梁灘河底泥污染特征及其對上覆水的影響初探

周安興,陸佳蕓,紀芳芳,李 科,方 芳,郭勁松

(重慶大學城市建設與環境工程學院,重慶400045)

底泥是河流營養物質的蓄積庫,是許多河流營養物重要的內源負荷。一定條件下,累積于底泥中的污染物通過與上覆水體間的物理、化學、生物作用交換,可重新進入上覆水中,成為影響河流水質的二次污染源,從而影響河流水質環境。胡雪峰等[1]對上海市郊河流底泥氮磷釋放規律的研究發現,河流底泥普遍含有很高的氮、磷和有機負荷。范成新等[2]的研究表明,通過底泥釋放進入駱馬湖的氮磷占全湖入湖氮磷總量的7.06%和1.21%。李高金等[3]研究南四湖中環境因素對磷釋放的影響時發現,隨著湖水p H值和溫度的升高,沉積物內源磷的釋放量增加。譚鎮等[4]對惠州西湖底泥的氮磷釋放特征進行了初步研究,發現污染嚴重湖泊的底泥負荷大。底泥作為河流營養物質的內源,其污染狀況對河流的富營養化程度有重要的影響,即在外源營養物輸入減少或停止等條件下,底泥的營養鹽釋放可能成為影響河流水質的主要因素,所以了解底泥污染特征對河流的治理與修復有著重要的意義。

梁灘河是嘉陵江下游右岸的1條主要支流,是重慶市1條重要的城市次級河流,也是三峽水庫庫尾流域面積最大的1條次級河流。由于長期受到城鎮居民生活、工業、農業養殖等廢水及固體廢棄物排放影響,河水發黑發臭,梁灘河河床淤泥沉積。近年來,隨著流域內人口增加,工業迅猛發展,梁灘河流域的生態環境遭到較大損害,僅2009年梁灘河九龍坡區段排放CODCr就達3 227 t,TP 125 t,分別超過最大允許排放量的5倍和20倍[5],嚴重影響到了流域內居民的身體健康及工農業的正常發展。目前對梁灘河的關注主要集中在外源污染對水質的影響,而對梁灘河底泥的研究還不多見。通過對梁灘河底泥中總有機質,TN,TP,含水率以及其間隙水、上覆水的CODCr,TP,TN的測定,了解梁灘河底泥污染特征,初步探討底泥對上覆水的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區域與采樣斷面布置

通過對梁灘河流域的水文狀況和流域內的人口、產業分布情況初步調查,確定3個采樣斷面,分別位于梁灘河右支的天賜溫泉(北緯29°30′55.09″,東經106° 21′58.88″),童善橋(北緯29°33′01.00″,東經106°22′21.11″),土主鎮(29°37′55.64″,東經106°22′13.07″)。2010年8月利用采樣裝置在梁灘河采集0～10 cm表層底泥,每個采樣斷面均經多點采樣混合。所采底泥帶回實驗室,測定含水率,取一部分用于離心(4 000 r/ min,30 min)分離間隙水,另一部分在陰涼通風處自然風干,干燥碾碎后分別過100目篩,裝入塑料袋中密封待測。測定底泥樣品的有機質,TN,TP。

現場測定上覆水溫度,p H值,溶解氧,所取水樣加硫酸至p H<2后,在4℃條件下保存,并于24 h內測定CODCr,TN,TP。

1.2 分析方法

1.2.1 底泥

底泥有機質總量采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化—比色法測定;底泥 TN的測定采用開氏消煮—常量蒸餾—納氏試劑光度法;TP的測定經濃硫酸-高氯酸高溫消解,采用鉬銻抗比色法測定[6];底泥含水率用重量法測定。

1.2.2 水樣

采用離心分離法制備間隙水,在室溫條件下用離心機對底泥離心分離(4 000 r/min,30 min),所得上清液置于玻璃瓶內在4°C冰箱里冷藏。

p H值,溫度,溶解氧均采用電極法測定。CODCr,TN和 TP的分析方法依照相關文獻[7],分別采用重鉻酸鉀法、過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法測定。

2 結果與分析

底泥及其間隙水、上覆水理化指標的測定結果如表1所示。

表1 梁灘河底泥、間隙水及上覆水理化指標值

2.1 含水率

含水率的大小反映了底泥的疏松情況,直接影響底泥的再懸浮程度,而底泥的再懸浮過程是營養鹽在底泥與上覆水之間重新分配的重要途徑[8]。由表1可知,天賜溫泉、童善橋、土主鎮斷面底泥含水率分別為47.22%,46.41%和38.42%,其中天賜溫泉、童善橋底泥含水率接近50%,表明其泥質疏松,具有較大的不穩定性,易在較大風力、水動力或人為擾動下發生再懸浮,而擾動又可以導致底泥的含水率增加[9]。相對天、童兩斷面,土主鎮的含水率較低,表明此處人為干擾較少,底泥受擾動少而相對穩定。一般在較低含水率下,底泥中有機質不易在上覆水間重新進行分配,這在一定程度下減少水體的營養鹽含量[10]。

2.2 有機物和CODCr

底泥所含的有機質,一般是城市污水帶入有機質和淡水水生生物死亡殘骸長期積累的結果[4]。有機質是生物生命活動所需能量的來源,其含量是反映沉積物營養水平的重要指標之一[11]。各采樣斷面有機質含量分布見圖1。

由圖1可知,梁灘河各采樣斷面底泥的有機質質量分數為11.72～32.50 mg/g,平均質量分數為21.66 mg/g。根據易文利等[11]對長江中下游淺水湖沉積物中有機質的分類,有機質質量分數為9.80～30.50 g/kg,屬于污染相對較輕的底泥,以之為參照梁灘河底泥屬于污染相對較輕的沉積物。3個取樣斷面中天賜溫泉斷面底泥有機質含量最低,童善橋最高,這可能是因為天賜溫泉采樣斷面位于旅游景區內,與周圍較弱的人為擾動作用有關;并且該處水流流速較大,水流作用也會帶走部分底泥,使該區域底泥中有機質含量較低。童善橋斷面上游工廠密集,水流流速較緩,水中有機質易在此沉積,因此該區域底泥有機質含量最高。土主斷面沿岸居民區和工業區混雜,周邊正在修建大型物流中心,大量廢水的排放和較強的人為擾動,使得底泥有機質含量也相對較高。

圖1 各采樣斷面有機質含量分布

底泥間隙水是底泥與其上覆水體之間進行物質交換的重要介質[12],各采樣斷面的上覆水及間隙水中CODCr含量如圖2所示。

圖2 各采樣斷面CODCr含量分布

由圖2可知,上覆水和間隙水CODCr質量濃度均遠超過40 mg/L,根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002),顯示梁灘河水體屬于劣V類水體,梁灘河上游右支已受到嚴重污染。比較間隙水與上覆水的CODCr含量,可以發現天賜溫泉、土主鎮采樣斷面的間隙水CODCr含量大于上覆水CODCr,即在底泥間隙水和上覆水間存在一定的濃度差,顯示底泥中有機質具有向上覆水釋放的趨勢,即在該兩處采樣斷面,底泥有機質表現為梁灘河水體的“源”。童善橋采樣斷面間隙水的 CODCr小于上覆水CODCr,指示底泥有機質在此斷面內主要表現為“匯”的作用。

2.3 全磷

如表1所示,底泥 TP質量分數為0.60 mg/g～0.87 mg/g,平均質量分數為0.70 mg/g。其中童善橋采樣斷面的 TP質量分數為0.87 mg/g,其余兩處斷面質量分數分別為0.60 mg/g,0.62 mg/g。這可能是因為童善橋上游工廠較為密集,有多處污水排放口,隨著時間的延續水體中 TP在該區域不斷積累,造成了該處的營養鹽質量分數比其他各處高。比較各采樣斷面及各主要湖泊底泥TP含量見圖3。

圖3 采樣斷面及各主要湖泊底泥TP含量比較

由圖3可知,與國內其它城市(郊)湖泊(巢湖0.52 mg/g、玄武湖1.58 mg/g、杭州西湖1.22 mg/g、太湖1.21 mg/g、武漢東湖1.50 mg/g、黑龍江鏡泊湖1.25 mg/g[13]、洱海1.24 mg/g[14])相比,梁灘河底泥TP含量屬輕度內源負荷。

圖4為各采樣斷面上覆水及間隙水中 TP含量分布圖。

圖4 采樣斷面上覆水、間隙水的TP含量分布

由圖4可知,上覆水、間隙水的TP質量濃度均大于0.4 mg/L,根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002),梁灘河水體屬于劣V類水體,梁灘河水體磷負荷已經十分嚴重。已有研究表明[15],沉積物—水系統中,水和沉積物之間污染物交換的動力主要來自上覆水和沉積物間隙水之間的濃度梯度。3個采樣斷面上覆水及間隙水的 TP含量變化規律相同,間隙水的含量均低于上覆水,上覆水 TP質量分數較高,意味著上覆水中的營養鹽有向底泥間隙水遷移的趨勢。且由表1可知,底泥與上覆水、間隙水中的TP呈正相關趨勢,表明底泥的磷與上覆水中的磷存在一定的“源匯”關系。

2.4 全氮

如表1所示,底泥TN質量分數為4.66～8.17 mg/g,平均質量分數為6.26 mg/g,各采樣斷面的氮污染情況不同。圖5為采樣斷面及各湖泊底泥TN分布圖。

圖5 采樣斷面及各湖泊底泥TN含量分布

由圖5可知,梁灘河底泥TN高于晉陽湖(2.81 mg/g)[16],惠州西湖(2.62 mg/g)[17]和南四湖(0.77 mg/g)[18],表明梁灘河底泥的氮污染較嚴重,氮含量高是梁灘河底泥的特征之一。

圖6為各采樣斷面的上覆水及間隙水中TN含量分布圖。

圖6 采樣斷面間隙水及上覆水TN含量分布

由圖6所示,底泥間隙水及上覆水 TN的質量濃度均遠大于2mg/L,根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002),梁灘河水體屬于劣V類水體,水體氮污染十分嚴重。不同采樣斷面上覆水TN含量變化不大,但間隙水的 TN波動較大,童善橋間隙水TN是上覆水的2倍,而另2個采樣斷面間隙水TN小于上覆水 TN。已有研究表明[19],上覆水體的氮營養鹽水平可對底泥中氮營養鹽的釋放速率和釋放量產生影響,氮營養鹽質量濃度低的上覆水體有利于底泥中氮特別是氨氮的釋放,相反,則不利于氨氮的釋放。據此推測,天賜溫泉和土主鎮2個采樣斷面間隙水的TN均小于上覆水 TN,此時盡管上覆水的氮質量濃度已較高,但上覆水和底泥間隙水的濃度梯度仍可導致上覆水中的氮在擴散作用下進入已嚴重污染的底泥。而童善橋采樣斷面的底泥則表現為水體氮營養鹽的內源。

4 結論

(1)梁灘河有機質質量分數為11.72～32.50 mg/g,平均質量分數為21.66 mg/g。梁灘河底泥TP質量分數為0.60～0.87 mg/g,平均質量分數為0.70 mg/g;梁灘河底泥TN質量分數為4.66～8.17 mg/g,平均質量分數為6.26 mg/g。梁灘河底泥有機質與TP屬于輕度污染,氮污染較為嚴重。

(2)將梁灘河間隙水污染物質量濃度與上覆水污染物質量濃度進行比較,發現間隙水污染物的質量濃度有高于上覆水污染物質量濃度,也有低于上覆水污染物質量濃度;同時還有一定相關性趨勢。據此推斷,底泥與上覆水之間存在著復雜的源匯關系。

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