2017, Vol. 37
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2. 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210098
2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210098
沉积物-水界面是水生态环境的重要组成部分.污染物通过废水排放、大气沉降、雨水淋溶与冲刷进入水体, 同时不断向沉积物中富集(姚书春等, 2004).沉积物中含有大量的化学物质和生物成分, 沉积物-水界面是沉积物中的化学和生物成分向水体中传输和转化的重要场所(黄清辉等, 2003).污染物质在该界面传输过程的研究对于水环境的控制和治理尤为重要(秦伯强, 2002).其中, 河流流速条件的变化, 湖泊的风浪扰动等因素引起的水动力特性变化显著影响沉积物-水界面营养物质迁移转化规律.例如太湖是一个典型的浅水湖泊, 平均水深不足2 m, 最大水深不足3 m, 且具有较高的风浪扰动.浅水湖泊在动力扰动作用下导致的沉积物内源释放量大, 对其水质造成的影响不可忽视.近年来太湖流域实施调水工程, 引起河道水动力条件大幅改变, 其对底泥释放的影响也非常显著, 目前还需要进一步的研究(朱广伟, 2008; 宓辰羲等, 2013; 展永兴, 2010).
在自然条件下, 水动力扰动是影响营养物质迁移的重要因素.很多学者研究已经表明悬浮颗粒物的浓度、悬浮量、沉积与冲刷和切应力及底泥的性质关系密切(Krone et al., 1962; Depinto 1994; kelderman et al., 2012).水动力条件变化通过引起水流冲刷河床底部切应力变化, 影响河床中沉积物的悬浮和沉积等作用, 改变底泥与水中营养物质交换的方式.在湖泊中, 主要存在由于风速引起水动力扰动, 而且悬浮物浓度随水动力扰动增加明显.研究还发现在湖泊流速超过一定临界流速之后, 水动力扰动作用变得十分显著.Jin等(2011)发现太湖底泥临界流速在21 cm·s-1左右.在河道中, 流速的变化是水动力扰动的主要因素, 临界流速对底泥水中营养物质交换的方式意义重大.
由于对底泥的冲刷再悬浮及紊动(风速)影响下的污染物释放过程复杂, 其研究方法正在发展中.目前, 在研究方法上, 多使用烧杯, 锥形瓶, 振荡器等模拟紊流扰动, 反映的多是湖泊里的情形, 河流中的实际情况没有得到很好的体现(张路等, 2001).关于动力扰动条件下底泥释放机制描述, 大多数研究仅通过实验定性表明, 随着动力扰动强度的增加, 底泥悬浮和营养物质释放量增加, 远大于静态条件下的分子释放过程(Fan et al., 2014; 蒲迅赤等, 1999; 张丽萍等, 2003; 李大鹏等, 2010).例如, 张路等(2001)在研究水体中的磷时, 发现强扰动强度下磷浓度远大于低扰动强度下磷浓度, 但同时当上覆水中磷浓度高时, 沉积物对磷的吸附作用也显著.扰动底泥增加了水体中颗粒态磷的含量是底泥氮磷释放速率增加的主要原因(张丽萍等, 2003; 李大鹏等, 2010).通过实验, 底泥悬浮量和营养物质浓度, 大多被概化成简单的指数关系.李彬等通过实验数据拟合, 发现营养物质悬浮释放量随时间成指数关系(李彬, 2007; Zhang et al., 2012).李一平等发现TP, TN释放率和流速存在指数关系(李一平等 2004; 彭进平等, 2003; 逄勇等, 2007).从动力条件引起释放机制变化的角度, 对营养物质的变化进行描述和模拟亟待开始.
河道中, 由于水动力扰动引起的底泥营养物质与河流上覆水体中营养物质的交换机理有助于了解太湖河道调水工程对河道水质水环境的影响, 本研究将通过环形水槽模拟河道上水动力条件的变化, ①对底泥悬浮的临界流速进行探讨; ②尝试从不同动力条件下释放机制的描述中, 揭示水体流速变化对底泥与水体中营养物质交换过程的影响.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 样品采集2015年6月于浙江省嘉兴市余步大桥下(30°43'48.74″N, 120°52'07.51″E), 使用彼德森采样器采集太湖河道表层底泥样品(约15 cm), 用冰盒保存送至实验室.除去上覆水及底泥中的杂物后, 放于冰柜中4 ℃条件下保存.实验用水为自来水.
2.2 实验方法 2.2.1 实验装置本实验的实验装置是中国科学院南京地理与湖泊研究所水动力实验室的环形水槽(图 1).环形水槽可将直槽的长度转化为时间尺度, 以模拟无限长水槽, 解决了直水槽研究粘性泥沙中水泵搅动破坏絮团及细颗粒泥沙沉降速度慢, 直槽不够长等问题.另外水槽的体积小, 实验所需的沉积物量少, 流速容易控制, 水深容易改变, 可以将水动力条件形象地反映出来, 从而使模拟研究的结果真实地代表实际的结果(冯学英, 1998).环形水槽是由上下盘和调速传动系统及控制器, 量测系统组成.下盘内径为100 cm, 外径120 cm, 高40 cm的有机玻璃环槽; 上盘为一环片, 覆盖在环槽上, 上盘的高度可以调节, 实验时覆盖在水面之上.上下盘由计算机自动控制, 无级调速电机带动上下盘相向运动, 在切应力的作用下产生水流.由于水槽的曲率会出现横向副流, 但通过对上下盘速比的合理调配, 可将副流基本消失, 槽内流场基本均匀.上盘用来消除转动时产生的离心力, 保持水的流态稳定.该环形水槽通过转速的变化以实现水动力条件的变化.
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| 图 1 环形水槽示意图 Fig. 1 Schematic diagram of annular flume |
实验于2015年7月开展, 气温为25 ℃.实验分2个阶段:第一阶段前期准备阶段, 将采集回的太湖河道沉积物均匀地铺于环形水槽底部, 轻压使底泥处于相对平整状态, 控制底泥厚度为5 cm.之后缓慢注入自来水, 水深为25 cm, 静置24 h.第二阶段为研究阶段, 由于太湖周边河道流速一般在10 cm·s-1以内, 水势较急时可达30~40 cm·s-1.据此, 实验选择的水体流速分别为5、10、15、20、25、30 cm·s-1, 基本涵盖太湖周边河道水流流速范围.实验从静置开始, 逐步加速, 达到实验流速后, 保持水流作用3 h, 并同时分上、中、下3层, 每层的3个断面采集水样.断面将环形均匀分成3等分.断面分别距底泥1、12、25 cm.当流速为5 cm·s-1时, 采样时间为0、20、40、60、90、120、180 min.当流速为10、15、20、25、30 cm·s-1时, 采样时间为0、10、20、30、60、90、120、180 min.每个流速历时的最后平衡时刻, 采集距离底泥表层1 cm的水样, 测其总磷, 总氮含量.
2.2.3 分析方法样品采集后, 首先用孔径为0.45 μm水相滤膜进行过滤, 放于冰柜4 ℃条件下保存.之后样品使用荷兰SKALAR连续流动分析仪San++分析测试水样中的总溶解态磷(TDP), 总溶解态氮(TDN); 用分光光度计测试水样中总磷(TP), 总氮(TN)的含量.两仪器测量前均用标样绘制标准曲线, 相关系数均在0.95以上, 确保实验数据可信.实验所用底泥样品, 晒干后, 用激光粒径分析仪测试其粒径的分布.
2.2.4 计算方法(1) 平均浓度计算
单位面积的水柱内营养盐含量可用式(1) 计算.
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(1) |
式中, h为距底泥表面高度(cm); c为距底泥h(cm)处营养盐的浓度(mg·L-1); d为水的深度(cm); M为单位面积水柱中TP含量(mg·cm-2).
单位面积水柱内营养盐的平均浓度如式(2) 所示.
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(2) |
式中, d=25(cm), c为营养盐的平均浓度(mg·L-1).
实验分3层采样, 采样点分别为距底泥h1=1 cm, h2=12 cm, h3=25 cm.用差分代替微分, 在0~25 cm的水柱内, 营养盐平均浓度可用式(3) 计算.
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(3) |
式中, Δh1=h1=1 cm, Δh2=h2-h1=11 cm, Δh3=h3-h2=13 cm.
c1、c2、c3为每层3个采样点的平均浓度.为营养盐的平均浓度(mg·L-1).
(2) 起动流速计算
窦国仁总结了一套处理泥沙起动问题的方法, 能够处理较粗颗粒和较细颗粒的泥沙起动问题(窦国仁, 1999).太湖河道底泥属于较细颗粒的泥沙, 本研究使用其公式计算河道底泥的起动流速和起动切应力.计算中考虑了泥沙起动的3个不同标准, 即"个别动"、"少量动"、"普遍动".综合这3种水流状态下可得到摩阻流速公式(式(4)).
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(4) |
式中, γs和γ为泥沙和水的容重(g·cm-3), g为重力加速度(cm·s-2), d为泥沙的粒径(cm), 一般为中值粒径, 即d=d50, d'和d*均为修正粒径, γ0和γ0*为泥沙的干容重和稳定容重(g·cm-3), ε0是综合粘结力参数, 对于一般泥沙ε0=1.75 cm3·s-2, δ为薄膜水厚度, 取为2.31×10-5 cm, h为水深, k为一系数.
在研究泥沙起动时, 常常用起动切应力的概念.切应力τ=ρu*2, 因而泥沙起动切应力公式如式(5) 所示.
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(5) |
在研究解决工程泥沙问题时, 常常需要使用起动流速.以垂线平均流速代替的泥沙起动流速见式(6).
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(6) |
式中, k'为系数, Δ为床面粗糙高度.
(3) 再悬浮浓度计算
Wang等(2011)通过水槽实验建立了上覆水中颗粒物浓度与水流速度的经验关系, 由于底泥粒径与本实验相近, 且水流速度也在本实验的范围内, 所以借用该经验关系来估计本次实验中不同流速下上覆水中悬浮颗粒物浓度.该经验关系见式(7).
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(7) |
式中, Um为水流平均流速(cm·s-1); SSC为再悬浮颗粒物浓度(kg·m-3).
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 底泥起动流速计算 3.1.1 参数的确定① 泥沙容重γs的确定
根据资料, 取值为太湖河道底泥的平均容重值1.3 g·cm-3.
② 沙粒径d, d'和d*的确定
对所采的河道底泥进行处理后, 用激光粒径分析仪测定, 可得底泥中值粒径为0.013 mm.一般d*=10 cm, d'=0.5 cm.
③ 系数k和k'的确定
借用窦国仁的研究成果, k和k'对于不同起动状态具有不同数值, 即:
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(8) |
需要说明的是上覆水中悬浮颗粒物从"个别动"到"普遍动"显著增加.
3.1.2 底泥起动流速和起动切应力的计算结果及分析底泥颗粒处于床面的位置及作用在颗粒物上的水流速度等是随机的, 故泥沙的起动是一个随机的过程, 所谓的起动标准也不过是一个相对的泥沙起动的平均值, 并不是一个确定性的问题, 为了全面的阐述问题, 本文给出了3种不同起动标准下的起动流速和起动切应力值, 起动流速以垂线平均流速代替, 分别将参数带入式中, 得到具体的结果如表 1所示.
| 表 1 河道底泥不同起动标准下的起动流速及悬浮颗粒物浓度 Table 1 Starting velocity of river sediment under different starting standards and Concentration of suspended particulate matter |
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由上面的结果可以看出, 不同标准对应的起动流速和起动切应力变化较大, 故明确起动标准也是确定泥沙起动流速的关键因素.为了验证计算结果的准确性, 结合窦国仁(1999)利用自己推导的公式和实测资料整理的不同粒径下泥沙的起动流速图, 及何文社等(2002)给出的起动流速的一个上下限, 针对实验底泥粒径为所采河道底泥0.013 mm时, 得到不同作者计算的起动流速为20~40 cm·s-1.而本文计算的"个别动"为18.0 cm·s-1, "少量动"为22.2 cm·s-1, "普遍动"为28.4 cm·s-1.由于泥沙的起动与底部泥沙的状态有关, 而实验时泥沙铺设有可能不如实际河道中的紧密, 可能导致起动流速偏小.尽管如此, 但仍在窦国仁(1999)泥沙起动流速图中所给出的范围内, 这说明起动流速的计算结果是比较理想的, 符合大多数人的研究成果.
3.2 不同流速下水体中氮磷浓度的变化规律 3.2.1 不同流速下氮磷浓度随时间的变化本实验测定的流速分布为:5、10、15、20、25和30 cm·s-1, 上覆水体中TDN以及TDP浓度随时间变化过程如图 2所示.当流速为5 cm·s-1时, 上覆水中TDP、TDN含量低且增长缓慢, 这是由于水体流速没有达到底泥的起动流速, 底泥处在个别动的状态, 营养物质仅为泥-水界面的扩散释放, 释放量小且缓慢.当流速为10 cm·s-1时, 上覆水中TDP浓度的初始值为0.032 m·s-1, 在0~30 min时间内突然增加至0.078 mg·L-1, 30~60 min缓慢增加至0.084 mg·L-1后基本保持不变.TDN浓度也由初始时刻的3.28 mg·L-1在30 min内上升至4.10 mg·L-1, 后期增速缓慢.流速为15 cm·s-1时, 上覆水中的营养盐变化规律与10 cm·s-1时类似.这可能与流速接近底泥"个别动"至"普遍动"流速有关.由于流速的增加, 部分底泥开始跳跃, 含有氮磷的孔隙水与上覆水混合, 颗粒物上的氮磷同样会向水体中解析, 使得上覆水中氮和磷的含量增加.0~30 min是释放的初始阶段, 主要为孔隙水释放, 表现为瞬时释放, TDP释放量大, 速率快.之后为再悬浮的颗粒物向水中的解析释放, 释放较初始阶段缓慢.当悬浮的颗粒物与水相之间建立吸附-解吸平衡后, 磷浓度基本不变.流速为20 cm·s-1时, 上覆水中氮磷在60 min后显著增加.TDP从0.092 mg·L-1增加至0.14 mg·L-1, TDN从4.2 mg·L-1增加至4.5 mg·L-1.这可能与水体流速接近"少量动"流速有关, 表示有更多的底泥进入上覆水中, 颗粒物上的氮磷向水体中解析释放引起水体中氮磷的含量增加.在流速为25 cm·s-1时, 上覆水中TDP和TDN含量较大, TDP浓度最高达到0.14 mg·L-1, TDN浓度最高达到4.8 mg·L-1.氮磷释放量明显增加.此时底泥已处于"普遍动"的状态, 泥水界面大部分的颗粒物携孔隙水随着水流跳跃进入上覆水中, 并与上覆水充分混合, 因而上覆水中的氮磷浓度维持在一个较高的水平.
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| 图 2 上覆水中溶解性磷(a), 氮(b)平均浓度在不同流速条件下随时间的变化 Fig. 2 Average concentration of dissolved phosphorus (a), nitrogen (b) variation under different flow rate conditions |
在底泥营养物质与上覆水体交换过程中, 上覆水体中溶解性磷浓度有降低的情况发生, 原因主要有:扰动使得底泥悬浮的过程中, 上覆水中的无机颗粒物质, 如铁、猛等氧化物胶体以及带羟基基团的粘土矿物等含量显著增加.同时扰动使得水体复氧, 有利于颗粒物对磷的吸附(李大鹏等, 2010).扰动也增加了细小颗粒物质与溶解性磷的接触几率, 强化了细小颗粒物的聚集与絮凝, 从而使得吸附了大量溶解态磷的悬浮物发生沉降, 使得上覆水中的TDP含量降低(孙小静等, 2007; Kisand and Nõges, 2003).不同流速下底泥氮磷的释放量随着流速的增加, 与流速呈现对数关系(图 3).在底泥"少量动"流速(22.2 cm·s-1)之前, 释放量随流速增加而显著增加, 在底泥"少量动"流速(22.2 cm·s-1)之后, 释放量随流速增加增长减缓.
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| 图 3 溶解性磷(a), 氮(b)在不同流速下的释放量 Fig. 3 Release rate of dissolved phosphorus (a), nitrogen (b) under different flow rate conditions |
综合以上分析, 上覆水中的氮磷浓度与底泥的状态紧密相关.在底泥"个别动"时, 上覆水中氮磷浓度在初期突然增加, 主要是底泥与上覆水体之间营养物质的扩散作用产生的.之后, 随着流速增加引起更多的底泥跳跃悬浮, "少量动"时, 底泥中空隙水中的营养物质, 以及吸附在颗粒物上的氮磷向水体中解析释放, 引起后期上覆水中氮磷增加.当流速继续增加, 引起底泥"普遍动"时, 上覆水中的氮磷显著增加, 并维持在一个较高的水平.本研究中上覆水中TDP含量是底泥静态释放下上覆水中TDP含量的6倍左右.TDN的含量是底泥静态释放时的1.3倍左右.
水动力条件主要是对底泥营养物质的动态释放过程产生影响, 进而改变上覆水体中的营养物质浓度(Wan et al., 2013; Luo et al., 2006).动态释放有两种方式:一是含有污染物质的孔隙水与上覆水的交换, 二是含有污染物的颗粒物再悬浮向水体解吸释放.底泥在受水动力扰动的释放过程可以分为3个过程, 快速释放、缓慢释放和平衡释放.快速释放即初期孔隙水中的氮磷随水流进入上覆水中, 缓慢释放即颗粒物的再悬浮使得吸附在颗粒物上的氮磷向水体中解析释放, 平衡释放即最后颗粒物的解析/吸附基本平衡.由实验结果可得, 当床面底泥处于个别动, 少量动, 普遍动状态时的流速分别约为15、20、25 cm·s-1.且通过研究氮磷浓度在5、10、15、20、25 cm·s-1时, 发现在底泥"个别动"(10~15 cm·s-1), "少量动"(20 cm·s-1)和"普遍动"(25 cm·s-1)时呈现不同的变化规律.可见实验观察, 氮磷浓度变化临界流速和理论模型计算结果基本相近.
3.2.2 氮磷平衡浓度随流速的变化在不同的流速下, 不但营养物质的释放量与水流速有指数关系, 上覆水中TDN、TDP最终达到的平衡浓度与流速之间也存在对数关系(图 4).当流速低于20 cm·s-1时, TDP、TDN浓度随流速的增加而显著增加.高于20 cm·s-1后, 上覆水中的TDP浓度维持在0.12~0.14 mg·L-1, TDN浓度维持4.6~4.8 mg·L-1, 增加量减小.该指数关系可以同样用动态释放过程理论来解释.由于2 cm·s-1时, 大部分底泥已经起动, TDP经过孔隙水和颗粒物质再悬浮释放进入上覆水体中, 并基本达到一个平衡的状态, 所以当流速继续增加时, 颗粒物的解析和吸附基本平衡.
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| 图 4 上覆水中溶解性磷(a)、氮(b)在不同流速条件下的平衡浓度 Fig. 4 Equilibrium concentration of dissolved phosphorus (a) and nitrogen (b) in overlying water under different flow rate conditions |
除了溶解态氮磷, 本研究还测量了距离底泥1 cm处的总氮、总磷的平衡浓度.TP、TN包括水体中可溶性氮磷和悬浮颗粒物中氮磷量.各个流速下TN、TP最终达到的平衡浓度随流速的增加也呈指数规律增加(图 5).当流速大于20 cm·s-1, 上覆水中TP、TN浓度明显高于TDP、TDN浓度, 可见流速大时, 水中悬浮颗粒物浓度增加是造成水体中TP、TN含量增加的主要原因.流速达到底泥的起动流速, 底泥大量起动, 悬浮颗粒物增加, 水体中悬浮颗粒物含氮磷量显著增加, 使得TP、TN含量远大于TDP、TDN含量.
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| 图 5 上覆水中总磷(a)、总氮(b)在不同流速下的平衡浓度 Fig. 5 Equilibrium concentration of total phosphorus(a), total nitrogen (b) at different flow rates in the overlying water |
本文通过设计环形实验, 在用理论公式计算底泥起动临界流速的基础上, 研究不同水流速度条件下, 上覆水中氮磷的变化规律.发现氮磷变化的临界流速, 与理论模型计算幅临界流速和实验观察底泥起动状态的流速基本一致.分析发现, 上覆水中氮磷的变化与底泥的状态紧密相关, 且在不同的流速条件下沉积物-水界面的释放机制显著不同.当流速很低时, 仅为由浓度梯度引起的分子扩散释放.当流速增加, 底泥"个别动"时, 在泥水界面形成边界层, 边界层中的孔隙水向上覆水中释放氮磷.少量的孔隙水和颗粒物会随水体进入上覆水中.当流速继续增加使得底泥"少量动"甚至"普遍动", 底泥大量悬浮携部分孔隙水进入水体, 引起上覆水中总磷总氮含量显著升高.但是溶解性总磷总氮, 由于存在一个解析/吸附的过程, 增加量并不显著, 甚至在达到一定的流速后保持不变甚至稍有降低.溶解性氮磷的释放量、最终的平衡浓度与流速存在对数关系, 释放量及最终平衡浓度在起动流速前随流速增加显增加, 临界流速后增加量减少.总氮总磷与流速呈指数关系, 其含量随流速增加显著增加.由于动力扰动引起孔隙水和颗粒物再悬浮是上覆水中营养物质增加的主要原因, 同时由于颗粒物沉降和底泥吸附存在, 水体中的溶解态氮磷不会持续增加, 在机理层面阐释了上覆水中营养物质的变化规律.
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DOI:10.18307/2008.0103 |