擾動下底泥粒徑對溶解性有機(jī)磷釋放影響的水槽試驗(yàn)

趙剛　譚萬春　孫士權(quán)

摘 要：本實(shí)驗(yàn)主要研究了兩種沉積物粒徑（35μm和130μm）對沉積物中溶解性有機(jī)磷釋放的影響。選取了某淺水湖泊沉積物為研究對象，利用室內(nèi)循環(huán)直流水槽模擬風(fēng)生流，考察風(fēng)生流持續(xù)擾動下，沉積物的不同粒徑對溶解性有機(jī)磷釋放的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在20cm/s及38cm/s兩種驅(qū)動流速條件下，130μm粒徑沉積物試驗(yàn)組中有機(jī)磷釋放速率均大于35μm試驗(yàn)組。驅(qū)動流速的提高使得達(dá)到平衡狀態(tài)時的釋放量略有提高，且對于較大的粒徑，流速的提高更有利于平衡釋放量的提高；此外，驅(qū)動流速的提高能夠縮短達(dá)到平衡所需的時間。

關(guān)鍵詞：水槽；沉積物；粒徑；溶解性有機(jī)磷；釋放

有機(jī)磷是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和生命過程中的一個重要環(huán)節(jié)，在湖泊生態(tài)中的重要性日趨突出，對有機(jī)磷研究亟待加強(qiáng)[1]。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)作用可大大增加淺水湖泊沉積物再懸浮量，使上覆水總磷濃度增加數(shù)倍[2，3]。因而水動力作用下，淺水體沉積物有機(jī)磷尤其是溶解生物有效性有機(jī)磷釋放特征的研究成為焦點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇某淺水湖泊（113°E、28°11′N）沉積物為目標(biāo)研究對象。依據(jù)《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法》進(jìn)行樣品采集處理后帶回實(shí)驗(yàn)室陰干研碎并過篩，之后使用磷酸三丁酯溶液浸泡48h。本實(shí)驗(yàn)考慮不同粒徑對沉積物釋放有機(jī)磷的影響，因此實(shí)驗(yàn)用沉積物將篩分為沉積物I（粒徑為130μm）與沉積物I（粒徑為35μm）。依照《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》，兩種沉積物分別為粉沙（粒徑范圍4-62μm）及沙粒（粒徑范圍62-2000μm）。

1.2 裝置和方法

試驗(yàn)裝置為循環(huán)直流水槽（L×D×H=10000mm×400mm×500mm），并配有循環(huán)水泵和聲學(xué)多普勒流速儀各1臺。試驗(yàn)時將處置后的沉積物均勻鋪于水槽底部并找平（厚度為70mm）。實(shí)驗(yàn)水深120mm，對距沉積物面0mm（泥水交界面）及60mm（中層水體）斷面處采集水樣，并記時為0時刻。取樣間隔為：0-10h內(nèi)，每隔0.5h取樣一次；10-20h內(nèi)，每隔1h取樣一次；之后每隔6h取樣一次。

1.3 分析方法

上覆水中有機(jī)磷濃度：上覆水樣品經(jīng)45μm濾膜過濾后，采集過濾液，參照鉬銻抗分光光度法[4]測定溶解性總磷及無機(jī)磷濃度。其差值即為間隙水中溶解性有機(jī)磷濃度。驅(qū)動流流速通過水槽中固定的聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）流速儀檢測。

2 分析與討論

圖1描述了20cm/s和38cm/s兩種頂蓋驅(qū)動流流速條件及35μm和130μm兩種沉積物粒徑條件下沉積物中溶解性有機(jī)磷釋放的綜合特征。兩實(shí)驗(yàn)組有機(jī)磷釋放量由平衡濃度表征，則[OP]1=0.44mg/L，[OP]2=0.49mg/L [OP]3=0.29mg/L，[OP]4=0.30mg/L（[OP]1為達(dá)到平衡狀態(tài)時20cm/s、130μm試驗(yàn)組的有機(jī)磷釋放量；[OP]2為38cm/s、130μm試驗(yàn)組的有機(jī)磷釋放量；[OP]3為20cm/s、35μm試驗(yàn)組的有機(jī)磷釋放量；[OP]4為38cm/s、35μm試驗(yàn)組的有機(jī)磷釋放量）。

在35μm試驗(yàn)組中，流速的提高使得沉積物釋放速率提高，在圖表中表現(xiàn)為“更陡”，然而最終平衡濃度（相差0.01mg/L）基本持平；而在130μm試驗(yàn)組中，流速提高也使得試驗(yàn)初始階段的圖表變得“更陡”，即釋放速率提高，并且在試驗(yàn)后期的平衡階段，較高的流速造成了更高的有機(jī)磷平衡濃度（相差0.05mg/L）。可見，控制粒徑時，驅(qū)動流速的提高使得達(dá)到平衡狀態(tài)時的釋放量提高，且對于較大的粒徑，流速的提高更有利于平衡釋放量的提高。驅(qū)動流速提高，使得近底水流的流速提高（驅(qū)動流速為20cm/s時，近底流速為7cm/s；驅(qū)動流速為38cm/s時，近底流速為14cm/s），從而使得近底水流作用在沉積物表面的粘性切應(yīng)力提高。因而物理吸附的有機(jī)磷將在水流的擾動下釋放至上覆水中，更強(qiáng)的剪切力使沉積物顆粒上更多的有機(jī)磷釋放。

達(dá)到平衡所需的時間為：20cm/s驅(qū)動流速下，130μm試驗(yàn)組為32h左右，35μm試驗(yàn)組為10h左右；38cm/s驅(qū)動流速下，130μm試驗(yàn)組為10h左右，35μm試驗(yàn)組為5h左右；由此可見，當(dāng)驅(qū)動流速一定時，較小的粒徑能夠更快地達(dá)到平衡；而當(dāng)粒徑一定時，驅(qū)動流速地提高能夠縮短達(dá)到平衡的時間。

3 結(jié)束語

（1）20cm/s驅(qū)動水流擾動下，130μm粒徑沉積物試驗(yàn)組中有機(jī)磷釋放速率大于35μm試驗(yàn)組；130μm粒徑沉積物試驗(yàn)組中吸附-釋放平衡出現(xiàn)的時間為32h左右，而35μm試驗(yàn)組是10h。（2）控制粒徑時，驅(qū)動流速的提高使得達(dá)到平衡狀態(tài)時的釋放量提高，且對于較小的粒徑，流速的提高更有利于平衡釋放量的提高；當(dāng)控制流速時，較小的粒徑表現(xiàn)出相對更大的釋放量。（3）38cm/s驅(qū)動水流擾動下，35μm粒徑沉積物試驗(yàn)組達(dá)到平衡的時間為10h，而130μm試驗(yàn)組則為5h?？梢?，流速的提高能夠顯著減少達(dá)到平衡所需的時間。

參考文獻(xiàn)

[1]吳豐昌，金相燦，張潤宇，等.論有機(jī)氮磷在湖泊水環(huán)境中的作用和重要性[J].湖泊科學(xué)，2010，22（1）：1-7.

[2]楊逢樂，吳文衛(wèi)，陳建中，等.滇池沉積物中磷的釋放行為研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（11）：48-52.

[3]尹大強(qiáng)，譚秋榮.環(huán)境因子對五里湖沉積物磷釋放的影響[J].湖泊科學(xué)，1994，6（3）：240-245.

[4]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法國家水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)（第4版）[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

作者簡介：趙剛（1990-），男，漢族，河北人，在讀碩士研究生，長沙理工大學(xué)，研究方向：水與廢水處理理論與技術(shù)。