位柱状沉积物样品,分析了网湖沉积物氮、磷赋存量及空间分布特征.以野外再悬浮观测和室内静态培养相结合的方式,分析了底泥氮磷静态释放通量和再悬浮释放通量.结果表明：底泥TN、TP含量分别为1580～4530 mg·kg^-1(平均值3122 mg·kg^-1)和45～2106 mg·kg^-1(平均值913 mg·kg^-1),氮、磷累积污染量大.西北部湖湾I区表层沉积物TN含量最高,与该区接纳的来自于赛桥湖的污染物入湖通量最大有关.TP含量最高点位于湖心IV区,主要受历史投肥养殖造成的底泥磷累积污染影响.PO₄^3-的静态释放通量为7.4～50.9 mg·m^-2·d^-1,平均值为18.7 mg·m^-2·d^-1,沉积物能持续向上覆水释放PO₄^3-....     

再悬浮作用下长江口近岸沉积物中Cd、Pb和Cr的迁移与释放

利用PES（particle entrainment simulator）模拟装置,实验测定了不同的扰动强度和时间对长江口沉积物中Cd、Pb和Cr再悬浮释放和迁移的影响.在再悬浮过程中,上覆水中溶解态Cd、Pb和Cr的质量浓度分别在0.015～0.157、0.013～0.890和0.066～1.468μg.L-1之间变...     

太湖草型湖区沉积物再悬浮对水体营养盐的影响

再悬浮过程中沉积物对水体营养盐的内源贡献是湖泊,特别是浅水湖泊富营养化研究中的重要问题.采用原位沉积物柱样和原状上覆水的Y型扰动装置,被用来研究常规风情下太湖草型湖区沉积物的再悬浮和沉降过程对水体营养盐负荷的影响.结果表明,小风和中风的再悬浮过程导致水体氨氮和磷酸根磷含量显著下降,单位面积水柱含量最大变化量分别为-0.140 g·m-2和-1.59 mg·m-2;大风条件下,水体氨氮含量下降幅度很小,磷酸盐则出现明显增加趋势,最大增量为0.81mg·m-2.再悬浮过程之后的沉降过程中,中、小风条件的水体氨氮含量变小,大风条件的含量没有明显变化.磷酸根磷含量在中、小风条件下与风浪前差别较小,大风条件的含量则明显增大,最大增量为1.36 mg·m-2.因此,沉积物的再悬浮过程和沉降过程对上覆水体的营养盐动态负荷都产生重要影响.与太湖无植被湖区的研究结果对比说明,水生植物的存在对风浪作用下沉积物与上覆水的物质交换有一定的抑制作用.     

底泥不同悬浮方式对水体生物有效磷的影响

以太湖月亮湾底泥为材料,通过室内模拟实验研究了底泥不同悬浮方式(底泥扰动、底泥曝气)对水体中生物有效磷的影响。结果表明:底泥再悬浮导致颗粒态磷生物有效性呈下降趋势,10 d时,藻类可利用磷(AAP)占总磷(TP)的百分比仅为初始状态(39.86%)时的34.75%(底泥扰动)和17.03%(底泥曝气)。内源磷形态分析表明,悬浮物中Fe/Al-P含量、非闭蓄态Fe/Al-P(AAP)占Fe/Al-P的比重均有下降的趋势。这主要与底泥再悬浮导致溶解氧融入(溶解氧从2.59 mg/L(初始状态)分别增加至5 mg/L(底泥扰动)和6 mg/L(底泥曝气)左右)和pH改变(pH值从8.07(初始状态)分别降至7.4(底泥扰动)和7.3(底泥曝气))有关。实验结束时颗粒态磷生物有效性突然升高,出现这种现象的原因较复杂,可能与底泥再悬浮状态下底泥的物理化学变化和水中微生物的作用有关,还需要进一步探究。底泥再悬浮导致水体中可被利用颗粒态磷(BAPP)和溶解态磷(DTP)含量降低,从而导致上覆水中生物有效磷(BAP)含量降低。     

冬季巢湖SPOM来源、空间变化及营养盐效应

为研究枯水期巢湖水体悬浮颗粒物（SPM）营养元素组成及其潜在环境效应,分析了2020年1月巢湖18个采样点表层水体SPM含量、颗粒有机质（SPOM）含量及氮磷组成,并利用颗粒有机碳、氮同位素组成及C/N研究了冬季巢湖SPOM的来源及其空间变化. 结果表明,悬浮颗粒物总磷(PP)浓度为0.032~0.065 mg/L,平均值为0.049 mg/L;悬浮颗粒物无机磷(PIP)浓度为0.018~0.046 mg/L,平均值为0.032 mg/L,是PP的主要组分,二者浓度均呈西湖区>东湖区>中湖区的空间分布特征. 悬浮颗粒物总氮(PN)浓度为0.254~0.424 mg/L,平均值为0.342 mg/L,其中悬浮颗粒物有机氮(PON)占比较高,表明颗粒态氮以湖泊内源性有机来源为主. 巢湖表层水体SPOM的δ13C范围在?28.72‰~?26.68‰之间,δ15N为3.34‰~9.97‰,C/N为2.51±0.95,指示冬季枯水期水体SPOM主要来自内源水生生物碎屑,而陆源径流输入对湖泊颗粒物影响较小. 研究显示:冬季巢湖悬浮颗粒有机质主要来自湖泊内源,具有潜在的营养盐效应,污染控制需要相应的策略.      

Distribution of heavy metals in the water column, suspended particulate matters and the sediment under hydrodynamic conditions using an annular flume

Sediment resuspension plays an important role in the transport and fate of heavy metals in the aquatic environment. In the present study, the release and binding forms of Cr, Cu, Zn, Pb under hydrodynamic conditions were investigated using an annular flume. Two sediments located at YLZ and GBD from Liangshui River, Beijing were resuspended for 10 hr at 0.159 and 0.267 m/sec, respectively. The concentrations of suspended particulate matters of YLZ were higher than those of GBD during resuspension, indicating that the former sediment is more sensitive to the velocity. Cr in the dissolved phase stayed nearly constant at about 2.25 and 1.84 μg/L for YLZ and GBD, respectively, due to the high percentage of its stable binding fractions in both sediments, while Cu, Zn, and Pb showed a fast release in the initial period of time. However, their concentrations in SPM generally decreased with time and were higher at the lower velocity of 0.159 m/sec, which resulted from the entrainment and depressing effect of larger size particles with lower heavy metal content, commonly referred to as the "particle concentration effect". In addition, the binding form and heavy metal fractions were also found to vary during the resuspension event. A decrease in the sulphide/organic matters bounded form in GBD sediment was observed, whereas no visible changes were perceived in YLZ site samples. This phenomenon is due to the oxidation of heavy metal-sulphide binding forms, which originated from its high acid volatile sulphide content in GBD sediment.     

滇池水生植物分布对沉积物间隙水中不同形态氮的影响

为揭示水生植物分布对滇池沉积物间隙水中各形态氮质量浓度的影响,于2015年6月在滇池分别采集有植物区域和无植物区域的沉积物柱状样,检测间隙水及上覆水中DTN(溶解性总氮)、NH₄+-N、NO₃--N和DON(溶解性有机氮)的质量浓度,分析其垂向变化特征以及水生植物对间隙水中各形态氮的释放控制效果. 结果表明:①水生植物改变了柱状沉积物间隙水中不同形态氮的分布规律,并且这种改变随湖区不同而表现不尽一致;②水生植物显著降低了沉积物间隙水中DON的贡献率,有植物分布区域ρ(DON)对ρ(DTN)的平均贡献率为41.05%,无植物区域可达58.48%;③水生植物显著抑制了沉积物中无机氮的释放,促进了DON的转化,同一采样点有植物区域NH₄+-N和NO₃--N的沉积物-水界面扩散通量分别比无植物区域平均降低了87.52%和91.99%;④水生植物生长显著削减了沉积物间隙水中氮的质量浓度,其中ρ(DON)的削减率达到了53.27%~80.42%. 研究显示,水生植物根系作为微生物和多种活性酶的主要载体,为沉积物有机氮的矿化降解起到了促进作用.      

Effects of hydrodynamics processes on phosphorus fluxes from sediment in large, shallow Taihu Lake

The turnover of phosphorus （P） in lake sediments, a major cause of eutrophication and subsequent deterioration of water quality, is in need of deep understanding. In this study, effects of resuspension on P release were studied in cylindrical microcosms with Yshape apparatus. The results indicated that there was a positive correlation between flux of suspended substance across sediment-water interface （Fss） and the wind speed, and an increasing Fss during each wind process followed by a steady state. The maximal Fss under fight, moderate, and strong wind conditions were 299.9±41.1,573.4±61.7, and 2093.8±215.7 g/m^2, respectively. However, flux of P across sediment-water interface （Fp） did not follow a similar pattern as Fss responding to wind intensity, which increased and reached the maximum in initial 120 rain for fight wind, then decreased gradually, with maximal flux of 9.4±1.9 mg/m^2. A rapid increase of Fp at the first 30 rain was observed under moderate wind, with maximal flux of 11.2±0.6 mg/m^2. Surprisingly, strong wind caused less Fp than under light and moderate wind conditions with maximal flux of 3.5±0.9 mg/m^2. Fss in water column declined obviously during the sedimentation process after winds, but Fp varied with wind regime. No obvious difference was detected on Fp after 8 h sedimentation process, compared with the initial value, which means little redundant P left in the water column after winds.     

Lake sediment resuspension and caused phosphate release -a simulation study

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＯｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔ ｗａｔｅｒ,ｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｍａｙｒｅｓｕｓｐｅｎｄｕｐｔｏｔｈｅｏｖｅｒｌｙｉｎｇｗａｔｅｒｔｏｆｏｒｍｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ (Ｌｅａｎ ,1973) ,ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｈａｂｉｔａｔａｎｄｎｕｔｒｉｅｎｔｓｆｏｒｏｒｇａｎｉｓｍｓ.Ｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｉｎｄｕｃｅｄｂｙｗｉｎｄａｎｄｗａｔｅｒｆｌｏｗｉｓｅａｓｉｅｒａ…     

Lake sediment resuspension and caused phosphate release--a simulation study.

Intact sediment cores and wet/dried surficial sediments sampled from the two sublakes in Taihu Lake, Meiliang Bay and Wuli Lake, were incubated in the laboratory to determine the effects of resuspension on internal phosphorus loading by simulating different resuspension events. Soluble reactive phosphorus (SRP) release from undisturbed core sediment sampled in the Meiliang Bay and Wuli Lake in July 1998 was 1.53 mg/m2 and 2.24 mg/m2 within 4 days, respectively. However during one hour experimental simulation of resuspension, SRP increased by 0.041 mg/L and 0.077 mg/L in the above cores, which indicate that a typical resuspension event in the lake would be accompanied by the release of 10.77 mgSRP/m2 and 23.1 mgSRP/m2, respectively. The internal phosphorus loading induced by resuspension is estimated to be 8-10 times greater than the release from undisturbed sediment. SRP release from the dried sediments during simulation of resuspension was mainly dependent on the disturbing intensity. Only when the wind strength gets to certain level, the influence of wind speed on phosphorus release appears significant, indicating that an exchangeable P pool, capable of altering equilibrium conditions in the lake areas, is built up under strongly wind-exposed resuspension events.