和川水库沉积物-水界面氮赋存特征及交换通量分析.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();陕西省自然科学基础研究计划项目()作者简介:侯梓良(),男,山西永济人,硕士研究生,研究方向为水环境模拟与污染控制 通信作者:冯民权(),男,山西永济人,教授,博士,研究方向为水环境模拟与污染控制:【水环境与水生态】和川水库沉积物水界面氮赋存特征及交换通量分析侯梓良,冯民权,赵 直(西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安)摘 要:为明确氮营养盐在沉积物水界面的交换过程,以和川水库沉积物为研究对象,分析水库整体氮营养盐污染现状及内源释放特征。采集水库不同点位表层沉积物和上覆水,以此分析氮营养盐空间分布特征及差异性;以原
2、位沉积物柱样沉积物静态释放试验获取沉积物水界面氮营养盐交换通量,并分析和川水库内源释放对水体营养盐的潜在贡献率。结果表明:和川水库上覆水中总氮含量劣于 类水标准,且空间差异明显;上覆水中氮营养盐以硝酸盐氮为主,间隙水中氮营养盐以氨氮为主,沉积物中氮以有机氮为主;沉积物表现为总氮、氨氮的“源”和硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的“汇”;和川水库库区界面交换对上覆水氮营养盐的贡献率较小,、的潜在贡献率小于。关键词:沉积物水界面;氮营养盐;交换通量;和川水库中图分类号:文献标志码:引用格式:侯梓良,冯民权,赵直和川水库沉积物水界面氮赋存特征及交换通量分析人民黄河,():,(,):,“”,“”,:;沉积物水界面是
3、物质参与环境地球化学循环和生物耦合的重要区域。沉积物中营养盐释放引起的内源污染是水体污染控制的核心。近年来水质安全越来越受到人们的重视,当外源污染已经或正在被有效控制时,内源污染成了水体污染的重要影响因素。沉积物和上覆水营养盐交换是湖库沉积物具有“汇”或“源”作用的重要标志。沉积物中大量溶解性物质将孔隙水作为媒介通过扩散向上运移到上覆水中,从而影响上覆水水质。污染物在沉积物水界面的迁移转化过程十分复杂,认识污染物在沉积物水界面的分布特征以及扩散过程,对探讨污染物的环境行为具有重要的理论和现实意义。国内外学者对沉积物水界面营养盐交换通量进行了一定研究,等对意大利南部爱第 卷第 期 人 民 黄 河
4、 ,年 月 ,奥尼亚湾沉积物水界面总氮交换通量进行了研究,张甜娜等采用孔隙水浓度梯度法研究了白洋淀、和 在界面的交换通量,向速林等通过现场采样和室内试验研究了鄱阳湖沉积物水界面氮的交换通量。交换通量计算方法中,实验室培养法容易操作、变量可控,也能较好反映泥水界面营养盐交换的源汇关系。目前国内外对沉积物营养盐释放的研究集中于氮磷在界面的交换通量上,不同形态氮营养盐在沉积物水界面交换通量的研究较少,且较少使用原位沉积物柱样与原位上覆水进行室内模拟试验。除此之外,研究区域主要集中在湖泊或湖泊型水库,较少对河道型水库进行研究,而河道型水库泥水界面温度相对较低、风浪扰动小,沉积物的理化性质更为复杂,内部
5、污染物的代谢更慢,营养盐释放风险更大。和川水库位于山西省临汾市安泽县和川镇岭南村东的沁河干流,是拦截沁河抬高水位形成的山谷河道型水库,作为和川取水输水工程的枢纽工程,保证其水质达标对沁河的水质治理具有重要作用。据监测,和川水库铅、镉等重金属以及总磷均达到地表水类水标准,但总氮严重超标,劣于地表水类水标准。氮元素超标是水体富营养化的主要原因之一。笔者采用现场采样与室内试验相结合的方法,分析沉积物水界面各形态氮的赋存特征,利用原位沉积物柱样静态释放试验研究沉积物水界面氮营养盐交换过程,以期为和川水库内源污染防治提供参考。研究方法 样品采集与测定 年 月在和川水库坝前、库尾、水库中心、蔺河和沁河交汇
6、区布设 个采样点,采集和川水库库区、入库支流表层沉积物及上覆水,采样点布设见图。上覆水采用有机玻璃采样器采集,沉积物采用抓斗式采样器采集,并现场检测温度、值和溶解氧含量。将样品运回实验室后,测定、和 等指标。间隙水通过离心沉积物获得,上覆水和间隙水总氮含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定,氨氮含量采用纳氏试剂分光光度法测定,硝酸盐氮含量采用紫外分光光度法测定,亚硝酸盐氮含量采用分光光度法测定。沉积物经自然风干、研磨过筛后,总氮含量采用凯氏法测定,氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量采用氯化钾溶液提取分光光度法测定。有机氮含量为总氮含量减无机氮含量。上覆水、间隙水和沉积物不同形态氮含量用 个月检
7、测数据的平均值表征。图 采样点布设 沉积物水界面氮交换通量测定采用实验室培养法进行沉积物水界面氮交换通量的测定。采样点、均位于库区,其中采样点 接近蔺河和沁河交汇区、采样点 位于坝前,采集 月采样点、表层沉积物和上覆水测定沉积物水界面氮交换通量。室内试验在室温()条件下进行,试验装置见图,培养柱主要由进出水管、有机玻璃柱和橡胶塞构成。将采集的沉积物置于培养柱底部,再注入水库同一位置上覆水,培养柱中沉积物和上覆水的体积比例为 ,试验周期为 。试验开始后,在、取一次上覆水,检测、含量。每次从培养柱中取水 ,为避免扰动用注射器从取水口取水,并从进水口补充同体积上覆水到培养柱中。图 室内试验装置交换通
8、量估算公式为 ()()其中()()式中:为沉积物水界面交换通量;为培养柱横截面面积;为培养柱内上覆水体积;为 时刻上覆水人 民 黄 河 年第 期中营养盐含量;为取出水样体积;为和川水库营养盐原始浓度;为 时刻上覆水中营养盐浓度。界面交换对水体氮营养盐的潜在贡献率为分析氮营养盐在沉积物水界面交换对水库氮含量的影响,通过式()对水库营养盐的潜在贡献率进行估算。通过模拟试验测定、两个采样点营养盐在界面的交换通量,估算沉积物水界面交换对水体氮含量的潜在贡献率。()()式中:为潜在贡献率;为玻璃柱中水的深度,本研究中为 ;为采样点平均水深;为培养试验稳定后水体的营养盐浓度;为对应采样点营养盐浓度。结果与
9、讨论 沉积物和库水中氮赋存形态和分布特征 月各采样点上覆水理化指标平均值见表。和川水库上覆水 值为,水体整体呈弱碱性。溶解氧含量为 ,其空间差异显著,其中:沁河段溶解氧含量相对较低;库区水域溶解氧含量较高,达类水标准。含量为 ,劣于 类水标准,存在较为严重的氮污染。上覆水中氮营养盐以 为主,、含量较低,空间差异不显著。间隙水和沉积物中不同形态氮含量见表。表 各采样点上覆水理化指标采样点温度 值()()()()()表 间隙水和沉积物氮含量采样点间隙水()沉积物()各采样点上覆水中不同形态氮含量及占比见图。上覆水中氮含量分布具有明显空间差异,蔺河、洪驿河总氮含量高于沁河和库区水域的,污染较为严重,
10、主要受周围工业园区和污水处理厂污水排放影响;沁河总氮含量也较高,原因是周围农田较多,灌溉退水入沁导致沁河氮含量升高;库区水域氮含量主要受汇入库区支流水质和周围耕地灌溉影响,且耕地对水体无机氮含量影响较大。上覆水中氮营养盐以硝态氮 为主,占总氮含量的 ,氨氮 和亚硝态氮 含量较低。各采样点间隙水不同形态氮含量和各形态氮占比见图。间隙水是沉积物水界面营养物质交换的重要介质,间隙水中总氮含量略低于上覆水,总氮分布特征和上覆水相似,蔺河、洪驿河总氮含量高于库区水域的。与上覆水明显不同的是间隙水氮含量以氨氮和有机氮为主,占比为 ,有机氮占比为,和 含量较低,且空间分布无明显差异。人 民 黄 河 年第 期
11、图 上覆水中不同形态氮含量及占比图 间隙水不同形态氮含量和各形态氮占比 各采样点沉积物中不同形态氮含量和各形态氮占比见图。沉积物中总氮含量为 ,沉积物中以有机氮为主,有机氮含量占比,空间分布差异不明显。无机氮中氨氮含量较高,占比,硝态氮、亚硝态氮含量很低,沉积物中无机氮赋存形态和间隙水类似。沉积物中氮通过浓度差扩散到间隙水中,并在氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的参与下,经硝化作用转化为,造成 富集,使得上覆水中硝态氮含量增高。图 沉积物中不同形态氮含量和各形态氮占比 不同形态氮相关性分析营养盐在沉积物和水体之间的迁移转化是一个复杂的过程,这个过程通常以间隙水为介质。为明确和川水库沉积物和水体中氮营
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