擾動下底泥粒徑對溶解性有機磷釋放影響的水槽試驗

趙剛　譚萬春　孫士權

摘 要：本實驗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，利用室內循環直流水槽模擬風生流，考察風生流持續擾動下，沉積物的不同粒徑對溶解性有機磷釋放的影響。實驗結果表明：在20cm/s及38cm/s兩種驅動流速條件下，130μm粒徑沉積物試驗組中有機磷釋放速率均大于35μm試驗組。驅動流速的提高使得達到平衡狀態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，驅動流速的提高能夠縮短達到平衡所需的時間。

關鍵詞：水槽；沉積物；粒徑；溶解性有機磷；釋放

有機磷是湖泊營養物質循環和生命過程中的一個重要環節，在湖泊生態中的重要性日趨突出，對有機磷研究亟待加強[1]。發現強風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倍[2，3]。因而水動力作用下，淺水體沉積物有機磷尤其是溶解生物有效性有機磷釋放特征的研究成為焦點。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選擇某淺水湖泊（113°E、28°11′N）沉積物為目標研究對象。依據《湖泊生態系統觀測方法》進行樣品采集處理后帶回實驗室陰干研碎并過篩，之后使用磷酸三丁酯溶液浸泡48h。本實驗考慮不同粒徑對沉積物釋放有機磷的影響，因此實驗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

試驗裝置為循環直流水槽（L×D×H=10000mm×400mm×500mm），并配有循環水泵和聲學多普勒流速儀各1臺。試驗時將處置后的沉積物均勻鋪于水槽底部并找平（厚度為70mm）。實驗水深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，每隔0.5h取樣一次；10-20h內，每隔1h取樣一次；之后每隔6h取樣一次。

1.3 分析方法

上覆水中有機磷濃度：上覆水樣品經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磷濃度。其差值即為間隙水中溶解性有機磷濃度。驅動流流速通過水槽中固定的聲學多普勒流速儀（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磷釋放的綜合特征。兩實驗組有機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為達到平衡狀態時20cm/s、130μm試驗組的有機磷釋放量；[OP]2為38cm/s、130μm試驗組的有機磷釋放量；[OP]3為20cm/s、35μm試驗組的有機磷釋放量；[OP]4為38cm/s、35μm試驗組的有機磷釋放量）。

在35μm試驗組中，流速的提高使得沉積物釋放速率提高，在圖表中表現為“更陡”，然而最終平衡濃度（相差0.01mg/L）基本持平；而在130μm試驗組中，流速提高也使得試驗初始階段的圖表變得“更陡”，即釋放速率提高，并且在試驗后期的平衡階段，較高的流速造成了更高的有機磷平衡濃度（相差0.05mg/L）。可見，控制粒徑時，驅動流速的提高使得達到平衡狀態時的釋放量提高，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。驅動流速提高，使得近底水流的流速提高（驅動流速為20cm/s時，近底流速為7cm/s；驅動流速為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力提高。因而物理吸附的有機磷將在水流的擾動下釋放至上覆水中，更強的剪切力使沉積物顆粒上更多的有機磷釋放。

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

3 結束語

（1）20cm/s驅動水流擾動下，130μm粒徑沉積物試驗組中有機磷釋放速率大于35μm試驗組；130μm粒徑沉積物試驗組中吸附-釋放平衡出現的時間為32h左右，而35μm試驗組是10h。（2）控制粒徑時，驅動流速的提高使得達到平衡狀態時的釋放量提高，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；當控制流速時，較小的粒徑表現出相對更大的釋放量。（3）38cm/s驅動水流擾動下，35μm粒徑沉積物試驗組達到平衡的時間為10h，而130μm試驗組則為5h。可見，流速的提高能夠顯著減少達到平衡所需的時間。

參考文獻

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

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

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

[4]國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法國家水質監測標準（第4版）[M].北京：中國環境科學出版社，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，研究方向：水與廢水處理理論與技術。