福州第二飲用水水源地——山仔水庫底泥中磷釋放研究
前言
在國內(nèi)外許多湖泊水庫等水體，采用了污染截流以后，水質(zhì)沒有明顯好轉(zhuǎn)，經(jīng)研究得出底泥中營養(yǎng)物質(zhì)釋放是水質(zhì)惡化的另一主要原因。山仔水庫在2001年底污染完全截流以后，通過2003年7、8、10、11月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)和富營養(yǎng)化評價(jià)均表明，水質(zhì)沒有明顯改善，有些指標(biāo)呈現(xiàn)上升趨勢。因此，對水庫底泥進(jìn)行采樣，研究底泥中營養(yǎng)鹽在靜態(tài)時(shí)的釋放，從而得出水庫的內(nèi)源負(fù)荷量，為山仔水庫富營養(yǎng)化治理提供理論依據(jù)。
水庫底泥中的磷釋放是一相當(dāng)復(fù)雜的動態(tài)過程，釋放量的大小會受到水庫底層中溶解氧的狀況、溫度、pH值、生物活性、風(fēng)浪擾動等多種因素的影響。由汪家權(quán)等對安徽巢湖、隋少峰等對武漢東湖、侯立軍等對蘇州河和吳根福等對杭州西湖等淺水中影響底泥營養(yǎng)元素釋放的環(huán)境因子研究，得出了以下結(jié)論：在厭氧條件下，底泥中的磷向水體釋放，且釋放強(qiáng)度隨pH值的升高而升高，好氧條件下，底泥非但沒有向水體釋放磷，反而從水體中吸附磷，呈“負(fù)釋放”狀態(tài)，厭氧條件下底泥釋磷量是好氧條件下的30倍，且pH值越低，“負(fù)釋放強(qiáng)度”越大。升高水溫、降低溶解氧和擾動上覆水均能加速磷釋放，而且最大釋放強(qiáng)度隨溫度的升高而提前。但是福州第二飲用水水源地—山仔水庫屬于深水水庫，通過便攜式溶解氧儀測定水庫底部的溶解氧平均值為2.1mg/L，因此，本實(shí)驗(yàn)主要考慮在切斷外污染源情況下，僅考慮厭氧環(huán)境和溫度影響的情況下，底泥中營養(yǎng)元素的釋放速率，從而計(jì)算出水體靜態(tài)情況下底泥-水界面污染負(fù)荷。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1.1樣品的采集和分析方法
對山仔水庫的底泥進(jìn)行了充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，底泥采樣采用開閉式不銹鋼柱狀底泥采樣器（準(zhǔn)60×600mm）進(jìn)行底泥的采集，樣品采集后立即避光保存。水樣采集與底泥采集同步，水樣采集采用中科院武漢水生所研制的采水器，并用超聲波測深儀測出相應(yīng)點(diǎn)位的水深。具體采樣點(diǎn)位見圖1。總磷測定采用酸性消解/鉬銻抗分光光度法。
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1.2上覆水樣處理
用于模擬實(shí)驗(yàn)的上覆水樣采集與底泥采集同步，并帶回室內(nèi)后立即經(jīng)纖維濾膜(0.45μｍ)過濾，然后放入冰柜中冷藏備用。
1.3沉積物界面磷釋放實(shí)驗(yàn)
在室內(nèi)將柱狀樣中原有上覆水用虹吸法抽去，再用虹吸法沿壁小心滴注已過濾的原采樣點(diǎn)水樣，至液面距沉積物表面某一高度，并標(biāo)記下這一刻度。下端用皮塞塞緊，所有柱狀樣品均垂直放入已恒定在指定溫度下的生化恒溫培養(yǎng)箱中，避光培養(yǎng)。第一次灌入的水樣作為起始樣。水樣用注射器抽取，每次取樣60mL，取樣后補(bǔ)充上覆水至同樣的高度，然后立即在針眼處涂硅橡膠密封。緊接著排出柱狀樣上部的空氣，一邊充入N2時(shí)，另一邊通過導(dǎo)管排出空氣，時(shí)間約為5分鐘。其中需要注意的是充氮?dú)獾膶?dǎo)管盡可能的接近水面，而空氣排出管盡可能與管口對齊，以便內(nèi)部原有的空氣盡可能的排出后，這樣能充分的保證該柱狀樣處在厭氧的環(huán)境中，具體見圖2。取樣時(shí)間為每兩天一次，并對所取水樣進(jìn)行指標(biāo)分析，全部實(shí)驗(yàn)為24天結(jié)束。隨時(shí)間的增加，實(shí)驗(yàn)水柱中濃度有所變化，這時(shí)某營養(yǎng)物的釋放強(qiáng)度可按下式計(jì)算：
式中，R為釋放強(qiáng)度（mg/m2）；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(shí)某物質(zhì)含量(mg/L)；Ca為添加水樣中的物質(zhì)含量(mg/L)；j-1為第j-1次采樣體積(L)；r為釋放速度[mg/（m2·d）]；t為釋放時(shí)間（d）；A為柱狀樣中水-沉積物接觸面積(m2)，A=0.002827 m2，每次采樣后得出的釋放速度平均后即得到釋放速度，試驗(yàn)的釋放速度是考慮底泥的釋放和沉降后的凈釋放速度，即表觀速度。由于山仔水庫常年年平均水溫變化在21～22℃之間，夏季（6～8）平均水溫在29.5℃左右，其余三個季節(jié)平均水溫在19℃左右，在本研究中取15℃代表春、秋和冬三季底部的水溫，25℃代表穩(wěn)定熱分層時(shí)水庫底部的水溫。
2 結(jié)果與討論
2.1磷的釋放
根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果并用式（1）計(jì)算，結(jié)果見圖3。
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從圖3中可以看出，山仔水庫底泥有較明顯的磷釋放現(xiàn)象發(fā)生，整體上在兩個溫度下的總磷的釋放強(qiáng)度是隨著時(shí)間的延長而逐漸增長的。對于同一地點(diǎn)的柱狀樣樣品，不同的溫度對底泥中磷釋放也會產(chǎn)生很大的影響，本實(shí)驗(yàn)?zāi)M在15℃，25℃溫度條件下，底泥中磷的釋放，圖3中可以看出，在25℃時(shí)，底泥中磷的釋放較15℃快，這是因?yàn)樯邷囟饶茉黾拥啄嘀形⑸锖蜕矬w活性，進(jìn)而消耗O2也增多，從而使底泥中發(fā)生Fe3+→Fe2+的化學(xué)反應(yīng)，致使Fe結(jié)合態(tài)中的磷釋放出來。另外，微生物的活動還可以使沉積物中的有機(jī)態(tài)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)磷酸鹽而得以釋放，總體上溫度上升與磷釋放程度有正相關(guān)關(guān)系。
2.2 底泥中的磷的釋放速率
結(jié)合（2）式可以計(jì)算出各點(diǎn)的釋放速率和年平均釋放量，具體見表1。
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從表1中可以看出，山仔水庫底泥中各個采樣點(diǎn)磷在15℃下釋放速度為0.501～3.530 mg/m2·d，25℃下為1.645～4.176 mg/m2·d之間， 15℃和25℃表觀總磷釋放速度的平均值分別為1.996 mg/m2·d和2.873 mg/m2·d，總體是夏季釋放速度大于其它月份。
3 小 結(jié)
通過對底泥進(jìn)行營養(yǎng)元素釋放實(shí)驗(yàn)，得出底泥中的磷在深水中的釋放規(guī)律，并對其釋放強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)表明：
在厭氧條件下，磷有較明顯釋放現(xiàn)象發(fā)生，而且溫度的升高促進(jìn)了底泥中磷的釋放。水庫三個底泥樣品中總磷在15℃下釋放速度平均值為1.996mg/m2·d，25℃下平均值為2.873mg/m2·d，說明水庫底泥中大量的磷的釋放是水體富營養(yǎng)化又一個重要原因。
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