雙向環(huán)形水槽模擬變化水位和流速下洞庭湖沉積物氮釋放特征*

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃”973”項目(2012CB417004)資助.2015-02-18收稿；2015-05-28

收修改稿.童亞莉(1991～)，女，碩士研究生；E-mail: tongyali123@163.com。

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雙向環(huán)形水槽模擬變化水位和流速下洞庭湖沉積物氮釋放特征*

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃”973”項目(2012CB417004)資助.2015-02-18收稿；2015-05-28

收修改稿.童亞莉(1991～)，女，碩士研究生；E-mail: tongyali123@163.com。

(中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

摘要：淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的沉積物-水界面是湖泊內(nèi)源氮釋放的重要界面，而水動力因素是改變沉積物氮釋放的重要因素.三峽大壩修建以后，長江中下游通江湖泊的水動力條件發(fā)生了明顯的變化.通過采集洞庭湖湖口區(qū)域的沉積物和水樣，在雙向環(huán)形水槽動力模擬裝置內(nèi)模擬湖泊水位和流速的變化，探討湖泊沉積物氮在沉積物和水系統(tǒng)中的二次釋放特征.結(jié)果表明，隨著擾動強度的增加，上覆水懸浮物濃度增大，上覆水中總氮濃度增加，沉積物向上覆水釋放氮的強度增強，水動力條件的改變所引起的沉積物內(nèi)源氮釋放不容忽視.在該模擬實驗條件下，沉積物存在最適擾動水位(20cm)，此水位下上覆水中懸浮物濃度最低，總氮濃度最小.水動力條件的改變對上覆水和沉積物-水界面處銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的影響并不明顯，孔隙水中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮之間發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：洞庭湖；氮；沉積物；沉積物-水界面；水位；流速

氮是湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的必要營養(yǎng)元素，是限制水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素[1].但由于湖泊氮、磷營養(yǎng)元素的過量攝入，湖泊富營養(yǎng)化問題一直受到廣泛的關(guān)注.當(dāng)天然水體中總磷(TP)濃度大于0.02mg/L、無機氮濃度大于0.2mg/L時，可認(rèn)為水體處于富營養(yǎng)化水平[2].湖泊營養(yǎng)程度的限制因子與水體中氮、磷濃度的比例有關(guān)，當(dāng)水體中N/P低于10時，氮成為限制湖泊營養(yǎng)程度的主要因子[3].湖泊水體營養(yǎng)鹽來源包括外源輸入和內(nèi)源釋放兩種方式，目前，對多數(shù)湖泊的研究表明，在營養(yǎng)鹽外源輸入已經(jīng)得到有效控制的條件下，沉積物向上覆水釋放污染物的速率明顯增加[4-5]，內(nèi)源釋放已成為造成湖泊富營養(yǎng)化的重要原因。

水動力因素對淺水湖泊營養(yǎng)鹽內(nèi)源釋放有重要的作用[22].營養(yǎng)鹽一旦進入湖泊，就會在沉積物和水體之間反復(fù)循環(huán).當(dāng)湖泊底部沉積物受到湖流的擾動，沉積物再懸浮會強烈地影響氮在沉積物和水體之間的再分配.研究發(fā)現(xiàn)在底泥懸浮過程中，內(nèi)源氮的釋放與水體中氮被懸浮物吸附同時發(fā)生[23].目前室內(nèi)模擬湖泊沉積物營養(yǎng)鹽釋放主要有3種方法，即振蕩法、波浪水槽法和環(huán)形水槽法.振蕩法和波浪水槽法受設(shè)備的限制不能模擬湖流流速的變化，所需樣品量較大，成本較高；而環(huán)形水槽能夠模擬無限長的水面，槽內(nèi)流場基本均勻的特征為粗略模擬湖體實際水流狀況提供了可能。

洞庭湖是我國第2大淡水湖泊，是長江中游重要的吞吐性湖泊，目前是長江流域僅存的3個通江湖泊之一[32].長江和洞庭湖以岳陽城陵磯為匯合口，構(gòu)成湖水下泄入江或江水倒灌入湖的錯綜復(fù)雜的江湖關(guān)系.洞庭湖不僅調(diào)蓄著長江洪水，長江和洞庭湖因水量、物質(zhì)能量交換而導(dǎo)致江湖沖淤演變、水文情勢變化以及引起水資源、水環(huán)境和水生態(tài)效應(yīng)[24-27].自三峽大壩修建以來，長江水文情勢發(fā)生了改變，進而影響到洞庭湖的水位和流速，因而研究變化水位和流速條件下洞庭湖沉積物氮釋放特征具有巨大的現(xiàn)實意義與研究價值。

本文利用雙向環(huán)形水槽進行室內(nèi)模擬實驗，研究變化水位和流速條件下洞庭湖沉積物-水界面氮的釋放，為進一步認(rèn)識淺水湖泊水動力作用對湖泊內(nèi)源營養(yǎng)鹽釋放的影響提供依據(jù)，為流域尺度變化水動力條件下沉積物氮的釋放估算提供基礎(chǔ)參數(shù)，為通江湖泊富營養(yǎng)化研究與控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及工作原理

雙向環(huán)形水槽動力模擬裝置見圖1，由上、下盤及驅(qū)動控制系統(tǒng)3部分組成，下盤為1個外直徑120cm、內(nèi)直徑80cm、槽寬20cm、槽深40cm的有機玻璃環(huán)槽，上盤為有機玻璃環(huán)片，可根據(jù)水深自動調(diào)節(jié)高度以覆蓋于水面之上.在下盤槽壁不同深度上設(shè)有多個取樣孔，可自動控制接取渾水樣品，以便測定不同時間與水深條件下的水樣參數(shù)。

圖1 雙向環(huán)形水槽動力模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of two-way annular flume device

環(huán)形水槽上、下盤各由一臺無級調(diào)速電機帶動.下盤順時針運動時會使水流產(chǎn)生沿半徑向外的離心力，而上盤向相反方向即逆時針轉(zhuǎn)動時，會使水流產(chǎn)生沿半徑向里的離心力，由此可實現(xiàn)內(nèi)外離心力的抵消，實現(xiàn)水體的穩(wěn)定流動.離心力的大小與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，故可通過分別調(diào)節(jié)上下盤的轉(zhuǎn)速，使上下盤的離心力大小相等，進而實現(xiàn)內(nèi)外離心力的相互抵消，達(dá)到均勻穩(wěn)定的流場.設(shè)備的前期流速率定實驗顯示，水槽可允許的流速范圍為0～0.5m/s.通過改變裝置上盤的高度可以模擬不同水位的變化情況，改變上下盤流速，可以模擬不同上覆水流速的變化情況，完成對湖泊水-沉積物界面環(huán)境的模擬。

1.2 實驗設(shè)計

1.2.1 實驗準(zhǔn)備模擬實驗所用沉積物和水樣采集于洞庭湖湖口區(qū)域(29°26′32″N，113°8′5″E)，沉積物平均含水率為44.68%，容重為1.74g/cm3，沉積物100kg為用抓斗式采樣器采集的沉積物表層樣品，并將其裝入清潔的聚乙烯儲物箱中低溫保存并即日帶回，上覆水樣品150L用塑料水箱采集帶回.將帶回的沉積物混合后均勻鋪于容器底部，泥厚約6cm.沉積物鋪好后，用虹吸管沿槽壁向水槽內(nèi)緩緩注入采集的水樣至10cm.待鋪設(shè)的沉積物和水樣靜置兩天，使底泥逐漸恢復(fù)層理結(jié)構(gòu)后進行模擬實驗.模擬實驗前先采集背景水樣。

1.2.2 模擬實驗階段(1) 變化水位的模擬實驗

設(shè)定流速為0.3m/s，改變上覆水水位，每一水位均保持水流作用60min，然后分上覆水和沉積物采集樣品，并及時進行分析，之后進入下一水位，如此直到實驗研究的最高水位.水位設(shè)定為：10、15、20、25cm.每完成一次水位的模擬之后，用虹吸管沿槽壁緩慢注入采集的水樣至下一水位高度，靜置一天待沉積物、上覆水恢復(fù)層理結(jié)構(gòu)，進入下一水位的實驗。

(2) 變化流速的模擬實驗

設(shè)定水位為15cm，實驗從靜置開始，逐步加速，每一流速均保持水流作用60min，然后分上覆水和沉積物采集樣品，并及時進行分析，之后進入下一流速.如此直到實驗研究的最高流速.流速設(shè)定為：0、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30m/s。

每次采樣位置分別為距離水槽底面以上3.5、6和17cm.3.5cm處樣品代表沉積物孔隙水樣品，6cm處水樣代表沉積物-水界面處樣品，17cm處水樣代表上覆水樣品.由于實驗容器容積的限制，為保持一定的水量，在實驗進行期間，每次采完水樣，立即向水槽緩緩補充入等量的去離子水，由于擾動充分混合并使沉積物-水界面的物質(zhì)交換達(dá)到平衡。

1.3 分析測定

2 實驗結(jié)果

2.1 沉積物和水樣的本底分析

表1 洞庭湖孔隙水、沉積物-水界面和上覆水水樣的本底值

“-”表示未測。

2.2 變化水位的影響

2.2.1 變化水位對水體SS濃度的影響在實驗?zāi)M水位范圍內(nèi)，水體中SS濃度隨著水位的升高先降低后升高，在水位為20cm時達(dá)到最小值，隨后增大.低水位擾動時，底泥少量懸浮；高水位擾動時，底泥大量懸浮.低水位(10～20 cm)擾動階段，SS濃度從632.5mg/L降低至117.5mg/L；高水位(20～25 cm)擾動階段，SS濃度發(fā)生突變，SS濃度從117.5mg/L增至1672.5mg/L，約增加14倍。

為了更深入地探究沉積物起動規(guī)律，利用竇國仁[28]的泥沙起動公式來計算洞庭湖沉積物的起動流速和起動切應(yīng)力(表2)，湖流流速保持在0.30m/s.根據(jù)表2的結(jié)果來看，不同水位所對應(yīng)的起動流速和起動切應(yīng)力變化較大，故湖泊水位對沉積物懸浮的影響不容忽視.理論結(jié)果顯示水位在10～25cm之間時，隨著水位的升高，泥面的摩阻流速增加，響應(yīng)所需要的起動切應(yīng)力和起動流速也增加.但是實驗所觀察到的結(jié)果是當(dāng)水位為25cm時，沉積物有明顯的懸浮，上覆水中SS濃度明顯增大，這與理論計算值不符。

表2 洞庭湖不同水位沉積物起動標(biāo)準(zhǔn)*

*k值是起動摩阻流速公式中的系數(shù)；k′值是起動浪速公式中的系數(shù)。

圖2 TN濃度隨水位的變化Fig.2 Total nitrogen concentration expressed as a function of water level

2.2.2 變化水位對TN濃度的影響隨著水位的升高，上覆水和沉積物-水界面TN濃度變化趨勢一致，均隨著水位升高先降低后升高；而孔隙水中的TN濃度在水位為10～15cm時先降低，之后呈現(xiàn)出與上覆水和沉積物-水界面處TN濃度相反的變化趨勢(圖2).上覆水、沉積物-水界面和孔隙水中TN濃度變化范圍分別為1.32～5.71、1.32～6.65和4.60～7.55mg/L.從三者的濃度變化趨勢來看，20cm為TN濃度的最適擾動水位.在水位為20cm 時，上覆水和沉積物-水界面處TN濃度最小，而孔隙水中TN濃度達(dá)到最大值.在整個模擬實驗過程中，孔隙水中的TN濃度一直高于沉積物-水界面和上覆水中的TN濃度，表明沉積物作為“源”在起作用，在有外界擾動因素存在或者湖泊生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因素發(fā)生改變時，沉積物中的氮將發(fā)生內(nèi)源釋放，造成水體中氮濃度的改變。

2.3 變化流速的影響

2.3.1 變化流速對水體SS濃度的影響在實驗?zāi)M流速范圍內(nèi)，SS濃度隨著流速的升高而逐漸增大.流速的變化對SS的影響可以分為2個階段：低流速(0～0.20m/s)擾動階段和高流速(0.20～0.30m/s)擾動階段.低流速擾動階段時，SS濃度增加不明顯，從53.0mg/L增至117.5mg/L，而高流速擾動階段SS濃度從117.5mg/L突然增至5377.5mg/L，此時上覆水體已經(jīng)明顯渾濁，可以看到大量的顆粒物離開沉積物表面，在湖流的作用下懸浮在水體中。

同樣利用竇國仁[28]的泥沙起動公式來計算洞庭湖沉積物的起動流速和起動切應(yīng)力.實驗中水深h控制在15cm，沉積物摩阻流速為0.23m/s，起動切應(yīng)力為0.586N/m2，起動流速為0.27m/s.該理論結(jié)果顯示當(dāng)上覆水流速>0.27m/s時，沉積物將發(fā)生普遍的懸浮，這也與實驗中的觀察結(jié)果一致，流速為0.30m/s時上覆水SS濃度突然增加，沉積物大量懸浮，水體明顯渾濁。

圖4 TN濃度隨流速的變化情況Fig.4 Total nitrogen concentration expressed as a function of velocity

2.3.2 變化流速對TN濃度的影響從整體變化趨勢來看，上覆水和沉積物-水界面處TN濃度隨著流速的增大而增大，當(dāng)流速增大到0.30m/s時上覆水和沉積物-水界面處TN濃度相同；而孔隙水中TN濃度在實驗?zāi)M流速范圍內(nèi)隨著流速的增大卻發(fā)生不規(guī)則變化，總體呈降低趨勢.上覆水中TN濃度從1.24mg/L增大到3.23mg/L，約為初始濃度的3倍；沉積物-水界面處TN濃度從1.48mg/L增大到3.22mg/L，也約為初始濃度的2倍；孔隙水中TN濃度從8.37mg/L 降低到4.83mg/L，約為初始濃度的0.5倍(圖4).在整個模擬實驗中，孔隙水中TN濃度一直高于上覆水和沉積物-水界面，表明沉積物以“源”在起作用，這與上覆水水位變化的模擬實驗中得到的結(jié)論一致。

圖-N和濃度隨流速的變化Fig.5 Ammonia and nitrate nitrogen concentrations expressed as a function of velocity

3 討論

3.1 變化水位/流速對SS濃度的影響

湖流的相互作用會對湖底產(chǎn)生切應(yīng)力，當(dāng)湖流產(chǎn)生的切應(yīng)力大于臨界切應(yīng)力時，湖底沉積物發(fā)生懸浮，而懸浮深度的大小取決于擾動強度.湖底臨界切應(yīng)力大小與沉積物顆粒粒徑、形狀、密度及粘性等諸多因素有關(guān)[11].在不同的垂直深度上，由于生物作用[29]、粒徑組成[30]、化學(xué)成分[31]及其他物理因素的變化，能產(chǎn)生懸浮的臨界切應(yīng)力的大小也不相同[32].本模擬實驗中，低擾動強度即較低水位(10～20cm)和較低流速(0～0.20m/s)下，由于臨界切應(yīng)力相對較大，此擾動強度范圍所產(chǎn)生的對湖底的切應(yīng)力小于臨界切應(yīng)力，只能看到泥面附近有一層很薄的稀釋層發(fā)生懸揚，較輕較細(xì)的顆粒物受力發(fā)生不明顯的懸浮，此時沉積物屬于“將動未動”狀態(tài)；隨著擾動強度的增大，即當(dāng)水位達(dá)到25cm、流速增大到0.30m/s時，湖流產(chǎn)生的切應(yīng)力明顯大于臨界切應(yīng)力，可以看到沉積物呈散粒狀在泥面上滾動并開始懸浮，泥面旋渦不斷掀起淤泥，平滑的泥面受到較大破壞，水體完全渾濁，沉積物進入“普遍動”的狀態(tài).對洞庭湖沉積物而言，存在最適擾動水位20cm，此時水位的影響造成SS濃度最低.從總體來講，隨著擾動強度的增大，沉積物泥面經(jīng)歷了從“將動未動”狀態(tài)到“少量動”狀態(tài)，最后進入“普遍動”狀態(tài)，沉積物大量懸浮.這與朱廣偉等[19]模擬太湖沉積物的不同起動狀態(tài)相同。

3.2 變化水位/流速對TN濃度的影響

上覆水中TN濃度的變化是沉積物中顆粒物解吸、空隙水釋放和氮遷移轉(zhuǎn)化的綜合表現(xiàn).低水位擾動時，孔隙水中的氮釋放通過界面進入上覆水中，底泥顆粒物上結(jié)合的氮少量解吸進入孔隙水，不足以補充孔隙水中所減少的氮，因而表現(xiàn)出孔隙水中TN濃度降低；隨著水位的升高，湖流產(chǎn)生的切應(yīng)力增大，隨著沉積物的再懸浮，大量的氮被顆粒物攜同帶入到上覆水中，TN濃度顯著升高.沉積物中經(jīng)擾動進入上覆水的氮以溶解態(tài)為主[33]，因而上覆水和界面處的氮同時被懸浮的顆粒物吸附，這也可能是低水位擾動時TN濃度降低的一個原因.高水位擾動時，底泥顆粒物的解吸能力增強，氮隨著沉積物再懸浮大量釋放進入上覆水，造成上覆水和沉積物-水界面處TN濃度明顯升高.隨著沉積物中顆粒物的解吸達(dá)到最大值，孔隙水中的TN濃度開始降低.影響湖泊沉積物氮素釋放強度的主要因子包括pH值、溫度、溶解氧、水動力條件等，而在短期時間尺度下，水動力條件是造成沉積物氮素釋放強度增大的最主要因素[33]。

在0～0.10m/s的流速范圍內(nèi)，湖流極緩慢地流動，此時上覆水SS濃度很低，幾乎沒有沉積物的懸浮，該范圍內(nèi)主要發(fā)生孔隙水中少量的氮向上覆水的遷移和沉積物顆粒物上氮的解吸：孔隙水中的氮通過沉積物-水界面遷移進入上覆水中，而沉積物顆粒物上結(jié)合的氮還來不及解吸進入孔隙水，不能補充孔隙水中減少的氮，因而表現(xiàn)出孔隙水中TN濃度略有降低；而上覆水中由于沉積物-水界面處和沉積物孔隙水中氮的雙重遷移，氮濃度逐漸升高[34-35].隨著湖流流速的增大，對沉積物的擾動加強，上覆水SS濃度增大，大量的氮素伴隨著沉積物顆粒物的再懸浮遷移進入上覆水.但高流速時，隨著沉積物顆粒物的解吸達(dá)到最大值，孔隙水中的TN濃度開始降低.流速為0.15～0.25m/s時，沉積物-水界面處TN濃度增加緩慢，上覆水中TN濃度也逐步增加，但是增加的量比沉積物-水界面處小.沉積物中可交換態(tài)氮經(jīng)擾動進入上覆水，沉積物-水界面和上覆水中的TN濃度并沒有出現(xiàn)大幅度增加，表明沉積物中可交換態(tài)氮含量較低，由于上覆水的稀釋作用，上覆水中TN濃度增加量少于沉積物-水界面[33-35]。

Pang等[23]以太湖沉積物為模擬實驗底泥樣品和去離子水為上覆水水樣進行環(huán)形水槽實驗，得出上覆水中TN濃度在一定擾動強度內(nèi)，不受擾動時的釋放強度比擾動時要大的結(jié)論，這與本實驗中流速為0～0.10m/s時沉積物-水界面處TN濃度降低的結(jié)果一致.Reddy等[34]在對Apoka湖的研究中也發(fā)現(xiàn)，懸浮作用(懸浮+擴散)造成上覆水營養(yǎng)鹽濃度可以達(dá)到單純由擴散產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽濃度的數(shù)十倍；S?ndergaard等[25]在對丹麥Arreso湖(面積41km2，平均水深2.9m)的野外調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，動力懸浮產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽濃度增加可以達(dá)到原來的20～30倍的數(shù)量級，這充分說明水動力作用在湖泊內(nèi)源營養(yǎng)鹽循環(huán)中扮演著非常重要的作用。

致謝：文章實驗部分在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所開展完成，非常感謝該所提供的實驗條件，以及李未老師和丁士明老師在實驗過程中給予的幫助和悉心指導(dǎo)．

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J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(1)： 59-67

?2016 byJournalofLakeSciences

Characteristics of nitrogen release from Lake Dongting sediments under variable water level and velocity in the two-way annular flume

TONG Yali， LIANG Tao**, WANG Lingqing & TIAN Shuhan***

(KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation，InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch，ChineseAcademyofSciences，Beijing100101，P.R.China)

Abstract：Sediment-water interface is a crucial place for internal nitrogen release in the shallow lake ecosystem and the hydrodynamic factors have significant influence on sediment nitrogen release. After the construction of the Three Gorges Dam， hydrodynamic conditions for shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River have changed apparently. Water and sediments samples collected from Lake Dongting region were used to simulate the release characteristics of nitrogen from sediments under experience conditions of variable water level and velocity. The results showed that as the water level/velocity increased， concentrations of the suspended solids (SS) and total nitrogen (TN) in the overlying water increased and the nitrogen release intensity from sediments to overlying water enhanced. This internal nitrogen release caused by variable hydrodynamic conditions should not be ignored. Under the simulation conditions there was an optimal disturbance water level of 20 cm， where concentrations of the SS and TN were lowest in the water level nearby. The influence of variable water level and velocity on ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in the overlying water and sediment-water interface were unapparent， while there was a form transformed between ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in the pore water。

Keywords：Lake Dongting； nitrogen； sediments； sediment-water interface； water level； velocity

通信作者童亞莉，梁濤*；E-mail: liangt@igsnrr.ac.cn. ，王凌青,田舒菡*共同通信作者；E-mail：tiansh.15s@igsnrr.ac.cn.

DOI10.18307/2016.0107