海洋沉積物-水界面污染物通量自動(dòng)采樣及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

麻常雷 ，王項(xiàng)南 ，陳江麟 ，徐俊臣

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.國(guó)家海洋局北海計(jì)量中心，山東 青島 266033）

海洋沉積物-水界面污染物通量自動(dòng)采樣及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

麻常雷1，王項(xiàng)南1，陳江麟2，徐俊臣1

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.國(guó)家海洋局北海計(jì)量中心，山東 青島 266033）

研發(fā)的海洋沉積物-水界面污染物通量自動(dòng)采樣及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)原位無(wú)擾動(dòng)采樣，能夠更加真實(shí)地獲取沉積物-水界面處水樣，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析計(jì)算進(jìn)一步得到該界面處的污染通量。系統(tǒng)樣機(jī)海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成功完成，充分驗(yàn)證了該課題實(shí)施方案的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了沉積物-水界面處重金屬通量及營(yíng)養(yǎng)要素通量的有效監(jiān)測(cè)，真實(shí)地量化了污染物的遷移規(guī)律。

沉積物-海水界面；污染通量；自動(dòng)采樣；監(jiān)測(cè)；試驗(yàn)

隨著人類(lèi)活動(dòng)在沿海地區(qū)的日益密集，海洋生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，90%以上的入海污染物最終進(jìn)入到海洋沉積物及相關(guān)海洋生態(tài)系統(tǒng)中。海洋沉積物已經(jīng)成為海洋水體環(huán)境中持久性的、有毒的化學(xué)污染物的主要存貯地。尤其是在近岸水體，受到諸如海上運(yùn)輸、航道疏浚、港口建設(shè)等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，甚或潮汐、風(fēng)浪等自然活動(dòng)的影響，受污染的海底沉積物又會(huì)對(duì)海水造成二次污染。沉積物的“健康狀況”無(wú)疑關(guān)系到水生生態(tài)系統(tǒng)的健康，進(jìn)而通過(guò)食物鏈影響到人類(lèi)自身。因此，監(jiān)測(cè)沉積物-海水界面的污染狀況具有非常重要的意義。

在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）的資助下，我們研發(fā)的海洋沉積物-水界面污染物通量自動(dòng)采樣及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)連續(xù)、現(xiàn)場(chǎng)、自動(dòng)地測(cè)量該界面的污染通量，可較大程度地量化海洋沉積物－水界面污染物通量、擴(kuò)散方向與速率。

本文在介紹該系統(tǒng)整體研發(fā)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)的海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況以及水樣分析和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

1 沉積物-水界面污染物通量自動(dòng)采樣及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由通量采樣艙、真空采樣瓶組、水路分配艙、多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、氧氣供給艙、水循環(huán)艙、控制艙、電池艙、聲學(xué)釋放浮筒等組成。按功能可分為采樣單元、水樣循環(huán)及監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制單元、布放和回收單元等四部分。系統(tǒng)樣機(jī)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)下放至海底后，通量采樣艙上蓋自動(dòng)關(guān)閉，控制系統(tǒng)值班電路啟動(dòng)。水質(zhì)儀定期監(jiān)測(cè)通量艙內(nèi)水體環(huán)境參數(shù)，決定適時(shí)開(kāi)關(guān)供氧系統(tǒng)，以控制艙內(nèi)溶解氧水平接近外部環(huán)境；水樣循環(huán)系統(tǒng)定期工作，以保證艙內(nèi)水體的流動(dòng)性及水體監(jiān)測(cè)參數(shù)的真實(shí)性；按預(yù)設(shè)時(shí)間采集艙內(nèi)水樣，用于重金屬及營(yíng)養(yǎng)要素分析。系統(tǒng)工作周期完成后，通過(guò)釋放回收單元進(jìn)行系統(tǒng)回收。

2 試驗(yàn)樣機(jī)海試情況

系統(tǒng)樣機(jī)完成后，課題組對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)測(cè)試以及水槽環(huán)境試驗(yàn)，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了有效改進(jìn)后，擇機(jī)進(jìn)行了海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.1 樣機(jī)空白試驗(yàn)

由于海洋沉積物-水界面污染物通量自動(dòng)采樣及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的水樣主要用于痕量重金屬以及營(yíng)養(yǎng)鹽同量分析，采樣過(guò)程中即使出現(xiàn)極其微小的外界污染或系統(tǒng)交叉污染，都會(huì)影響到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此，課題組首先開(kāi)展了樣機(jī)的空白測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證樣機(jī)所采用的八位一通電磁閥、取樣管路（主管及支管）及采樣艙體是否會(huì)對(duì)水樣造成污染。

分析結(jié)果表明：“各樣品瓶中所取樣品的重金屬和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均很低，與實(shí)驗(yàn)所用的純水的濃度沒(méi)有顯著差異，可以證明系統(tǒng)樣機(jī)不會(huì)對(duì)水樣造成污染?！?/p>

2.2 海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2010年11—12月，課題組選擇在天津港東突堤碼頭附近海域（國(guó)家海洋局塘沽海洋站東側(cè)100 m處，底質(zhì)沉積類(lèi)型為粉砂質(zhì)粘土）進(jìn)行了兩次海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終取得了符合要求的連續(xù)水樣及完整的背景數(shù)據(jù)。

3 樣分析及數(shù)據(jù)處理

由于每次采樣都從通量采樣艙內(nèi)每取出一定量的水樣，就會(huì)有相同量的孔隙水從采樣艙底部補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。這樣就造成了所測(cè)樣品濃度并不等于那一時(shí)刻采樣艙內(nèi)污染物的真實(shí)濃度，兩者之間有一定的誤差，需要進(jìn)行濃度校正，校正后的采樣艙內(nèi)污染物濃度計(jì)算公式如下：

式中：F為交換通量；m為濃度-時(shí)間擬合曲線的斜率；V是采樣艙體積；A為采樣艙的底面積。

3.1 重金屬沉積物-水界面交換通量

第二次海上試驗(yàn)中，重金屬濃度-時(shí)間擬合曲線如圖2所示。

式中：[C]為校正后的濃度；[S]為測(cè)量的樣品濃度；n為樣品序號(hào)（1～8）；v 為樣品體積；V 為采樣艙體積；[S0]為初始水樣的濃度。

交換通量計(jì)算公式為：

圖2 實(shí)驗(yàn)期間重金屬濃度-時(shí)間擬合曲線

從圖2可以看出，在該試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，不同重金屬元素表現(xiàn)出不同的行為特性，鉛和鎘的濃度隨時(shí)間下降，表現(xiàn)為吸附，即鉛和鎘從海水中進(jìn)入沉積物；鉻、銅、鋅的濃度隨時(shí)間增加，表現(xiàn)為解吸，即鉻、銅、鋅從沉積物中進(jìn)入海水；錳和鎳則沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。

經(jīng)計(jì)算，該區(qū)域沉積物中各重金屬元素的交換通量如圖3所示。

從圖 3 可以看出：鋅的釋放通量最高，達(dá) 612.8 μg/（m3·d），銅、鉻的釋放通量較低；鉛、鎘的通量值為負(fù)，說(shuō)明水體中的鉛、鎘被沉積物所吸附。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間各重金屬元素的交換通量

圖4 實(shí)驗(yàn)期間營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度-時(shí)間擬合曲線

圖5 實(shí)驗(yàn)期間營(yíng)養(yǎng)鹽的交換通量

3.2 沉積物-水界面營(yíng)養(yǎng)鹽交換通量

第二次海上試驗(yàn)中，該區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度-時(shí)間擬合曲線如圖4所示：硅酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮均表現(xiàn)為從沉積物釋放到水體。

經(jīng)計(jì)算，沉積物各營(yíng)養(yǎng)鹽的交換通量如圖5所示。

從圖5中可以看出：營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放通量以硅酸鹽、硝酸鹽最高，磷酸鹽最低，這可能與顆粒物的性質(zhì)和水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量有關(guān)。

通過(guò)本次試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：海試區(qū)域周邊海域水體和沉積物環(huán)境質(zhì)量總體較好，從歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，營(yíng)養(yǎng)鹽（無(wú)機(jī)氮）濃度較高，水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象明顯，沉積物重金屬含量呈增高趨勢(shì)；根據(jù)連續(xù)采集的樣品分析計(jì)算，鋅、鉻、銅的通量為正，為從沉積物釋放到水體中，其中以鋅的通量最高，鉛、鎘的通量為負(fù)，說(shuō)明水體中的鉛、鎘被顆粒物所吸附，錳、鎳的濃度與時(shí)間的擬合曲線相關(guān)系數(shù)很低，沒(méi)有顯著的變化規(guī)律；硅酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮均表現(xiàn)為從沉積物釋放到水體，其中硅酸鹽、硝酸鹽的通量較高。

4 結(jié)論

系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)過(guò)海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，多參數(shù)水質(zhì)儀記錄的壓力（深度）、溫度、pH，DO等數(shù)據(jù)說(shuō)明試驗(yàn)處于受控狀態(tài)，采樣艙密封性良好，艙內(nèi)溶解氧含量與自然狀態(tài)相一致。

海試結(jié)果表明：樣機(jī)可在水下（最大深度10 m）連續(xù)、穩(wěn)定、無(wú)故障地工作4 d，樣機(jī)各組成單元的工作狀態(tài)良好；樣機(jī)能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔，在4 d內(nèi)自動(dòng)完成對(duì)海底沉積物上覆水層的8個(gè)水樣無(wú)污染采集，并可連續(xù)、實(shí)時(shí)獲取上覆水層的溫鹽、pH、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)。樣機(jī)整體技術(shù)性能達(dá)到了有關(guān)設(shè)計(jì)要求。通過(guò)樣機(jī)可對(duì)沉積物污染（重金屬和營(yíng)養(yǎng)鹽）的現(xiàn)場(chǎng)、原位、連續(xù)時(shí)間序列采樣、測(cè)量，更好地研究、揭示海底沉積物污染狀況和擴(kuò)散趨勢(shì)。

[1] 石峰，王修林，石曉勇，等．東海沉積物-海水界面營(yíng)養(yǎng)鹽交換通量的初步研究[J]．海洋環(huán)境科學(xué)，2004，2：5-8．

[2] 宋金明．中國(guó)近海沉積物-海水界面化學(xué)[M]．北京：海洋出版社，1997．

[3] 玉坤宇，劉素美，張經(jīng)．海洋沉積物-水界面營(yíng)養(yǎng)鹽交換過(guò)程的研究[J]．環(huán)境科學(xué)，2001，20(5)：425－431．

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In situ Trial of Automated Sampling and Monitoring System for Measuring Contaminant Flux across Sediment–water Interface

MA Chang-lei1,WANG Xiang-nan1,CHEN Jiang-lin2,XU Jun-chen1
（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.North China Sea Standard and Metrology Center,SOA,Qingdao Shandong 266033,China）

The automated sampling and monitoring system for measuring contaminant flux across sediment-water interface is developed to collect water samples directly,which are almost isolated in a benthic flux chamber.The samples are analyzed for increase or decrease in toxicant concentration.The prototype is tested in Tianjin Harbor successfully.The quality of water samples collected by the prototype is good enough for determining the flux across sediment–water interface.The logistical and economic resources necessary to operate the prototype are also evaluated.

sediment–water interface;contaminant flux;automated sampling;monitoring;trial

P714+.4

B

1003-2029（2011）02-0046-04

2011-02-18

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007AA09Z107）