太湖底泥营养要素动态释放模拟和模型计算

采用太湖湖区底泥,根据环型水槽实验总结了各种扰动强度下太湖底泥的起动、悬浮和营养盐释放规律.环型水槽内水体流速均匀且能够通过控制水槽的转速精确控制水槽的水体流速.通过考察水槽中水体TN、TP浓度的变化,建立起了底泥TN、TP释放率(y)与水体流速大小(x)的定量化关系.根据实验确定的各种参数,采用ECOMSED模型计算模拟,并和太湖实测资料进行了对比,结果较为合理.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,通过室内实验模拟底泥的内源释放对太湖的富营养化治理具有重要意义.     

扰动对城市河道底泥污染物释放影响

河流外源截污与治理后,底泥污染物的释放成为河道污染的主要因素之一。基于动态模拟实验,研究不同扰动条件和不同底泥污染物浓度,对底泥中TN、NH_3-N、TP和COD释放的影响。研究结果表明:高扰动强度增加了TN和COD的释放通量,缩短了TP的吸附/解吸平衡时间,对其他指标影响较小;底泥污染物浓度与污染物平衡释放量的相关性较弱,仅TN的平衡释放量与底泥浓度的拟合关系较好(最大R~2为0. 798)。     

太湖水质时空分布特征及内源释放规律研究

将太湖 2 0 0 1～ 2 0 0 2年的水质监测数据与空间数据相结合 ,采用基于因子分析的主成分分析方法将太湖的水质参数概括为 5个主成分 ,提取并反证了湖泊水质各个主成分的科学内涵 ,分别为 :水体营养指数 (F1)、富营养化指数 (F2 )、水体溶解氧指数 (F3 )、水体色度指数 (F4)和水体酸碱指数 (F5 ) ;研究了各主成分的空间分布特征和随时间的变化规律 .在室内环形水槽内模拟了水动力条件下太湖底泥的起动规律 ,得到了太湖底泥在 3种不同起动标准 (个别动、少量动、普遍动 )下的起动流速 ,并利用泥沙起动的理论模型给予了验证 ,最后得出太湖底泥在 3种不同起动标准下的起动流速分别为 :3 7.9cm·s- 1 ,46 7cm·s- 1 ,5 9 8cm·s- 1 .通过考察上覆水中TN、TP浓度的变化 ,建立了底泥中TN、TP释放率与水体流速的定量化关系 .并将太湖水量水质的同步监测资料应用在数学模型中 ,解决了以往模型中底泥释放率取为常数的不足 ,取得了较好的效果     

大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨

通过在太湖开展的风浪与底泥悬浮的野外观测,结合分层采取水样并分析水体中溶解性营养盐的浓度随深度的变化结果,发现在水土界面的上覆水中营养盐浓度有突然增加的现象,指示着沉积物对上覆水营养盐浓度有影响.对沉积物中孔隙水营养盐浓度随深度的变化分析,表明了沉积物孔隙水中营养盐浓度变化与氧化还原环境的关系.结合水动力作用,提出了大型浅水湖泊水动力作用导致底泥悬浮,从而使得底泥中的可溶性营养物质释放这一内源释放的概念性模式.     

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。     

香溪河库湾底泥营养盐释放规律初探

受水库调度带来的扰动影响,河道型水库支流库湾河口底泥营养盐释放为水体富营养化和水华暴发增加了风险。文章通过在香溪河库湾河口采集底泥和水样,室内模拟扰动条件下,藻类外吸收源、扰动及底泥-水界面浓度梯度对底泥营养盐释放的影响。结果表明:扰动及外吸收源并存时,底泥氮磷释放量增大;扰动作用对磷释放影响较底泥-水界面浓度梯度弱,但对氮释放影响较底泥-水界面浓度梯度影响大;底泥释磷量随底泥-水界面浓度梯度升高而增大,释氮量则受其影响较小。三峡水库泄水和水华暴发、藻类大量繁殖将促进香溪河库湾底泥营养盐释放。     

氧化试剂(硝酸钙)控制黑臭底泥营养盐释放的效果研究

通过人工模拟的方法,进行了氧化试剂（硝酸钙）控制黑臭底泥营养盐释放的研究。结果表明,黑臭河道底泥注入氧化剂（硝酸钙）大约30d内,表层黑臭底泥颜色就呈现深黑色-暗灰色-灰黄色的渐变矿化过程;对上覆水体中营养物质的测定表明,氧化试剂（硝酸钙）注入底泥中,有效抑制上覆水体中TN、氨氨、TP和磷酸盐浓度高峰值出现,但对COD浓度没有明显的作用。通过河道污水与黑臭底泥组合中注入氧化试剂（硝酸钙）和清水（自来水）与黑臭底泥组合中注入氧化试剂（硝酸钙）的效果比较,前者对黑臭底泥营养盐释放的抑制效果更好;实验结果显示,硝酸钙作为底泥中污染物释放的抑制剂,可成为底泥就地处理和控制内源污染向水体营养盐释放的一种技术方法和发展方向。     

不同补水方式下翠湖沉积物氮磷释放特性研究

城市水体不同于流域水体,其补水来源与城市发展和水资源供给量密切相关,补水水源在一段时间内发生变化是城市水体的典型特点。为了更好地揭示富营养化城市水体沉积物在不同补水方式(自来水、再生水和湖水)下內源营养物的释放特性,通过实验模拟了静态和动态(水体扰动)条件下的底泥释放过程。结果表明:(1)自来水补给下的上覆水TN、TP浓度表现为初期快速上升,后期保持相对平稳的趋势;再生水与湖水补给的上覆水初期TN、TP浓度短时间内快速下降到一定程度后处于动态平衡。(2)动态条件下底泥的TN、TP释放量均高于静态条件,水力扰动有助于底泥內源营养物释放。(3)采用物料平衡方法对底泥中营养物的释放总量进行计算,结果显示,以自来水为补水的动态反应器中TN和TP的释放量最大,TN在以再生水为补水的静态反应器中释放量最小,TP在以再生水为补水的动态反应器中释放量最小。研究成果对城市水体富营养化控制和补水水源的优化配置具有指导意义。     

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.     

城市重污染河道上覆水氮营养盐浓度及DO水平对底质氮释放的影响

利用模拟试验方法, 研究和探讨了苏州市古城区重污染河道上覆水的氮营养盐浓度及DO水平对河道底泥内源氮释放的影响.结果表明:① 上覆水体的氮营养盐水平可对底泥中氮营养盐的释放程度(即释放速率和释放量)产生影响,氮营养盐含量低的上覆水体有利于底泥中氮特别是氨氮的释放(外城河与苗家河２种处理的累积释放量差值可达6 mg/kg),相反,则不利于氨氮的释放.故当氮营养盐含量较低的外城河水进入古城区河道时,有可能引起内城河道中底泥氨氮的大量释放,这种情况在调水过程中更为明显;②溶解氧是控制底泥氮释放规律的重要因素,其对氨氮和硝态氮释放的影响呈非线性,厌氧条件能加速底泥氨氮的释放,好氧则对其释放产生抑制,故保持河道水体中适当的溶解氧可有效抑制底泥中氨氮等释放造成的污染.     

鄱阳湖枯水期沉积物磷释放特征及对水位变化响应

通过研究鄱阳湖枯水期不同高程沉积物磷释放热力学和动力学特征,试图建立沉积物磷释放与水位间响应关系,进一步揭示由于江湖关系变化导致的水位下降对鄱阳湖沉积物磷释放风险影响.结果表明:(1)鄱阳湖沉积物高程越高,即出露时间越长,中部和"五河"尾闾区沉积物EC0、DTP、DOP和SRP最大释放量及初始释放速率(0~5 min释放速率)越大,而北部湖区因采砂活动等影响,变化不明显.(2)鄱阳湖水位的持续下降引起的沉积物出露时间延长和出露面积增加,导致全湖沉积物DTP、DOP和SRP最大释放量分别增加了91、81和34 t,虽然该增加量对全湖磷负荷贡献较小(占外源P输入负荷的4.1%、3.7%和1.5%),但"五河"尾闾区沉积物磷释放增加强度为全湖平均值的3倍,意味着随江湖关系的持续变化,来年丰水期鄱阳湖沉积物磷将会集中释放,尤其是"五河"尾闾区等重点敏感区域,其沉积物磷释放量的增加将进一步加大鄱阳湖局部湖区水质下降风险.     

白洋淀夏季入淀区沉积物间隙水-上覆水水质特征及交换通量分析

为揭示白洋淀夏季入淀区上覆水-间隙水氮磷营养盐相互作用,本研究于2019年7月对白洋淀主要6条入淀河流取样,通过分析上覆水、间隙水水质特征以及营养盐在沉积物-水界面的扩散通量,评估了营养盐扩散对沉积物与上覆水的影响.结果表明白洋淀水质呈弱碱性;溶解氧（DO）含量较低,为沉积物内源污染物的释放提供了厌氧环境;氨氮（NH₄⁺-N）浓度在0.35~1.76mg·L^-1,作为主要给水来源的潴龙河淀区最高;硝氮（NO₃^--N）浓度在0.75~1.97mg·L^-1;溶解性总氮（TDN）浓度在0.99~2.70mg·L^-1,位于自然区的S2瀑河含量最高;溶解性总磷（TDP）浓度在0.03~0.15mg·L^-1,靠近居民区的白沟引河含量最高.间隙水氨氮浓度在5.24~10.64mg·L^-1,是上覆水体的10倍,内源污染严重;硝氮浓度在0.36~0.79mg·L^-1;溶解性总氮浓度在5.36~12.02mg·L^-1,是上覆水体的5倍;溶解性总磷浓度在0.03~0.3mg·L^-1.应用综合污染指数法对水质进行评价发现间隙水污染程度远高于上覆水,各采样点呈现出严重污染状态.对NH₄⁺-N、TDN和TDP进行交换通量分析显示,NH₄⁺-N的扩散通量在1.71~7.43mg·（m²·d）^-1,作为保定市纳污河流的府河采样点内源氨氮向上覆水扩散速率最快;TDN的扩散通量除白沟引河较低,其余5个采样点均值达到9.11mg·（m²·d）^-1,夏季水体中溶解氧含量较低且沉积物-水界面TDN浓度差较大,导致沉积物中含氮营养盐在厌氧条件下大量释放到上覆水中,对水质造成严重污染;萍河采样点TDP的扩散通量是负值表示上覆水体的磷污染物向沉积物聚集的状态,剩余5个采样点的扩散通量范围在0.03~0.16mg·（m²·d）^-1,表现出磷营养盐向上覆水释放的状态.扩散通量显示内源污染物是上覆水污染物的重要来源,为有效治理入淀区水质,沉积物氮磷营养盐的清淤处理迫在眉睫.     

江苏西部湖泊沉积物营养盐赋存形态和释放潜力差异性分析

为了探索湖泊沉积物对上覆水中氮磷营养盐特别是磷(P)浓度的影响,研究了江苏西部10个湖泊沉积物P形态、吸附解吸作用和间隙水、上覆水之间扩散通量.对P形态的分级提取研究表明,各湖泊沉积物中P以无机磷为主,无机磷中生物可利用P占总磷(TP)比例较低.与苏北西部湖泊相比,苏南西部湖泊沉积物中Fe-P含量相对较高.江苏西部湖泊沉积物中氮主要以NH4+-N扩散为主,且大部分湖泊氨由上覆水向沉积物扩散,而洪泽湖、石臼湖和玄武湖NO3--N由沉积物向上覆水扩散.偏酸(pH<4)和偏碱(pH>10)条件下均有利于湖泊沉积物P的释放,除玄武湖外,其他湖泊在偏碱条件下P的释放量大于偏酸条件.沉积物对P吸附量随着温度的升高而增大,通过修正的Langmuir方程对湖泊沉积物磷吸附等温线进行拟合得到最大吸附量(Qm)、Langmuir吸附常数(k)与原有吸附态P(QNAP)参数,结果显示洪泽湖和玄武湖沉积物对P的最大吸附量较小,较易发生内源P释放.     

岱海沉积物内源磷释放特征的研究

岱海沉积物及水体营养盐浓度较高,内源污染释放风险大,水体营养盐浓度逐年上升.通过分析岱海西南湖区、东北湖区及中心湖区沉积物磷吸附动力学特征和吸附等温特征,计算沉积物NAP（native adsorbed phosphorus,吸附解吸态磷）浓度和EPC₀（equilibrium phosphorus concentration,平衡磷浓度）,明确岱海各湖区沉积物磷的“源-汇”转换机制.结果表明:①准二级动力学模型能够较好地描述沉积物样品对磷的吸附动力学行为,且沉积物吸附磷的速率较快,最高吸附速率达11.45 g/（mg·min）,在8 h内沉积物对磷的吸附可趋于平衡状态.②修正后的Langmuir等温吸附模型（R2为0.907 6~0.974 2）能较好地描述沉积物对磷的吸附等温行为,且通过参数计算发现,岱海中心湖区的沉积物具有较高的磷吸附量,最大值为0.867 mg/g.③通过对比NAP含量、沉积物EPC₀与间隙水中SRP（soluble reactive phosphorus,可溶性活性磷）浓度,发现岱海中心湖区沉积物有较大的磷释放风险,西南湖区和东北湖区磷释放风险较小.④岱海中心湖区沉积物较高的NAP含量及pH导致该区内源磷释放风险加大.根据岱海沉积物磷释放呈现的区域性特征,在内源磷释放控制方面,可采取轻重结合的防控方式对岱海湖区进行重点防控.      

苕溪干流悬浮物和沉积物的磷形态分布及成因分析

磷是控制水体营养状态和诱发富营养化的重要因素,不同形态的磷对水体富营养贡献不同.以东西苕溪干流为研究对象,采用连续提取法获得磷形态,对悬浮物和表层沉积物中磷形态的分布进行分析,并探讨了悬浮物和沉积物的物质组分与磷形态的相关性.结果表明,西苕溪水质状况劣于东苕溪,而东苕溪中游水体的水质状况好于上游和下游;悬浮物中营养物质含量普遍高于沉积物,其弱吸附态磷、还原态磷和金属氧化物结合态磷所占比例较表层沉积物大,钙结合态磷则在沉积物中占较高比例.相关性分析表明,西苕溪悬浮物和沉积物的组分对磷形态的影响较弱,而东苕溪的物质组分对磷形态有显著的影响,有机质和黏土矿物对悬浮物和沉积物中形态磷的影响最为显著,这与河流的地质背景及物质来源有关.     

紊流作用下泥沙释放磷的试验及数值模拟

为研究水体紊动对泥沙释放污染物的影响,引入近似均匀紊流模拟装置,开展不同强度紊动作用下泥沙运动释放磷动态过程及基本规律的试验,研究表明:紊动扩散作用对泥沙解吸释放磷有着十分重要的影响,紊动较弱时,泥沙尚未起动,床面泥沙颗粒吸附的磷元素解吸至孔隙水中,在垂向紊动扩散作用下输送至上覆水中,将使得上覆水中溶解态磷浓度增大;紊动作用较强时,泥沙逐渐悬扬至水体中,悬浮泥沙颗粒吸附的磷元素直接解吸至上覆水中,泥沙浓度越高,溶解态磷含量增长速率越大,达到平衡的时间越短.通过耦合紊流模型、水流泥沙数学模型、污染物对流扩散模型和Langmuir吸附动力学方程建立了紊动作用下泥沙释放磷的垂向一维数学模型,针对试验条件进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合较好,平均相对误差低于10%,可为模拟天然水体中泥沙悬浮释放磷的时空演化提供参考.     

太湖沉积物磷形态及pH值对磷释放的影响

对太湖不同营养水平和不同特征的 4 种沉积物的总磷、磷形态、粒径组成、化学组成进行了分析,模拟研究了不同 pH 值对上覆水体中总溶解性磷和溶解性活性磷含量的影响.结果表明,太湖沉积物样品总磷含量在 336.1～3408.01mg/kg,属于中富营养化到极富营养化水平.pH 值是影响磷释放的重要因素,碱性条件下,促进NaOH-P 的释放;酸性条件下,促进 HCl-P的释放.严重富营养化湖区沉积物的磷主要由无机磷组成,其中主要是 NaOH-P,该区中 pH值增加会导致磷释放量的大幅度增加,而 pH值下降对磷释放量的影响较小.中富营养化湖区沉积物的无机磷组成中,部分湖区 NaOH-P 含量高,部分湖区 HCl-P 含量高,所以该区中 pH 值变化对沉积物磷释放的影响,由于 NaOH-P 和HCl-P 含量不同而存在差异,NaOH-P含量较高,pH值增加会导致磷释放量的大幅度增加;HCl-P 含量较高,pH值下降会导致磷释放量的大幅度增加.     

Critical velocity in phosphorus exchange processes across the sediment-water interface

Sediments are ultimate sinks of nutrients in lakes that record the pollution history evolutionary processes, and anthropogenic activities of a lake. However, sediments are considered as inner sources of environmental factor changes such as the variation in hydrodynamic conditions because of the nutrients they release. How does this process happen？ This study investigates a typical nutrient phosphorus （P） exchange among sediment, suspended particle matter （SPM）, and water. Compared with numerical and experimental studies, this study confirms that the critical velocity that occurs at a lower flow rate state exists in the range of 7 to 15 crn/sec. Critical velocity below the critical flow rate promotes the migration of particulate phosphorus （PP） to the SPM. On the other hand, critical velocity above the critical flow rate promotes the release of PP in water.     

三峡水库水体溶解磷与颗粒磷的输移转化特征分析

根据河流上、下游断面间水、沙和磷的输运系数差异,建立了一种分析河流水体磷的输移转化特征的判定方法.基于2015年1月(枯水期)和7月(丰水期)三峡水库的径流量、输沙量和水体磷形态数据,应用该方法分析了三峡水库水体磷的输移转化特征.结果表明,两个水期三峡水库水体均以TDP为主要磷形态,TDP通量占总磷(TP)通量的51%～96%;枯水期,三峡水库TDP表现为移出作用,主要由三峡拦坝蓄水促进泥沙颗粒吸附TDP引起,丰水期则表现为添加作用,与外源性含高浓度TDP的水量输入有关.在两个水期,三峡全库区泥沙和TPP均呈明显的沉降滞留特征,且TPP相对于沙量呈添加作用,一定程度上说明TDP被泥沙颗粒吸附而转化为TPP作用相对更强.三峡水库清溪场至万州段为水、沙和磷的主要滞留区域,与该区段泥沙颗粒粒径细化、颗粒吸附磷能力增强有关.     

流作用下泥沙悬浮释放污染物的数值分析

基于一维垂向模型(1DV模型),建立了波流共同作用下泥沙悬浮释放污染物的数学模型,模型通过验证可较好的描述床面附近紊动特性、水流结构、泥沙垂向分布及污染物解吸释放规律. 利用数学模型,通过设置不同的模拟情景,分析计算了波流共同作用下泥沙悬浮特征、污染物释放动态过程及时空分布特征. 研究表明: 波流共同作用下,吸附态污染物及总污染物垂向分布与悬浮泥沙分布一致,波浪底部边界层的周期性振荡限制了从底部悬扬的泥沙向上部水体的扩散,在近床面存在梯度较大的高浓度层,在悬浮释放的初期,溶解态污染物的垂向分布规律与吸附态污染物一致,达到平衡后,沿垂向均匀分布.水流流速和波浪强度对泥沙悬浮释放污染物有着不同程度的影响,水流对泥沙及污染物的垂向分布影响明显,波浪的影响主要体现在床面附近形成高浓度含沙层和污染物层.