疏浚模拟对湖泊沉积物氮磷静态负荷的影响

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【摘 要】 研究了太湖东五里湖区柱状沉积物在疏浚模拟条件下对上覆水体静态负荷的影响。在184天的实验过程中发现东五里湖沉积物呈现出强烈的吸附特性，具有明显的营养盐蓄积库效应。溶解性磷酸盐和氨态氮的浓度下降了61.7%和94.9%，而疏浚柱样平均下降了93.5%±2.5%和99.0%±1.2%，溶解性磷酸盐的疏浚效果更明显。对于不同的疏浚深度，则对于上覆水氮磷静态负荷没有明显差异，疏浚深度以只疏浚表层最为经济。

【关键词】 疏浚模拟 沉积物 氮磷 静态负荷 太湖

在湖泊环境演变过程中，沉积物作为湖体中一切沉降物载体，不断接纳来自流域内随水体入湖的大部分无机和有机颗粒物，以及湖体内水生生物的死亡残体和排泄物等。含有丰富营养物的淤泥可成为水体潜在的内源性污染源，在适当的条件（如温度、溶解氧、pH等）下，其内在的营养物可释放出来进入水体，增加上层水营养负荷。为了控制富含沉积物的河湖水体污染，人们往往优先选用疏挖沉积物来作为解决其污染方法之一。70年代初起日本为改变湖泊污染状况，先后在印幡沼（1971）、取访湖（1974）、贺手沼（1982）和霞浦湖（1975，1991-1996）等[1，2]进行了局部或大规模的湖泊沉积物疏浚工程；美国在苏必利尔湖、西欧在Cenarli湖、Ennell湖等湖泊[3，4]也进行了湖底清淤。我国以改善环境为目的在杭州西湖、广州东山湖和麓湖、长春南湖、南昌八一湖、南京玄武湖、北京中海及昆明草海[5]等湖泊进行进行了疏浚。这些疏浚工程在其他治理措施的配合下，多数缓解了疏浚水域的污染。由于疏浚所需的资金投入巨大，且过度的疏浚一定程度上还会破坏水体生态、削弱湖泊对污染物输入的缓冲能力[1，6]，因此，有必要从生态和经济角度来科学地研究清淤问题。

太湖是我国第三大淡水湖，面积2338km2，平均水深2m左右，是无锡市、苏州市和上海市的饮用水源。位于太湖北部，无锡市区南部的五里湖湖区是一个半封闭的城市浅水湖泊，接纳了来自无锡市的城市污水，处于富营养到重富营养状态，水质恶化严重制约了湖泊生态和社会经济功能的发挥。为了改善该湖区的水质状况，无锡市已经开始对此湖区进行局部疏浚。有关疏浚深度及其对湖泊水质的持久改善能力的研究目前尚未见相关报道。本文拟从不同疏浚深度及其对水质改善程度的角度作一个初步尝试。

1 实验方法

1.1 研究区域及样品采集1201436 313058

在五里湖东部未经疏浚的区域用全球定位系统定位，在北纬31°30′58″；东经120°14′36″布设一采样点。该样点沉积物以细颗粒的粉砂为主，细砂含量很低；表层沉积物TP，TN以及有机质含量与太湖其他湖区相比为较高水平（表1）。粒径采用光透式粒度仪（SKC-2000）分析，TP，TN分析按照湖泊富营养化调查规范进行[7]。在该样点平行采集8根柱状样（图1）。柱样用日本产柱状沉积物采样器采集，柱样采集时选择表层形状平整，沉积物无明显扰动的样品，8个柱状样深度基本相同。在沉积物上端保留原始上覆水样，用橡皮塞塞紧。于2hr内用船运至中国科学院太湖生态系统研究站实验室。运送过程中始终保持柱样竖直并无扰动。

1.2 实验过程

首先用虹吸法将所有柱样上覆水小心吸出，并在塑料桶中混合均匀。将其中一个柱状样作为未疏浚的原样照样，其余7根柱样分别按照模拟疏浚5cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm的深度，切除上端沉积物。切除采用上顶法，即将沉积物从采样管中由下向上顶出，量出所需的沉积物高度切除。并将剩余沉积物顶入空的采样管中，下端加塞备用。

在每个制备好的采样管中用乳胶管小心加入混合均匀的上覆水，不致扰动沉积物表面。每个采样管中准确加入1L上覆水，并将所有采样管放置在阴凉背光的实验室中。在采样管外用黑布遮蔽；为防止水体蒸发和氨的散逸，在采样管上端加盖但不密封。

分别在0d，107d，129d，149d，184d用塑料注射器吸取50mL上覆水样，测定溶解性磷酸盐和氨态氮。测定方法分别为磷钼蓝比色法和纳氏比色法[7]。

沉积物中总氮（TN），总磷（TP）及有机碳（OC）含量测定取对照柱样分层后进行。分析方法参照文献[7]。

2 结果和讨论

2.1 沉积物营养盐垂直分布曲线

从图2可以明显看出，五里湖沉积物中，TN分布呈明显的上层高，下层低的特点。且在表层（～2cm深度）高于其余所有深度。下层沉积物中TN含量呈现出略有波动的特点。TP的变化没有TN那么明显，随着深度的增加，首先有个含量降低的过程，随后又逐渐增加，到25cm处含量和表层相当，随后再逐渐降低。表层5cm内TN，TP平均含量为1.54mg/g，0.60mg/g，其余各层TN，TP平均含量分别为0.71mg/g，0.48mg/g（标准偏差分别为±0.35，±0.082）。有机碳含量分布类似于TN，表层5cm内平均含量为21.9mg/g，其余各层平均含量为10.4mg/g（标准偏差为±6.2）。因此，该样点的营养状况为上高下低，且差别明显。这与陈荷生[8]等的研究结果一致。

2.2 模拟疏浚条件下上覆水营养盐含量变化

在184天的模拟实验中，上覆水营养盐均呈现出明显的下降趋势（图3），说明在模拟实验条件下，五里湖沉积物表现出强烈的吸附性，是营养盐的“汇”，而非“源”。除了对照柱样外，凡是疏浚过的柱样，在第一次取样（t=107d）后，上覆水就明显下降到一个较低的营养盐水平上。由于实验工作的限制，第一次取样时间距离采样时间过长，因此未能观察到更详细的营养盐水平变化。但我们还是发现溶解性磷酸盐含量的变化要较氨态氮来得慢，特别是对照样。而且疏浚深度为5cm，10cm，或者更深时，其上覆水营养盐含量变化趋势基本一致。可以认为更深的疏浚对上覆水的静态负荷变化没有更大贡献，但疏浚与否则明显改变了这种静态负荷。

对于溶解性磷酸盐而言，较深的疏浚深度有利于上覆水保持在一个更低的水平上，但对20cm或者更深的疏浚深度则没有观察到明显差异；对于氨态氮来说，则任何疏浚深度都没有明显不同，甚至疏浚与否对氨态氮的静态负荷关系也不大。

比较沉积物的营养盐含量垂直分布关系，说明对实验样点而言，在去除了表层营养水平较高的沉积物后，沉积物对上覆水的负荷有明显的降低。由于沉积物柱样除表层外，下层营养水平的一致性可能是疏浚深度对上覆水静态负荷没有更好改善的原因。因此，从最经济的角度说，只去除上层沉积物是最佳的。而且对溶解性磷酸盐负荷来说，进行适当疏浚可以大大提高沉积物对营养盐的吸附能力。

未疏浚柱样的上覆水在184天的模拟实验中，溶解性磷酸盐和氨态氮的浓度下降了61.7%和94.9%，而疏浚柱样平均下降了93.5%±2.5%和99.0%±1.2%，溶解性磷酸盐的疏浚效果更明显。

3 结论

东五里湖沉积物呈现出较强的营养盐吸附特性。当疏浚深度为5cm时，就能明显增强这种吸附能力，但是更深的疏浚不能取得更好的改善上覆水体静态负荷的效果。疏浚能明显降低上覆水溶解性磷酸盐浓度，改善磷的营养负荷；而对于改善氨态氮的效果则不如溶解性磷酸盐明显。由于沉积特性的不同，实验结果在运用至其他湖泊或者太湖不同沉积类型的其他湖区会有所不同，不能简单的进行类推。

参考文献：

[1]Nobuyoshi，O.et al，Treatment and effective use of dredging sludge，Proceedings of 6th international conference on the conserv.& Manag.of Lakes-Kasumigaura’95 450-454（1995）.

[2]相崎守弘等，霞浦湖水质保护，（日）筑波，霞浦湖学术团（1994）.

[3]Gertrud，K.N.et al，Hypolimnetic withdrawal in two North American lakes with anoxic phosphorus release from the sedimrnt.Water Res.21：923-928（1987）.

[4]Kenney，R..et al，Control of lake phosphorus with aluminum sulfate：dose determination and application techniques.Wat.Resour.Bull.Am.Wat.Res.Ass.18：389-395（1993）.

[5]Lennox，L.J.，Sediment-water exchange in Lake Ennell with particular reference to phosphorus.Water Res.28：1483-1485（1994）.

[6]刘建康主编，东湖生态学研究（一），北京，科学出版社（1995）.

[7]金相灿，屠清瑛主编.湖泊富营养化调查规范.第二版.北京：中国环境科学出版社，1990.

[8]陈荷生，石建华.太湖底泥的生态疏浚工程.水资源保护，1998（3）：11-16.