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 郭紅兵，  陳榮，  王曉昌

 （西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055）

 摘要：城市水體不同于流域水體，其補(bǔ)水來(lái)源與城市發(fā)展和水資源供給量密切相關(guān)，補(bǔ)水水源在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化是城市水體的典型特點(diǎn)。為r更好地揭示富營(yíng)養(yǎng)化城市水體沉積物在不同補(bǔ)水方式（自來(lái)水、再生水和湖水）下內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)物的釋放特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)（水體擾動(dòng)）條件下的底泥釋放過(guò)程。結(jié)果表明：(1)自來(lái)水補(bǔ)給下的上覆水TN、TP濃度表現(xiàn)為初期快速上升，后期保持相對(duì)平穩(wěn)的趨勢(shì)；再生水與湖水補(bǔ)給的上覆水初期TN、TP濃度短時(shí)間內(nèi)快速下降到一定程度后處于動(dòng)態(tài)平衡。(2)動(dòng)態(tài)條件下底泥的TN、TP釋放量均高于靜態(tài)條件，水力擾動(dòng)有助于底泥內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)物釋放。(3)采用物料平衡方法對(duì)底泥中營(yíng)養(yǎng)物的釋放總量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，以自來(lái)水為補(bǔ)水的動(dòng)態(tài)反應(yīng)器巾TN和TP的釋放量最大，TN在以再生水為補(bǔ)水的靜態(tài)反應(yīng)器巾釋放量最小，TP在以再生水為補(bǔ)水的動(dòng)態(tài)反應(yīng)器中釋放量最小。研究成果對(duì)城市水體富營(yíng)養(yǎng)化控制和補(bǔ)水水源的優(yōu)化配置具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：城市水體；底泥釋放；營(yíng)養(yǎng)物(N、P)；不同補(bǔ)水方式；動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

 目前，內(nèi)源污染物釋放引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。沉積物是水體多相生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中起到非常重要的載體作用，具有釋放面積大、釋放量及釋放途徑不明確等特點(diǎn)。在富營(yíng)養(yǎng)化水體外源污染得到有效控制的基礎(chǔ)上，沉積物向上覆水體釋放污染物（重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽和難降解物）成為“源”，造成二次污染。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮和磷的質(zhì)量濃度分別超過(guò)0.2 mg/1和0.02 mg/1，就會(huì)引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化。目前更多的研究關(guān)注于大型河湖沉積物中營(yíng)養(yǎng)物的賦存形態(tài)與含量及遷移轉(zhuǎn)化特性以及不同環(huán)境條件下（DO、pH值、溫度、生物和水體擾動(dòng)等）沉積物中營(yíng)養(yǎng)物釋放規(guī)律特征。

 城市水體不同于大型流域水體，水體水質(zhì)特征受到人類活動(dòng)最直接的影響，水體的補(bǔ)水水源也與城市的發(fā)展以及城市現(xiàn)有水資源的存量密切相關(guān)。伴隨著快速城市化進(jìn)程，大量城市尺度的水體在城市建設(shè)過(guò)程中得到新建或修復(fù)，與此相比，城市用水量增大，可用于水體補(bǔ)水的傳統(tǒng)水資源（地表水和地下水）存量逐漸減少，一些非傳統(tǒng)水資源，如雨水、再生水，正在逐漸成為傳統(tǒng)水資源的替代水源用于水體補(bǔ)水。因此，城市水體，尤其是已經(jīng)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的水體，在補(bǔ)水方式發(fā)生變化的情況下，沉積物理化性質(zhì)的變化以及對(duì)水體水質(zhì)的影響是城市水體水環(huán)境整治過(guò)程中的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，此方面的研究相對(duì)較少�；�于此，本研究開展了沉積物在不同補(bǔ)水方式下（自來(lái)水、再生水和天然補(bǔ)水）的釋放試驗(yàn)，揭示了不同補(bǔ)水水源對(duì)沉積物釋放特性的影響；同時(shí)，通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的比較，揭示了水力擾動(dòng)的作用特征，為城市水體內(nèi)源污染源的控制和管理提供了依據(jù)。

1  材料與方法

1.1  沉積物采集及預(yù)處理

 沉積物樣品采自昆明翠湖(N25。03'5.08”，E102。42'3.24”)，典型的城市富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體。采用自制的有機(jī)玻璃柱狀采泥器采集5—10 cm的表層沉積物樣品，底泥含水率較高，呈流態(tài)，淺黑色泥，手感粘滑，夾雜少量植物殘?bào)w。采集后去除沙石及動(dòng)植物殘?bào)w，立即用冰盒保存(4℃)送回實(shí)驗(yàn)室，密封靜置th后去除上覆水，充分混勻，備用。同時(shí)取采樣點(diǎn)上覆水51，以及進(jìn)水口再生水51（昆明市第四污水廠再生水，一級(jí)Auu），取回后經(jīng)0.45 ym玻璃纖維濾膜過(guò)濾后置冰箱內(nèi)4℃冷藏備用，作為實(shí)驗(yàn)補(bǔ)水。

1.2  實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)分為A組、B組2組，A組為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，B組為水力擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，每組3個(gè)柱狀反應(yīng)容器（1#以自來(lái)水為補(bǔ)水、2#以再生水為補(bǔ)水和3#以湖水為補(bǔ)水）。按照底泥：上覆水=1:4，于反應(yīng)容器底部分別均勻鋪置預(yù)處理過(guò)的400 m1底泥，厚度約為26.76 mm，并分別小心緩慢加入1600 m1不同水質(zhì)作為上覆水，盡量避免底泥懸浮，上覆水與實(shí)驗(yàn)補(bǔ)給水一致。上覆水添后均先靜置，12 h后B組采用恒速攪拌機(jī)以120r/min轉(zhuǎn)速在上覆水表面進(jìn)行連續(xù)擾動(dòng)，A組不受任何擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)每隔12 h定時(shí)定位（水面下5 cm）采集上覆水樣35 m1測(cè)量TN、TP濃度，并立即補(bǔ)充等量相應(yīng)補(bǔ)給水。整個(gè)實(shí)驗(yàn)共計(jì)持續(xù)192 h。實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)室溫度為23.8—25.2℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。

1.3  分析方法

  樣品采集后，總氮(TN)用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89)、總磷(TP)用鉬酸銨分光光度法(GB 11893_89)。見圖1。

1.4  計(jì)算方法

  底泥釋放量的計(jì)算公式如式(1)所示：

底泥釋放速率的計(jì)算公式如式(2)所示：

泥中營(yíng)養(yǎng)物(N、P)含量，mg；G、Cn-，、CO、Cj-，分別為第n次、n-1次、初始和j-1次采樣時(shí)上覆水中營(yíng)養(yǎng)物濃度，mg/1；G為補(bǔ)給水中營(yíng)養(yǎng)物濃度，mg/1;y為反應(yīng)器中上覆水體積，1;k為每次采樣體積，1；r為底泥釋放速度，mg/(m．h)；A為反應(yīng)器中上覆水一沉積物接觸面積，rrf；f為底泥釋放時(shí)間，h。

2  結(jié)果與討論

2.1  實(shí)驗(yàn)用補(bǔ)水理化性質(zhì)

 底泥采集處水深1.39 m，沉積物厚11 cm，是典型的水上娛樂(lè)區(qū)，表層水氮磷污染嚴(yán)重，其TN、TP濃度分別為6.987、0.179 mg/1。如表2所示，水中的TN、TP濃度分別為水體富營(yíng)養(yǎng)化臨界值(0.20和0.02mg/1)的35倍和9倍，處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。翠湖以昆明市第四污水處理廠再生水為補(bǔ)水，TN、TP濃度分別為10.79、0.218 mg/1。

2.2  沉積物TN釋放結(jié)果分析

圖2為不同補(bǔ)水方式下反應(yīng)器中上覆水TN濃度變化曲線。補(bǔ)給水來(lái)源的不同表現(xiàn)為各組曲線的起點(diǎn)各異。實(shí)驗(yàn)初期，以自來(lái)水補(bǔ)給的A1和BITN濃度上升，以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3TN濃度大幅下降。隨著時(shí)間的推移，A1和B1在實(shí)驗(yàn)24 h后上覆水TN濃度達(dá)到最大值平衡，分別為3.017 mg/1和3.165 mg/1，之后保持平穩(wěn)趨勢(shì)，并且B1 TN濃度高于A1。實(shí)驗(yàn)中期(12—120h)．A2、B2、A3和B3上覆水TN濃度均呈逐漸減小趨勢(shì)，分別減小了3.192、2.630、1.241和1.241 mg/1，A2和B2趨勢(shì)最為明顯，變化較大；實(shí)驗(yàn)后期(120—192 h)TN濃度在底泥的釋放與吸附動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中達(dá)到平衡。動(dòng)態(tài)（B1、B2和B3）與靜態(tài)（A1、A2和A3）整體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)TN濃度變化曲線總體處于靜態(tài)曲線上方。水力擾動(dòng)有助于底泥與上覆水的交換強(qiáng)度，從而促進(jìn)底泥的釋放，抑制其吸附過(guò)程。

基于公式(1)，圖3表示的是每12 h底泥中TN的釋放量與積累量對(duì)比結(jié)果。以自來(lái)水作為補(bǔ)水的A1和B1釋放趨勢(shì)基本相近，都可以分為2個(gè)階段：第一階段(0～48 h)TN大量釋放；第二階段(48—192 h)釋放與積累達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3具有相近的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為前期(0—132 h)單位時(shí)間內(nèi)的釋放量與積累量都較大，后期(132—192 h)變化趨于平緩。

 有研究表明營(yíng)養(yǎng)物的釋放與積累取決于表面上覆水與底泥間的濃度差。將不同補(bǔ)水方式下A1(B1)、A2 (B2)和A3 (B3)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以自來(lái)水補(bǔ)給的A1和B1表現(xiàn)出底泥TN釋放特征，以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3總體表現(xiàn)為TN吸附積累過(guò)程。

圖4為不同補(bǔ)水方式下底泥的TN的釋放或積累總量。以自來(lái)水補(bǔ)給的A1和B1底泥TN呈現(xiàn)釋放，且B1釋放量較A1大，釋放量分別為3.910、5.052mg，釋放速率分別為1.629和1.760 mg/(1．h)。以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3表現(xiàn)為吸附積累，積累量A2>B2>A3>B3，積累量分別為7.694、7.372、4.362、4.156 mg，積累速率分別為3.251、2.568、1.704、1.448 mg/(1．h)。補(bǔ)水對(duì)上覆水中TN濃度的稀釋或加重一定程度上取決于補(bǔ)水源中TN濃度的高低，而沉積物間隙水中氮與上覆水體中氮的濃度梯度是氮釋放的主要?jiǎng)恿ΑＱa(bǔ)水中TN濃度低，補(bǔ)水量大，對(duì)上覆水具有一定的稀釋能力，降低了上覆水中TN濃度，導(dǎo)致沉積物間隙水中氮向上覆水界面解吸附，釋放至上覆水；相反，補(bǔ)水TN濃度高，上覆水TN濃度增大，沉積物表現(xiàn)為吸附積累。

 將同樣補(bǔ)水條件下的靜態(tài)反應(yīng)器( A1～A3)和動(dòng)態(tài)反應(yīng)器(BI~B3)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，水力擾動(dòng)對(duì)TN釋放過(guò)程具有比較明顯的影響，表現(xiàn)為B1釋放量大于A1釋放量，但是對(duì)TN吸附積累過(guò)程沒(méi)有明顯的影響。水力擾動(dòng)加快了補(bǔ)水與上覆水中氮的物理化學(xué)反應(yīng)，有助于上覆水與沉積物界面含氮顆粒的再懸浮、溶解態(tài)氮的吸附與解吸附行為。而氮的各形態(tài)間可以通過(guò)生物化學(xué)作用相互轉(zhuǎn)換。

2.3  沉積物TP釋放結(jié)果分析

圖5為不同補(bǔ)水方式下反應(yīng)器中上覆水TP濃度變化曲線。各曲線的變化趨勢(shì)與相應(yīng)TN濃度變化曲線相似。以自來(lái)水補(bǔ)給的A1和B1 TP濃度呈逐漸增大趨勢(shì)，72 h時(shí)A1達(dá)到底泥釋放最大值點(diǎn)(0.094mg/1)后略微減小至96 h保持平穩(wěn)動(dòng)態(tài)變化；B1曲線位于A1上方，且B1整個(gè)過(guò)程為緩慢上升的趨勢(shì)。A2、B2、A3和B3 TP濃度變化可以分為2個(gè)階段：第一階段(0—24 h)TP濃度大量減��；第二階段(24—192h)TP濃度保持動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。動(dòng)態(tài)（B1和B3）與靜態(tài)（A1和A3）整體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)TP濃度變化曲線總體處于靜態(tài)曲線上方。水力擾動(dòng)有助于底泥與上覆水的交換強(qiáng)度，從而促進(jìn)底泥的釋放，抑制其吸附過(guò)程。B2與A2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)TP濃度變化曲線總體處于動(dòng)態(tài)曲線上方。上覆水濃度對(duì)底泥的釋放與積累具有重要影響。

基于公式(1)，圖6表示的是每12 h底泥中TP的釋放量與積累量對(duì)比結(jié)果。以自來(lái)水作為補(bǔ)水的A1和B1釋放趨勢(shì)基本相近，都可以分為2個(gè)階段：第一階段(0—72 h)TP大量釋放；第二階段( 72—192 h)釋放與積累達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。A2和A3變化趨勢(shì)基本相近，表現(xiàn)為前期(0—48 h)以TP積累為主，后期(48—192 h)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。B2和B3在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程呈現(xiàn)吸附積累特性。

 將不同補(bǔ)水方式下A1(B1)、A2(B2)和A3(B3)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以自來(lái)水補(bǔ)給的A1和B1表現(xiàn)出底泥TP釋放特征，以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3總體表現(xiàn)為TP吸附積累過(guò)程。這一結(jié)果表明，不同濃度上覆水對(duì)底泥的釋放與積累具有重要影響。

圖7所示為整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束后不同反應(yīng)器中底泥的TP釋放或積累總量大小。A1和B1的底泥TP均表現(xiàn)為明顯的釋放特點(diǎn)，并且B1的釋放量比A1大，釋放量分別為0.119、0.181 mg，釋放速率分別為0.050和0.063 mg/(1-h)。而A2、B2、A3和B3呈現(xiàn)為吸附積累特點(diǎn)，并且B2>B3>A3>A2．積累量分別為0.083、3.492、0.134、2.058 mg，積累速率分別為0.035、0.036、0.040、0.032 mg/(1．h)。補(bǔ)水對(duì)上覆水體中TP濃度的稀釋或加重取決于補(bǔ)水源中TP濃度的高低，而沉積物間隙水中磷與上覆水體中磷的濃度梯度是磷釋放的主要?jiǎng)恿�，且分子擴(kuò)散是其釋放至水體中的主要機(jī)制。補(bǔ)水中TP濃度低，對(duì)上覆水具有一定的稀釋能力，降低了上覆水中TP濃度，沉積物表現(xiàn)為釋放過(guò)程，在沉積物間隙水一上覆水界面發(fā)生磷解吸附，釋放至上覆水體；相反，補(bǔ)水TP濃度高，上覆水TP濃度增大，沉積物表現(xiàn)為吸附積累。

  將同樣補(bǔ)水條件下的靜態(tài)反應(yīng)器( AI—A3)和動(dòng)態(tài)反應(yīng)器(B1—B3)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，水力擾動(dòng)對(duì)TP釋放和積累過(guò)程都具有很顯著的影響，表現(xiàn)為B1釋放量大于A1釋放量，B2和B3吸附積累量明顯大于A2和A3。這一結(jié)果表明，水力擾動(dòng)加快了補(bǔ)水與上覆水中磷的交換，加大了沉積物與上覆水之間磷物質(zhì)的交換強(qiáng)度，有助于上覆水與沉積物界面含磷顆粒的再懸浮、溶解態(tài)磷及磷酸鹽的吸附與解吸附行為。

3  結(jié)論

  本文研究了不同補(bǔ)水方式和動(dòng)態(tài)及靜態(tài)條件下城市水體沉積物中TN、TP的釋放特眭，得到以下結(jié)論。

  (1)沉積物中營(yíng)養(yǎng)物(N、P)的釋放與積累是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，它們之間的交替取決于上覆水與沉積物間的濃度差，存在一個(gè)臨界濃度，當(dāng)上覆水營(yíng)養(yǎng)物濃度高于該臨界濃度，營(yíng)養(yǎng)物總體表現(xiàn)為吸附積累過(guò)程；相反，表現(xiàn)為釋放過(guò)程。

  (2)處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的水體，通過(guò)置換改變補(bǔ)水可以短期降低水中營(yíng)養(yǎng)物濃度，但是沉積物的持續(xù)釋放，又將維持較長(zhǎng)一段時(shí)間的水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

  (3)不同補(bǔ)水方式對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的釋放特性影響較大，以自來(lái)水為補(bǔ)水條件下，營(yíng)養(yǎng)物總體呈現(xiàn)釋放特性，以再生水和湖水為補(bǔ)水條件下，營(yíng)養(yǎng)物總體呈現(xiàn)積累特性，且再生水補(bǔ)水的積累量大于湖水補(bǔ)水。

  (4)水力擾動(dòng)是影響營(yíng)養(yǎng)物釋放特性的又一個(gè)重要因素，對(duì)于TN而言，水力擾動(dòng)對(duì)釋放過(guò)程影響較大，對(duì)積累過(guò)程影響較�。粚�(duì)于TP而言，水力擾動(dòng)對(duì)釋放和積累過(guò)程都有明顯的影響。