環境因素影響下海灣蓄淡水庫底泥鹽分釋放試驗研究

張效龍，朱鳴鶴，鄭西來

(1. 大連海事大學環境科學與工程學院，遼寧 大連 116026；2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 寧波大學，浙江 寧波 315211；4. 中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266000)

環境因素影響下海灣蓄淡水庫底泥鹽分釋放試驗研究

張效龍1,2，朱鳴鶴3，鄭西來4

(1. 大連海事大學環境科學與工程學院，遼寧 大連 116026；2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 寧波大學，浙江 寧波 315211；4. 中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266000)

在現場調查的基礎上，利用沐官島海灣水庫庫區典型底質（砂質粉砂）的原狀/擾動土樣和地表水（海水和淡水），采用土柱和水槽試驗測定了3.5 m/s風速或上覆水鹽分濃度、pH和溫度作用下底泥鹽分向上覆水體釋放的時－空變化規律，并定量計算出底泥鹽分的釋放通量。試驗結果發現，底泥的鹽分釋放不同程度地受到環境因素的影響。（1）風的作用能促進底泥鹽分釋放。在風的作用下，上覆水中鹽分濃度的分布存在明顯的規律性：表層水體（水土界面之上4 cm水位至水體表面）鹽分濃度均勻分布，底層水體（水土界面至4 cm水位水體）鹽分濃度非均勻分布，且在3 cm水位處鹽分濃度最小。（2）上覆水中鹽分的濃度抑制底泥鹽分的釋放。（3）pH值≤7時，底泥鹽分釋放幾乎不受影響；pH值＞7時，底泥鹽分釋放略有增加；（4）一定溫度作用下鹽分濃度在水體中非線性分布，在水-土界面至7.5 cm水位處為高鹽分濃度區，7.5 cm水位至水體水面鹽分濃度含量較低。溫度的升高促進底泥鹽分釋放。

海灣水庫；底泥；鹽分釋放；濃度；風；pH；溫度

隨著沿海經濟的快速發展，水資源日趨匱乏，海灣水庫的興建已成為我國沿海地區解決水資源問題的重要途徑之一。在海灣水庫的建設中，庫底底泥中鹽分的釋放是一個非常值得關注的問題。已有研究證明，底泥鹽分釋放會影響水庫的水質[1,2]。影響底泥鹽分釋放的因素很多，其中備受關注的是環境因素的影響。趙文玉等的研究已證明，自然風和溫度等環境因素對底泥鹽分釋放的影響較為顯著[3]。但對于其它環境因素的影響及影響下底泥鹽分釋放的規律，研究的仍較少，而環境因素對底泥磷釋放影響的研究卻很多[4-9]。盡管底泥磷釋放與鹽分釋放在釋放機理上存在一定差異，但其研究思想和試驗方法可供參考和借鑒。本文擬以沐官道海灣水庫為例，通過現場采集樣品，室內試驗的方法，對風、上覆水鹽分濃度、pH和溫度等環境因素對底泥的鹽分釋放規律進行研究。目的是為該海灣水庫高含鹽底泥鹽分置換研究及海灣水庫水質的評價、預測提供科學依據。

官島海灣水庫是為解決青島市淡水資源缺乏，而即將興建的海灣水庫。該水庫面積約25 km2，平均水深約7.5 m，屬寬淺型水庫。匯入沐官島水庫的河流主要為白馬河、吉利河和橫河。經詳細的地質勘察，該水庫庫區沉積物厚度超過10 m，底泥沉積物類型主要為粉質粘土、砂質粉砂和中細砂（圖1）。沉積物底泥孔隙水中鹽度高達14 ～ 32。

圖1 水庫庫區底部表層底泥類型分布Fig. 1 Distribution of surface sediment at the reservoir bottom

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

（1）風影響試驗裝置：為一個大小200 cm × 50 cm × 80 cm的PVC槽（圖2），試驗中以風扇作為風源模擬自然風，模擬風速取沐官島地區的多年平均風速（3.5 m/s）。底部內鋪23.6 cm的底泥。

（2）上覆水鹽分濃度、pH、溫度影響試驗裝置：為一個高 30 cm、直徑 20 cm的有機玻璃圓筒（圖3），圓筒密封蓋上面留一個監測孔，玻璃圓筒底部內鋪 10 cm的沉積物底泥。有機玻璃圓筒外為直徑30 cm、高30 cm的恒溫水浴。此外，還有一個溫度計。

圖2 風影響試驗的裝置Fig. 2 Equipments for the affected test by wind

圖3 濃度、pH及溫度影響試驗的裝置Fig. 3 Equipments for the affected test by concentration, pH and temperature

（3）實驗材料：上覆水采用沐官島水庫主要匯水水源白馬河河水，其鹽分濃度含量為0.292 g·L-1，對底泥鹽度做飽和處理的海水為沐官島海灣水庫附近海域的海水，海水與上覆水成分見表1。試驗土樣選用取自沐官島水庫的典型砂質粉砂(部分試驗還采用了中細砂)，其鹽度與海水一致。

表1 試驗用上覆水（淡水）與海水的主要離子組成(×10-3g·L-1)Tab. 1 Major ions in the freshwater and seawater used in the experiment (×10-3g·L-1)

1.2 試驗方法

1.2.1 鹽分釋放通量的計算 試驗時采用 DDS-11A型電導率儀測定不同水層的電導率，通過鹽分濃度含量－電導率標準曲線（如圖4）確定上覆水體中鹽分濃度含量。將上覆水體各層某試驗時刻的鹽分濃度含量減去其釋放試驗初始時刻的含量求得底泥釋放鹽分濃度含量，再將各分層釋放鹽分濃度含量相加求得底泥的鹽分釋放通量。底泥鹽分釋放通量(flux)計算公式為：

式中：ci為試驗第i層水體中的鹽分濃度 (g·L-1)；vi為計算時刻第i層水體的體積(L)；c0為水體初始時刻的鹽分濃度(g·L-1)；v0為水體總體積 (L)；n為水體的層數；tj為試驗的第 j個時刻 (h)；t0為試驗的初始時刻 (h)；A為水-沉積物接觸面積 (m2)。

圖4 低濃度(a)和高濃度(b)鹽分濃度含量-電導率標準曲線Fig. 4 Relation between salt concentration and electrical conductivity of low (a) and high (b) concentration

1.2.2 風影響試驗 將試驗底泥樣品裝入PVC槽中，厚度為23.6 cm，加入海水飽和，使試驗底泥的容重和孔隙水中的鹽分含量與現場條件一致。然后抽出多余的海水，緩慢加入上覆水，水深為43 cm，加水時間為360 min。然后在試驗裝置的中心斷面，利用DDS-11A型電導儀，采用隨時間先密后疏的方法連續監測水體中0.0 cm，1.0 cm， 2.0 cm，3.0 cm，4.0 cm，5.0 cm，6.0 cm，7.0 cm，8.0 cm，9.0 cm，10.0 cm，12.0 cm，15.0 cm，20.0 cm，30.0 cm和43.0 cm水位處的電導率，試驗時間為480 h。試驗期間，采用風扇作為風源模擬自然風，風源距模擬裝置約100 cm，距水面高約50 cm，模擬風速為3.5 m/s。進行該試驗時室溫保持在15 ± 0.5 ℃。同時，進行沒有模擬風條件下的靜置試驗，用于結果的對比分析。

1.2.3 上覆水鹽分濃度影響試驗 將12組裝置（圖3）中鋪上厚度為10 cm的試驗底泥，加入適量的海水進行飽和，32 h后抽出裝置內多余的海水。同時，利用食鹽和去離子水調配上覆水，使其鹽濃度分別為：0.313 g·L-1， 2.212 g·L-1，3.465 g·L-1，4.324 g·L-1，5.788 g·L-1，6.535 g·L-1，7.621 g·L-1，8.365 g·L-1，9.557 g·L-1，10.453 g·L-1，11.899 g·L-1和13.623 g·L-1。然后將調制好的上覆水分別緩慢注入試驗裝置中，注水深度為20 cm，注水時間為25 min。監測點分別為0.0 cm，1.0 cm，2.0 cm，3.0 cm，4.0 cm，5.0 cm，6.0 cm，7.0 cm，8.0 cm，9.0 cm，10.0 cm，12.0 cm，15.0 cm，20.0 cm，監測方法與風影響試驗相同，試驗時間為480 h。1.2.4 pH及溫度影響試驗 將原狀底泥樣品分別裝入圖3的4組裝置中，厚度為10 cm。采用濃度影響試驗中底泥飽和的方法進行底泥飽和。然后加上覆水，加水及試驗監測方法與鹽濃度影響試驗相同，試驗時間為480 h。

pH 值影響試驗時因擬建沐官島水庫入蓄淡水的pH值為偏堿性，年平均值為7.2。為模擬水體pH值的極端影響，利用不影響水體初始鹽分濃度的Na2CO和H2SO調節水體起始 pH 值，使 pH值分別為5.4，7.2，8.4和11.4。

溫度影響試驗時，根據擬建海灣水庫氣溫特點，選用的試驗溫度分別為5 ℃，15 ℃，25 ℃和35 ℃。

2 試驗結果分析

2.1 風作用下上覆水體中鹽分濃度分布規律

在風的作用下，試驗不同時段，上覆水中鹽分濃度在垂向上的分布如圖5(a)所示。從圖5中可以看出，在試驗的不同時段間，上覆水體中鹽分濃度的分布均存在明顯的差異，且各時段水－土界面之上4.0 cm水位至上覆水體表面水體中鹽分濃度呈均勻分布；而4.0 cm水位至水－土界面間上覆水體中的鹽分濃度則隨離水－土界面距離加大，總體上含量呈快速遞減的分布趨勢，但在3.0 cm至4.0 cm水位鹽分濃度分布隨離水－土界面距離加大稍微遞增。就整個水體中鹽分濃度的分布規律看，3.0 cm水位附近鹽分濃度最低。采用沐官島海灣水庫另一種典型底質類型——中細砂為試驗底泥進行了相同試驗。試驗結果顯示的鹽分濃度在水體中的分布規律與砂質粉砂的相似，且比砂質粉砂試驗的規律更明顯（如圖5(b)）。從圖5中還可以看出，隨著實驗時間的增加，上覆水中鹽分濃度不斷加大，鹽分的分布規律更明顯。

對于鹽分濃度在上覆水中的上述分布規律可作如下解釋：風作用下，在水體表面波動形成風生流。受風生流甚至是對流擴散（乃至湍流擴散）的影響，使上覆水體絕大部分處于完全混合狀態。因對流擴散系數比分子擴散系數高約2 ～3個數量級[10,11]，風作用下產生的擾動使得沉積物釋放鹽分在上覆水體中擴散的速度大大加快，結果導致4.0 cm水位至上覆水體表面間水體中的鹽濃度含量呈均一化分布。而水－土界面附近的水體，受底泥表面摩擦力的影響，風生流的擾動減弱，底泥鹽分釋放以分子擴散為主，擴散速度較慢，因而，在水－土界面至3.0 cm水位之間，上覆水體中鹽分濃度隨離水-土界面距離的加大呈快速遞減趨勢。至于3.0 cm ～ 4.0 cm水位之間上覆水體中鹽分濃度的分布趨勢，作者認為是分子擴散與對流擴散共同作用的結果。

1.4.4 濕度指數(NDMI) 濕度指數NDMI對濕度、含水量信息非常敏感[8,16]，因為短波紅外波段(相當于MODIS的Ref6)受水吸收帶的影響，并且綠波段(相當于MODIS的Ref4波段)對水體反射敏感強，選用MODIS的這兩個波段通過規格化處理的計算公式：

圖5 風影響下鹽分濃度在水體中的分布（(a) 砂質粉砂；(b) 中細砂）Fig. 5 Salt concentration distribution in the water under winds((a) clayey silt; (b) middle-thin sand)

2.2 風對底泥鹽分釋放的影響

利用試驗數據和式(1)得出的試驗不同時刻底泥鹽分的釋放通量變化曲線見圖 6。由圖 6可見，風作用下底泥鹽分釋放通量隨時間增加逐漸減小。將無風作用底泥鹽分釋放通量隨時間的變化結果也繪于圖6，可見其變化規律與風作用下的類似。它們的鹽分釋放通量隨時間變化均呈負的冪指數關系，有風作用和無風作用的關系式分別為y = 2.272 2 x-0.2654, R2= 0.879 3和y = 2.238 18 x-0.5082, R2= 0. 936 7 。由式（1）推算，試驗 5 d時，風作用下底泥鹽分釋放通量為0.644 g·(m2·h)-1，無風作用下底泥鹽分釋放通量為0.545 g·(m2·h)-1；試驗 11 d 時，風作用下底泥鹽分釋放通量為0.523 g·(m2·h)-1，無風作用下底泥鹽分釋放通量為 0.427 g·(m2·h)-1；20 d（試驗結束）時，風作用下底泥鹽分釋放通量為0.447 g·(m2·h)-1，無風作用下底泥鹽分釋放通量為0.355 g·(m2·h)-1。為分析風作用對底泥鹽分釋放通量的影響程度，這里引入影響度的概念，即風作用下底泥鹽分釋放通量與無風作用下底泥鹽分釋放通量的差值占無風作用下底泥鹽分釋放通量的百分數。根據這個概念，試驗5 d，11 d和20 d（試驗結束）時風的影響度分別為18.2%，22.5%和25.9%。由上述分析可見，風的作用促進底泥的鹽分釋放，且影響度隨風時呈增大趨勢。

圖6 有風和無風作用下鹽分釋放通量隨時間變化曲線Fig. 6 Salt release flux of sediment change with time under winds and without winds

2.3 上覆水鹽分濃度對底泥鹽分釋放的影響

圖7為上覆水不同鹽分初始濃度條件下，底泥鹽分釋放的通量試驗結果。由圖7可見，上覆水鹽分的初始濃度低，底泥鹽分釋放通量則大；上覆水鹽分的初始濃度高，底泥鹽分釋放通量則小。上覆水鹽分的初始濃度與底泥的鹽分釋放通量間為反比例線性關系，其數學表達式為y = -0.011 6 x + 0.382 5,R2= 0. 970 4。由上述結論可知，上覆水鹽分的初始濃度阻礙底泥鹽分的釋放。該結論與上覆水磷的初始濃度對底泥磷釋放影響的結論相一致[5,6]。因在靜置條件下，底泥的鹽分釋放和磷釋放均以分子擴散作用為主，其規律符合Fick第一定律。

2.4 pH值對底泥鹽分釋放的影響

上覆水pH值為5.4, 7.2, 8.6和11.4條件下底泥鹽分釋放的試驗數據的分析結果如圖8所示。由圖8可見，pH 值對底泥鹽分釋放的影響不明顯。在酸性水環境中，底泥的鹽分釋放量幾乎不受影響；在堿性水環境中，底泥鹽分釋放略有增加。其原因主要受鹽分的組成控制。庫區底泥釋放的鹽分主要為鈉鹽 (Na+)。此外，還有一定量的鎂鹽 (Mg2+)和鈣鹽 (Ca2+)（見表1）。根據Mg2+和Ca2+的化學特性，在堿性環境中，Mg2+和Ca2+會與水體中多余的HO-結合形成絮凝狀的Mg(HO)2和Ca(HO)2沉淀。這種化學反應過程會促進土體孔隙水中鎂鹽 (Mg2+) 和鈣鹽 (Ca2+) 向水體中擴散，從而使得底泥鹽分釋放在堿性環境中出現增加的現象。但由于鎂鹽 (Mg2+) 和鈣鹽 (Ca2+) 含量在孔隙水中比中性的鈉鹽含量少許多（約為1/10左右）[12]。所以，盡管堿性環境有利于底泥中鎂鹽 (Mg2+) 和鈣鹽 (Ca2+) 的釋放，對底泥鹽分釋放的貢獻并不明顯。

圖7 上覆水中初始濃度與底泥鹽分釋放通量的關系Fig. 7 Relation between start concentration in the water and salt release flux of sediment

2.5 溫度對底泥鹽分釋放的影響

(1)上覆水體中鹽分濃度分布規律

通過對試驗結果的分析，不同溫度條件下底泥釋放鹽分濃度在水體中的分布特征如圖9所示。由圖9可知，不同溫度影響下，底泥釋放鹽分濃度在水體中隨水位呈非線性分布，且這種非線性分布有隨試驗時間的增長線性化變化的趨勢。從圖中還可以看出，底泥釋放鹽分濃度在水體中的分布具有明顯的區段性。高濃度區集中分布在水－土界面(0 cm) 至7.5 cm水位間的水體中，低濃度區集中分布在7.5 cm水位至水體表面 (20 cm) 水體中。從圖9中還可以看出，盡管隨著試驗時間的增加，底泥釋放至水體中的鹽分濃度均增加，但無論試驗的任何時刻，水體中鹽分濃度含量總是與溫度正相關，即5 ℃條件下的濃度＜ 15 ℃條件下的濃度＜ 25 ℃條件下的濃度＜ 35 ℃條件下的濃度。

(2)鹽分釋放通量變化

利用試驗數據和式(1)，可確定不同溫度條件下各試驗時段底泥鹽分釋放的通量。底泥鹽分釋放通量隨時間的變化如圖10所示。由圖10可知，一定溫度下底泥的鹽分釋放通量隨試驗時間的延長而逐漸減小，且在試驗初期減小快，在試驗250 h后趨于穩定。通過回歸分析，一定溫度下底泥鹽分釋放通量隨時間的變化關系屬負的冪指數形式，其統計學關系式見圖10。試驗結束時，5 ℃條件下底泥鹽分釋放通量為 0.211 g·(m2·h)-1；15 ℃條件下底泥鹽分釋放通量為 0.399 g·(m2·h)-1；25 ℃條件下底泥鹽分釋放通量為 0.495 g·(m2·h)-1；35 ℃條件下底泥鹽分的釋放通量為 0.522 g·(m2·h)-1，可見溫度越高底泥鹽釋放通量也越大，溫度的升高促進底泥鹽分釋放。

圖8 不同pH值不同水位處水體鹽濃度隨時間的變化Fig. 8 Salinity changes of different water height with time under different pH values conditions

圖9 一定溫度下5天 (a)、10天 (b) 及20天 (c) 時水體中鹽分濃度分布曲線Fig. 9 Salinity content distribution in waters at 5 days (a), 10 days (b)and 20 days (c) under temperature

通過對試驗數據回歸分析，溫度與鹽分釋放通量間的關系為對數關系，其相關系數為0.9961，數學表達形式如下：

式中：Flux為底泥鹽分釋放通量（g·(m2·h)-1）；T為溫度（℃）；a和b為系數。通過對試驗數據的分析，a和b均不為常數，均為時間的函數，且與時間均呈乘冪函數關系。經過對實驗數據的擬合分析，它們的擬合相關系數分別為0.980 6和0.978 8，它們的擬合方程分別為：

由式（5）可見溫度影響下的底泥鹽分釋放通量不僅與溫度有關，而且也是時間的函數，且與溫度呈正相關，與時間呈負相關。這說明溫度越高，達到平衡狀態所需的時間就越短。

圖10 一定溫度 ((a) 5℃,(b) 15℃,(c) 25℃,(d) 35℃) 條件下底泥鹽分釋放通量隨時間的變化Fig. 10 Salt release flux of sediment change with time under temperature(a) 5℃, (b) 15℃, (c) 25℃, (d) 35℃

3 結 論

(1) 風影響下，底泥鹽分釋放通量隨時間呈負的冪指數關系，且隨著時間的增長風的影響度有增大的趨勢。風的作用促進底泥鹽分釋放。

(2) 上覆水中初始鹽分濃度阻礙底泥鹽分釋放，且濃度越大底泥鹽分釋放通量越小。pH 對底泥鹽分釋放影響很小，僅在堿性環境條件下底泥鹽分釋放略有增加。

(3) 一定溫度影響下，底泥的鹽分釋放通量隨溫度的升高而增加，溫度的升高促進底泥鹽分釋放。通過回歸分析，確定底泥鹽分釋放通量隨溫度呈非線性變化關系，且與溫度正相關，與時間負相關。

(4) 環境因素影響下，鹽分在水體中的時－空分布規律表明，自然狀態下高鹽區集中在水庫底部，因而采用抽取庫底高鹽度水，可有效改善庫水水質。

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Test investigation for salt release from sediments in a polder reservoir under effects of environmental factors

ZHANG Xiao-long1,2, ZHU Ming-he3, ZHENG Xi-lai4

（1. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 3. Ningbo University, Ningbo 315211, China;4. Institute of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China）

Based on the field investigation, the typical sediments (sandy silt) undisturbed/disturbed and the land surface water (seawater and freshwater) are sampled in the Muguandao Reservoir area. The temporal-spatial variations are studied for the effects of wind and temperature on the salt release from the sediments by means of the sediment column and tank tests. And the salt fluxes from sediments are calculated. The results show that the salt release is affected in different extent by different factors. (1) The salt flux is increasing under the wind. Under the effect of wind, from the water surface to the 4cm high water level above the sediments, the distribution of salt concentration is homogeneous,while it is heterogeneous below the 4cm high water level. In addition, at the level of 3cm the salt concentration reaches its lowest point. (2) The release of salt in sediments is resisted by salt concentration of the overlying water. (3) When pH≤7, the release of salt in sediment is almost not affected by the pH value, however, when pH＞7, it increases a little.(4) Salinity distribution is non-linear in the water under the influence of temperature, i.e. high in the layer of 0.0～7.5 cm above the water-sediment boundary, and low in the layer from the water surface to the 7.5 cm above the boundary.The salt flux from the sediments is increasing with the temperature rising.

polder reservoir; sediments; salt release; salt concentration; wind; temperature

P736.4+1

A

1001-6932(2010)02-0135-08

2009-03-11；

2009-08-07

國家自然科學基金資助（40572142）；寧波市自然科學基金項目資助（2006A610080號和2007A61005號）；寧波大學學科科研基金資助（XK200562號和XY0600062號）

張效龍，男，(1975－)，副研究員，河南博愛縣人，大連海事大學在讀博士，主要從事海洋工程環境及海底光纜路由勘察方面的工作和研究。電子郵箱：zhangxiaolong@fio.org.cn或zhangxiaolong2009@huawei.com