基于水下原位模擬法的湖泊內源負荷研究

沉積物是湖泊水體的主要養分儲存庫。在一定條件下，沉積物（如氮、磷等）通過擴散、對稱、沉積物懸浮等過程向上釋放。如果外部輸入逐漸得到控制，沉積物在上覆水中釋放的氮和磷是湖泊水質惡化和富營養化的重要原因。因此，水體的富營養化程度往往與污泥下的鹽養殖密切相關。定量獲得湖泊內源負荷的方法主要有質量衡算法、孔隙水擴散模型法、表層底泥模擬法、柱狀芯樣模擬法和水下原位模擬法.質量衡算法是通過對所有出入湖量進行收支平衡,從而估算湖泊內源負荷,該方法在沒有沉積物釋放數據時可參用,但對外源輸入復雜的湖泊估算誤差較大;孔隙水擴散模型法需有離子的物化參數,以及離子在泥水界面上的垂向分布;表層底泥模擬法由于難以保證原沉積物的表層物理狀態不被破壞,其分析結果僅能做參考;柱狀芯樣法可基本不破壞沉積物性狀,且在多種控制條件下進行模擬,因此應用較多,但柱狀體系的體積通常不大,易產生壁效應;水下原位模擬法可在不移動沉積物情況下進行模擬,結果最接近實際,但費用較大.福保灣位于滇池東北岸,是由大清河和海河沖擊扇包圍形成的湖灣,湖岸線長約3.16km,面積約1km2(圖1).福保灣底泥由于長期接納來自大清河、海河及湖灣周邊地區的污染物,受到了嚴重污染,因此有必要對湖底沉積物內源負荷進行定量研究.國內已有采用孔隙水擴散模型法對滇池沉積物內源磷釋放進行了分析,但均采用的是離心法提取沉積物孔隙水.該法雖操作簡單,但從現場采樣至實驗室離心獲取孔隙水,其間所需時間較長,且垂向分層中控制精度通常較低(約2cm),近表層的上覆水也難以采集,因此用該法不易獲得沉積物-水界面上覆水和孔隙水的平滑過渡濃度梯度曲線,一定程度上影響了借助Fick定律對界面釋放速率的計算結果.Peeper法是近些年從國外新引入的一種孔隙水采集法,與傳統離心法比較,該法雖然受平衡時間制約,但具有可批量取樣且取樣時間短、取樣的精密度好、對環境敏感程度高,特別是可現場獲取等優勢.本研究通過Peeper法來獲取福保灣底泥間隙水,對界面濃度進行指數擬合,通過對指數方程求導,獲取界面濃度梯度,結合靜態釋放試驗,確定了滇池福保灣底泥氮磷釋放速率,提高對內源釋放估算的保證率,以期為研究及控制福保灣水體富營養化提供基礎數據.1材料和方法1.1peeper基本概念Peeper主體是由一系列小室組成,小室兩側覆蓋1層滲析膜,室內預先封裝去離子水,利用滲析膜過濾的特性,使膜兩側水體(如去離子水和間隙水)中一些可溶離子和分子交換達到平衡.Peeper制作材料為有機玻璃,36個小室并行排列,間隔1cm,每一小室體積約為6.4mL,孔徑為0.45μm的滲析膜,具生物惰性,使用時用雙面夾板固定于采樣器主體板上.1.2樣品采集與分析1.2.1采樣點位置的劃分福保灣面積約1.0km2,湖灣東、西部沿岸線長約分別為1.5km和0.8km,湖灣北部沿岸線長約0.6km(圖1).東、西兩岸由于常年受風浪沖刷,湖底底泥為堅硬而貧瘠的沙質沉積物,灣心及河口則由于常年接納大清河、海河及湖灣周邊地區的污染物,底泥為發黑發臭、高含水率的泥炭層.為反映福保灣底泥營養鹽內源釋放通量的差異性,將福保灣劃分為東部沿岸區(FB-1)、西部沿岸區(FB-2)、河口區(FB-3)和灣心區(FB-4)等4個區域開展研究.東、西部沿岸區面積約分別為0.15km2和0.08km2,距離沿岸0.1km內沉積物性狀較為類似;河口區面積約為0.12km2,距離沿岸0.2km內沉積物性狀類似;灣心區面積約為0.65km2,面積最大,以軟性底泥為主.所設的4個采樣點位置的經緯度分別為:FB-1,E102°41′24.3″和N24°55′41.6″;FB-2,E102°40′59.4″和N24°55′53.1″;FB-3,E102°41′10.1″和N24°56′3.7″;FB-4,E102°41′7.4″和N24°55′50.8″.具體采樣點及區域劃分見圖1.1.2.2peeper投底泥深度的nh+4-n,po3-4-p分析用自制的Peeper投放器持準備好的Peeper采樣器,伸入水底垂直將Peeper投入底泥至預定深度.自投放之日(2006-10-09)起,平衡30d,從泥中取出Peeper,立即用移液槍穿孔抽取適量體積孔隙水裝入具塞瓶中,2h內帶回實驗室,進行NH+4-N和PO3-4-P的分析.1.2.3泥樣的采集和測定2006-11-09在樣點處用裝有?85mm×600mm有機玻璃管的柱狀采泥器采集泥樣,每樣點采集3根平行樣,泥樣厚度不少于25cm,上部用原樣點水樣注滿后兩端用橡皮塞塞緊,垂直放置,小心帶回實驗室.1.3樣品采集和分析在室內將柱狀樣中上層水體用虹吸法抽去,再用虹吸法沿壁小心滴注已過濾的原采樣點水樣,至液面高度距沉積物表面20cm處停止(此時水柱體積為1134.3mL),標注刻度,所有采樣管均垂直放入循環水浴器中,蔽光培養.即刻取原水樣作起始樣,此后在指定時間用移液管于水柱中段取樣,每次取樣體積為50mL,同時用原樣點初始過濾水樣補充至刻度,其后于12、24、36和72h時進行采樣.全部實驗于72h(3d)止,結束時的樣品分析項目與起始時同.1.4測試結果的計算1.4.1原水釋放速率r計算沉積物氮磷營養鹽釋放速率對溫度具有一定的依賴性,考慮昆明的年平均溫度為15℃左右,故設置本試驗溫度為14～16℃.試驗于2006-11-09進行,其營養鹽的釋放速率按式(1)計算.R=[V(cn?c0)+∑j=1nVj?1(cj?1?ca)]/A?t(1)R=[V(cn-c0)+∑j=1nVj-1(cj-1-ca)]/A?t(1)式中,R為釋放速率[mg·(m2·d)-1];V為柱中上覆水體積(L);cn、c0、cj-1為第n次、初始和j-1次采樣時某物質含量(mg·L-1);ca為添加原水后水體中某物質含量(mg·L-1);Vj-1為第j-1次采樣體積(L);A為柱樣中水-沉積物接觸界面(m2);t為釋放時間(d).由于不考慮NH3的水氣界面交換,所計算的NH+4-N為表觀釋放速率.1.4.2基巖儲層精細度與沉積物彎曲度的關系如果只考慮沉積物-上覆水界面處的營養鹽交換通量,通過表層沉積物的氮、磷擴散通量就可運用Fick第一定律來獲得式(2):F=φ0DS?c?x∣∣x=0(2)F=φ0DS?c?x|x=0(2)式中,F為通過沉積物-上覆水界面的擴散通量,φ0為表層沉積物的孔隙度,?c?x∣∣x=0?c?x|x=0為沉積物-上覆水界面的營養鹽濃度梯度,DS為考慮了沉積物彎曲效應的實際分子擴散系數.沉積物彎曲度的測量是相當困難的,Ullman等曾經給出了真實擴散系數DS與孔隙度φ之間的經驗關系式:DS=φD0φ<0.7DS=φ2D0φ>0.7DS=φD0φ<0.7DS=φ2D0φ>0.7式中,D0為營養鹽在無限稀釋溶液中的理想擴散系數,對HPO2?442-,D0=7.0×10-6cm2·s-1;對NH+4-N,D0=17.6×10-6cm2·s-1.1.4.3釋放速率w全灣釋放量計算公式見式(3).W=∑jn∑inrijAjΔti×10?3(3)W=∑jn∑inrijAjΔti×10-3(3)式中,W為全灣氮或磷的釋放總量(t·a-1);rij表示第j區域沉積物在i溫度下的釋放速率[mg·(m2·d)-1];Aj為j區域所代表的面積(km2);Δti表示i溫度下所代表的時間段(a).2結果與討論2.1底泥污染物釋放速率圖2可看出,福保灣沉積物各區域氮釋放明顯,FB-4和FB-3釋放速率較高,分別達到(163.1±27.8)mg·(m2·d)-1和(161.7±22.6)mg·(m2·d)-1;FB-1和FB-2釋放速率較低,分別為(22.9±10.6)mg·(m2·d)-1和(99.0±20.7)mg·(m2·d)-1.福保灣底泥各區域NH+4-N釋放速率的大小順序與底泥的污染程度是相一致的,這是由于河口區和灣心區(FB-4和FB-3)常年接納大清河和海河及周邊地區的污染物,底泥為發黑發臭的泥碳層,具有強還原性,間隙水NH+4-N含量高,而東西沿岸區底泥為堅硬且貧瘠的沙質層,污染相對較輕(見圖4),間隙水NH+4-N濃度低的緣故.與文獻得到的太湖梅梁灣及東太湖釋放速率數據相比[(42.2±18.4)mg·(m2·d)-1和(37.1±17.4)mg·(m2·d)-1],滇池福保灣底泥NH+4-N釋放速率要比太湖高的多,FB-4和FB-3的釋放速率是梅梁灣和東太湖的4倍,污染相對較輕的西部沿岸區(FB-2),其釋放速率也較之太湖高1倍.由此也可以看出,福保灣底泥氮污染要比太湖嚴重.本研究中所反映的NH+4-N釋放量為水-沉積物界面對實驗系統很有意義.由于湖體需不斷維持水-氣界面NH3的平衡以及風浪作用促使NH3的逸出,NH+4-N的實際釋放強度較之靜態培養條件下的結果高.另一方面,在還原性較強的沉積物中缺乏游離氧,微生物可利用氧化物中的氧作為氫的受體進行呼吸,此時往往伴隨反硝化作用發生,初始表現為NO-3下降,中間產物NO-2積累,隨時間增加,NO-2也不斷向低價態物質,如向N2O和N2轉化,后兩者可通過水-氣界面交換逸出水面,減少水柱中氮的含量,從而也可能促進沉積物NH+4-N的釋放.根據實驗計算得到NH+4-N釋放速率和各采樣點所代表的各區域沉積物面積,按式(3)計算的表觀釋放結果列于表1,滇池福保灣由沉積物向上覆水釋放NH+4-N的量為(49.925±8.767)t·a-1.2.2底泥污染程度圖3可看出,福保灣沉積物各區域有較明顯的磷釋放現象.FB-2釋放速率最高,為(4.90±2.30)mg·(m2·d)-1,FB-3和FB-4釋放速率較低,分別為(2.81±0.06)mg·(m2·d)-1和(2.06±1.88)mg·(m2·d)-1,FB-1釋放速率最小,只有(0.90±0.30)mg·(m2·d)-1.福保灣底泥各區域PO3?443--P釋放速率的大小順序與底泥的污染程度有所出入,西部沿岸區污染相對較輕,但PO3?443--P釋放速率最高,這與西部沿岸區距離大清河口較近有一定關系.FB-2底泥間隙水中PO3?443--P濃度并不比FB-3和FB-4低(圖4),但其上覆水PO3?443--P含量反而要比3和4號點低得多,因此導致FB-2表現出最高的釋放速率.其它幾個采樣點釋放速率的大小順序是同間隙水PO3?443--P含量相一致的.與文獻得到的太湖梅梁灣及東太湖釋放速率數據[(-0.06±0.13)mg·(m2·d)-1和(3.43±3.20)mg·(m2·d)-1]相比,滇池福保灣底泥PO3?443--P釋放速率比東太湖稍高一些.由此也可以看出,福保灣底泥磷污染比太湖稍高.根據實驗計算得到的PO3?443--P釋放速率和各采樣點所代表的各區域沉積物面積,按式(3)計算的表觀釋放結果列于表1,滇池福保灣由沉積物向上覆水釋放的PO3?443--P量為(0.79±0.53)t·a-1.2.3地下水位的擬合及擴散系數的確定應用Peeper法獲得固定點位較高精度的間隙水和上覆水,間隙水NH+4-N和PO3?443--P含量在表層沉積物中具有隨深度增加而增加的趨勢(圖4),表明泥水界面存在較高的濃度梯度,因此具有不可忽視的內源釋放趨勢存在.離子在間隙水中的擴散服從Fick第一定律,將間隙水上端擾動層的3～4cm以及界面向上覆水3cm處的營養鹽含量對深度進行指數擬合(表2).進一步按照擬合的表達式對深度x進行求導,并求出水土界面處的dcdx.dcdx.從指數擬合的結果看,4個點位擬合效果都比較好(r>0.811).為求出界面交換通量,還需了解表層沉積物擾動層的孔隙度φ.另有實驗得到FB-1、FB-2、FB-3、FB-4的表層沉積物(0～4cm)的平均孔隙度分別為(75.72±0.49)%、(80.72±2.24)%、(90.46±3.85)%和(91.72±2.07)%.由于4個點位的孔隙度均>0.7,運用式DS=φ2D0,計算得到各點位的真實擴散系數.通過式(2),計算出相應點位的營養鹽擴散通量F.由表3看出,滇池福保灣由沉積物向上覆水釋放的NH+4-N和PO3?443--P的通量分別為(22.434±0.047)t·a-1和(0.081±0.001)t·a-1.2.4原柱樣模擬的局限性采用2種方法得到的福保灣不同湖區靜態界面擴散通量有所不同(表4).由于Fick定律計算得到的擴散通量(F)只考慮了營養鹽在沉積物-上覆水之間的濃度梯度以及孔隙度、顆粒阻礙因子對溶解態營養鹽遷移擴散的影響,因此是一種理論通量.由生物的擾動作用、營養鹽在水體中的水平遷移擴散、風浪作用造成的紊流擴散、沉積物表明的直接釋放等其他因素在這個模型中未得到體現.盡管靜態模擬不能真實反映湖泊的物理條件,如水平流、紊流等物理因素,但由于考慮到生物擾動等影響因素,在理論上比擴散定律的計算結果更接近于實際情況.表4可看出,通過原柱樣靜態模擬得到的擴散通量要大于擴散定律計算的結果.這種偏差反映了生物擾動等作用的強度.正如Cermelj等在Adriatic海灣利用擴散模型和原柱樣模擬進行擴散通量的比較研究中發現,R和F值的差異反映了沉積物,特別是表層沉積物中生物擾動和生物灌溉作用的強度,差異越大則說明生物擾動強度越大,且R/F比值與擾動強度嚴格相關.如果采集的間隙水正好有生物灌溉作用存在,則上覆水會侵入到間隙水中造成營養鹽的濃度梯度的降低而導致分子擴散降低.因此,如果存在生物擾動及生物灌溉作用,則計算得到的R/F值會大大低于無擾動作用下的計算結果.綜合分析,在滇池福保灣這樣一個生物擾動作