湖泊疏浚對沉積物-水界面溶解氧的環(huán)境效應(yīng)

景連東，李 暉

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

湖泊疏浚對沉積物-水界面溶解氧的環(huán)境效應(yīng)

景連東，李 暉

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

水體溶解氧含量是水環(huán)境質(zhì)量的重要參數(shù).本研究將室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和疏浚工程相結(jié)合，探討了疏浚對沉積物-水界面耗氧能力、微剖面溶解氧分布的環(huán)境效應(yīng).研究結(jié)果顯示，疏浚具有降低溶解氧消耗能力的潛在長期效應(yīng)，但是由于還原性物質(zhì)的暴露，疏浚后新生表層沉積物短期耗氧能力很強(qiáng)；疏浚沒有改變到氧氣在沉積物-水界面中的傳質(zhì)深度.結(jié)果暗示疏?？赡茱@著提高重度富營養(yǎng)化湖泊夏季溶解氧含量.

疏浚；溶解氧；沉積物-水界面

水體溶解氧的含量是衡量水環(huán)境質(zhì)量的重要參數(shù)，也可以指示人類活動對沉積物及水體的影響[1].沉積物-水界面是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要界面，眾多物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程發(fā)生在該界面.該界面上的溶解氧會強(qiáng)烈地影響到湖泊中的地化循環(huán)過程.溶解氧可以介入鐵、磷的耦合循環(huán)控制沉積物中磷的釋放[2]；溶解氧含量較高時(shí)水體中的氨氮較低[3]；湖泊反硝化進(jìn)程會受到界面溶解氧的抑制[4].

沉積物疏浚是一項(xiàng)重要的湖泊內(nèi)源治理技術(shù).沉積物疏浚對溶解氧的影響是疏浚的其他生態(tài)環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生的基礎(chǔ).沉積物是湖泊溶解氧消耗的重要場所，其耗氧速率是評判湖泊耗氧能力的重要參數(shù)[5].湖泊沉積物是水體中物質(zhì)的源和匯[6]，也是微生物、底棲動物等生物的聚居地.湖泊疏浚去除了含有大量好氧污染物和生物的表層沉積物，但是也暴露出了含有大量還原物質(zhì)的深層沉積物.這些還原物質(zhì)可能消耗大量湖泊中的溶解氧.疏浚后新生表層沉積物耗氧能力有待開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究.

沉積物中的微生物、孔隙率等環(huán)境條件都可能影響到溶解氧在沉積物－水界面的傳質(zhì).由于疏浚強(qiáng)烈的改變了這些環(huán)境條件，溶解氧在沉積物－水界面的垂向分布也可能產(chǎn)生變化.研究疏浚對溶解氧在沉積物-水界面的垂向微觀分布，有助于研究疏浚所產(chǎn)生環(huán)境效應(yīng)的微觀機(jī)理.但是普通的監(jiān)測方法，破壞了沉積物-水界面，并且無法獲得溶解氧在微觀尺度的準(zhǔn)確含量.微電極技術(shù)解決了這一問題.微電極[7-8]可以測量環(huán)境參數(shù)在微尺度(微米級)空間上的數(shù)值，具有測量空間精度高、數(shù)據(jù)精度高、測定點(diǎn)無損等優(yōu)點(diǎn).

本研究將室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和疏浚工程相結(jié)合，利用微電極技術(shù)和自制好氧動力學(xué)設(shè)備研究:1)疏浚對湖泊沉積物耗氧能力的影響及影響的時(shí)間尺度；2)疏浚對溶解氧在沉積物－水界面微空間尺度的垂向分布的影響.并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以溶解氧的變化為導(dǎo)向，探討了疏浚工程實(shí)施中應(yīng)該注意的問題.

1 材料和方法

1.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品采集

東錢湖位于位于浙江省寧波市鄞州區(qū)東南部(E 120°42′，N 29°49′).為了減輕內(nèi)源污染，減緩富營養(yǎng)化進(jìn)程，2009年7月至2013年1月對東錢湖實(shí)施了生態(tài)疏浚.疏浚范圍涉及332萬m2，疏?？偭繛?88.2萬m3，疏浚深度30-80cm.

同期于東錢湖UDR采集10 L湖水，由便攜式冰箱帶回實(shí)驗(yàn)室.實(shí)驗(yàn)前在25℃對湖水曝氣至溶解氧100%飽和.

1.2 沉積物耗氧動力學(xué)研究

為研究疏浚后表層沉積物好氧潛力，表層沉積物再懸浮、疏浚淤泥泄露等情況對湖泊水體溶解氧的環(huán)境效應(yīng).采用自制的耗氧能力測定裝置(圖1)測定上述三個(gè)區(qū)域表層沉積物的耗氧能力.

測定中將反應(yīng)瓶裝滿曝氣后的湖水，按10 g/L (干重/體積)加入新鮮沉積物，開始攪拌并測定開始實(shí)驗(yàn)后70 min內(nèi)溶解氧飽和度衰減情況.測定過程中前5 min每0.5 min讀取一次溶解氧含量，5～10 min每1 min讀取一次溶解氧含量，10～20 min每2.5 min讀取一次溶解氧含量，20～30 min每5 min讀取一次溶解氧含量，30～70 min每10 min讀取一次溶解氧含量.測定溫度為25℃.磁力攪拌器采用相同的功率.實(shí)驗(yàn)測定不加沉積物的空白實(shí)驗(yàn).測定實(shí)驗(yàn)初始原水和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)懸濁液中Eh和pH值.

由于FDR組在第13 min時(shí)溶解氧已經(jīng)消耗完全，因此選用各組前13 min溶解氧量變化進(jìn)行一級動力學(xué)模型擬合.并計(jì)算各組溶解氧半衰期(t1/2)和初始氧耗速率(r0).實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次，結(jié)果取平均值.

圖1 耗氧能力測定裝置示意圖Fig.1 Diagram of equipment for oxygen depletion analysis

1.3 沉積物—水界面溶解氧微剖面分布特征

為了研究疏浚對沉積物-水界面剖面分布特征及氧氣傳質(zhì)深度的影響，探討其可能原因.利用微電極分析儀(丹麥Unisense)，研究沉積物—水界面溶解氧微剖面分布特征.

利用UDR和PDR新鮮沉積物和湖水，構(gòu)建兩個(gè)區(qū)域的微生物抑制和不抑制微宇宙系統(tǒng).共構(gòu)建沉積物-水界面燒杯微宇宙系統(tǒng)共4組，各組兩個(gè)平行.于25℃培養(yǎng)10 d后利用微電極系統(tǒng)分析沉積物—水界面溶解氧的垂直剖面的分布.設(shè)定微電極系統(tǒng)電極穿刺步距為500 μm，主機(jī)響應(yīng)時(shí)間為3 s.

2 結(jié)果及討論

2.1 沉積物耗氧動力學(xué)

扦插繁殖效果的評價(jià)指標(biāo)主要包括生根率、移栽成活率和苗期質(zhì)量。針葉樹種進(jìn)行扦插時(shí)，其繁殖速度、質(zhì)量是多種因素綜合作用的結(jié)果，既有扦插的來源和性狀、扦插的時(shí)間等內(nèi)部因素，也有激素的處理方法、采取何種扦插方式等外部因素[7]。另外，樹的種類不同對各種影響因素的反應(yīng)也存在差異，影響因素的主次之分也不同，因此在對不同樹種進(jìn)行扦插繁殖時(shí)，要采取綜合性的措施。早期有研究發(fā)現(xiàn)對青海云杉、油松、園柏、龍柏、爬地柏進(jìn)行扦插繁殖研究，成活率分別達(dá)24.5%～31.7%、21.6%、91.6%、77.5%、93%。

各區(qū)域沉積物耗氧衰減情況見圖2，動力學(xué)參數(shù)見表1.由圖可知，空白組中溶解氧變化可忽略，說明自制設(shè)備可靠.各實(shí)驗(yàn)組在初期溶解氧均顯著下降，尤其是在FDR實(shí)驗(yàn)組中.FDR、UDR、PDR實(shí)驗(yàn)組溶解氧初期下降速率分別為47.84%/min、4.27%/min、0.95%/min，半衰期分別為1.45 min、16.2 min、72.9 min.FDR組到第13 min時(shí)已經(jīng)無法檢測到溶解氧.而UDR和PDR實(shí)驗(yàn)組在13 min后下降速率均明顯降低.這些結(jié)果顯示，F(xiàn)DR沉積物短期耗氧能力高出UDR一個(gè)數(shù)量級，而PDR沉積物短期耗氧能力低于UDR一個(gè)數(shù)量級.

圖2 不同區(qū)域沉積物耗氧曲線Fig.2 Consumption curves of oxygen for sediments from different regions

表1 不同區(qū)域沉積物一級耗氧動力學(xué)(前13 min)Table 1 The first orderkinetics of oxygen consumption for sediments from different regions

沉積物對氧氣的消耗包含3個(gè)方面[11]:有機(jī)物的需氧分解；生物的好氧呼吸作用；還原性物質(zhì)的氧化，例如NH4＋，Mn2＋，F(xiàn)e2＋，H2S，F(xiàn)eS和FeS2.由于前兩方面跨越的時(shí)間尺度較大，因此本實(shí)驗(yàn)中氧氣的消耗主要是還原性物質(zhì)氧化耗氧.

湖泊深層沉積物常年處于還原性環(huán)境，含有大量的還原性物質(zhì).湖泊沉積物深處含有的FeS2和FeS一般高于表層含量[12]；較深層的沉積物中儲存有相對較高含量的氨氮[13-14].表2顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)束后不同區(qū)域沉積物-水懸濁液pH及Eh變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，懸濁液pH和Eh與原水相比均有不同程度的下降.在UDR、PDR、FDR中Eh分別下降23.8%，27.4%，75.7%；pH分別下降6.7%，10%，9.6%.東錢湖沉積物pH值較水體低，而且沉積物一般含有大量還原性物質(zhì)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)束后懸濁液pH值和Eh均下降.在FDR中，Eh下降更為劇烈，這充分說明在FDR表層沉積物中含有大量的還原性物質(zhì).分析沉積物中氨氮含量表明，F(xiàn)DR沉積物中含有氨氮0.1 mg/g，明顯高出UDR和PDR區(qū)域(圖3).經(jīng)過計(jì)算，如果將FDR實(shí)驗(yàn)組中所有氨氮氧化為硝氮，一共需要消耗掉體系中47.6%的氧氣.沉積物中還原性硫化物在氧化的過程中會釋放出大量的H＋[10].而FDR實(shí)驗(yàn)組pH下降相對于另兩組實(shí)驗(yàn)并不大，這說明FDR組中還存在大量的還原性物質(zhì)未被氧化.這說明FDR沉積物的耗氧能力很強(qiáng).綜上所述，疏浚去除了表層沉積物暴露出深層沉積物，因此在新生表層沉積物中含有大量的還原性物質(zhì)，F(xiàn)DR沉積物耗氧能力明顯高出UDR.

然而暴露出的還原性物質(zhì)會逐步被氧化.疏浚移除了表層沉積物中含有的大量好氧物質(zhì)和聚居的生物.因此在疏浚結(jié)束很久后，表層沉積物中的還原性物質(zhì)含量會較低，而且其再生能力因?yàn)楸韺映练e物的去除也較弱.因此，PDR沉積物的耗氧能力低于UDR.

表2 耗氧動力學(xué)研究前后沉積物-水懸濁液pH及EhTable 2 pH and Eh in initial water and sediment-water suspension before and after experiment

圖3 各區(qū)域沉積物中氨氮含量Fig.3 Ammonia content in sediment from different regions

2.2 沉積物—水界面溶解氧微剖面分布特征

PDR和UDR沉積物-水界面溶解氧微剖面分布見圖4.由圖可知，在PDR上覆水中的溶解氧含量明顯高于UDR.溶解氧在沉積物中的傳質(zhì)深度并不深，僅7.5 mm左右，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果是類似的[1，15].表層沉積物中的微生物是消耗溶解氧的重要主體.在抑制微生物活性的沉積物-水系統(tǒng)中，其上覆水中溶解氧含量以及在沉積物中傳質(zhì)的深度均高于同區(qū)域沉積物-水系統(tǒng).溶解氧在PDR和UDR微生物抑制和未抑制的系統(tǒng)中傳質(zhì)深度均無明顯差異.

圖4 疏浚區(qū)和非疏浚區(qū)沉積物-水界面溶解氧微剖面分布Fig.4 Dissolved oxygen microprofiles at dredged and undredged sediment-water interfaces

某種物質(zhì)在相界面的傳質(zhì)過程除了受物質(zhì)本身性質(zhì)作用，還受界面性質(zhì)的影響.部分微生物的代謝活動會消耗溶解氧，因此溶解氧在沉積物中傳質(zhì)過程必然受微生物作用影響；還會受到沉積物孔隙率的影響，根據(jù)Fick定律，較高的孔隙率將有利于溶解氧在沉積物中的擴(kuò)散；溶解氧傳質(zhì)深度也會受到上覆水中溶解氧濃度的影響，上覆水中溶解氧濃度越高越有利于溶解氧擴(kuò)散進(jìn)入沉積物.與許多其他研究類似[16-17]，PDR沉積物孔隙率73%左右，顯著低于UDR沉積物孔隙率92%(p＜0.05)，因此溶解氧在PDR沉積物中不容易擴(kuò)散.但是由于表層污染物和微生物的去除，使得PDR上覆水中溶解氧含量相對UDR較高，且PDR沉積物的耗氧能力也較低.所以綜合上述分析，本研究中疏浚不會導(dǎo)致溶解氧在沉積物中的傳質(zhì)深度明顯的改變.但是Yu等[15]的研究結(jié)果研究結(jié)果顯示疏浚后沉積物傳質(zhì)深度下降.這說明疏浚對沉積物-水界面氧氣的傳質(zhì)作用是其改變界面環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果，不能一概而論.

2.3 對疏浚工程的指導(dǎo)意義

湖泊溶解氧含量受著多種因素的影響.如果耗氧能力激增，那么水體溶解氧含量必然下降.因此在疏浚時(shí)，沉積物的擾動使得大量還原性物質(zhì)進(jìn)入水體并導(dǎo)致溶解氧短期內(nèi)下降.疏浚導(dǎo)致水體溶解氧下降在很多工程實(shí)踐中被觀測到[18].而如果水體耗氧能力下降，水體本身溶解氧水平較高，那么此時(shí)水體溶解氧水平也不會有明顯增高或降低.東錢湖疏浚對水體溶解氧長期效應(yīng)屬于這種情況.東錢湖并不存在嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題，所以東錢湖中的疏浚不會進(jìn)一步顯著提高水體中的溶解氧含量.本研究結(jié)果與Morgan研究類似[19].

在一些重度富營養(yǎng)化湖泊中，在夏季總是存在嚴(yán)重的氧虧損問題.如果在此類湖泊中進(jìn)行沉積物疏浚，長期看來可顯著降低沉積物耗氧能力，并且可能顯著提高夏季水體的溶解氧.但是在短期內(nèi)疏浚會導(dǎo)致還原物質(zhì)的釋放，耗氧能力激增，因此疏浚應(yīng)該避開夏季高溫季節(jié)或者分區(qū)域施工，以免加重該類湖泊缺氧.

3 小結(jié)

1)由于暴露出了深層沉積物中的還原性物質(zhì)，疏浚后表層沉積物短期耗氧能力激增并可能造成水體溶解氧含量下降；

2)疏浚結(jié)束多年后的表層沉積物耗氧能力很弱，疏浚具有降低溶解氧消耗能力的潛在長期效應(yīng).但是在本研究中，疏浚沒有影響到氧氣在沉積物-水界面中的傳質(zhì)深度.

3)疏浚可能顯著提高重度富營養(yǎng)化湖泊夏季溶解氧含量.此類湖泊中的疏浚應(yīng)該避開夏季高溫季節(jié)，以免加重缺氧問題.

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(責(zé)任編輯:李建忠，付強(qiáng)，張陽，羅敏；英文編輯:周序林，鄭玉才)

Environmental effects of lake dredging on dissolved oxygen at sediment-water interface

JING Lian-dong，LI Hui
(School of Chemistry and Environmental Protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

Dissolved oxygen is a crucial parameter of water quality.This paper combined simulated experiments and a dredging project to study the environmental effects of dredging on oxygen consumption by sediment and vertical distribution of oxygen at sediment-water interface.The results showed that dredging had potential long term effectiveness of decreasing oxygen consumption.However，because of reducing substances exposed by dredging，new surface sediments can consume oxygen extensively on short term.Furthermore，the dredging did not change the penetration depth of oxygen.This study suggested that dredging may increase summer dissolved oxygen concentration in hyper-eutrophication lake.

dredging；dissolved oxygen；sediment-water interface

X131.2；X52

A

2095-4271(2016)06-0632-06

10.11920/xnmdzk.2016.06.007

2016-07-21

景連東(1986-)，男，羌族，四川綿陽人，講師，博士.研究方向:水體富營養(yǎng)化及其控制方向的研究.E-mail:schjld＠gmail. com；schjld＠swun.cn

國家自然科學(xué)基金(51609205)