液化土床中氮、磷向水體中釋放的水槽試驗研究?

房文艷， 孫振紅， 許國輝??， 劉江嬌， 許興北， 呂楚岫

(1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100; 2.中國海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100;3.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100; 4.天津港保稅區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,天津 300308；5.核工業(yè)青島工程勘察院，山東 青島 266100； 6.山東省標準化研究院，山東 濟南 250000)

水體中氮磷等營養(yǎng)鹽含量過多會引起藻類植物大量繁殖，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。沉積物對水體中的氮磷可以起到吸附作用，但環(huán)境因子的改變以及水動力的作用會使得沉積物中累積的污染物重新釋放進入上覆水體，造成二次污染[1]。

內(nèi)源釋放是富營養(yǎng)化水域治理過程中一直關(guān)注的難題。朱廣偉等[2]在沉積物磷釋放的模擬試驗中發(fā)現(xiàn)，由于沉積物中氮磷釋放的影響，通過曝氣和化學(xué)處理后的上覆水仍處于劣V類水質(zhì)。目前很多學(xué)者對引起內(nèi)源釋放的水動力條件進行了模擬實驗或現(xiàn)場監(jiān)測，如Reddy等[3]通過現(xiàn)場試驗確定沉積物表面以下8 cm的區(qū)域內(nèi)的磷元素會不斷向上覆水中釋放，從而引起水體營養(yǎng)鹽含量增加；李一平等[4]利用環(huán)形水槽實驗建立了底泥中總磷、總氮與水流的關(guān)系；Vincent等[5]利用侵蝕室研究了沉積物-水界面的銨鹽擴散通量與剪切力的關(guān)系;William等[6]利用模型分析了光的衰減與水生植物群落對再懸浮的抑制作用。

目前認為沉積物中的氮磷元素主要通過靜態(tài)擴散和再懸浮兩種方式進入上覆水體[7]，沉積物受到風浪作用發(fā)生再懸浮，導(dǎo)致氮磷營養(yǎng)鹽大量釋放進入上覆水體[7-8]。風暴浪作用下，粉質(zhì)土或細砂海岸在波浪循環(huán)荷載作用下會發(fā)生液化[9]，即土體在循環(huán)荷載的作用下有效應(yīng)力喪失，土體運動形式與波浪運動一致，表現(xiàn)為流體的狀態(tài)。液化后的土體顆粒隨波浪一起運動，細小的顆粒會隨孔隙水進入上覆水體，引起沉積物-水界面間沉積物通量的異常變化[10]。

1 試驗方法

1.1 波浪水槽

波浪水槽總長14 m，寬0.5 m，高1.5 m，土體底床部分總長2.6 m，寬0.5 m，深度0.6 m，試驗水深0.4 m(見圖1)。水槽前段造波板在固定的周期頻率下往復(fù)運動，形成具有Stokes波形態(tài)特點的人工波浪。水槽尾端設(shè)消波斜坡，坡度約為1:4，斜坡由大小不一的透水石塊組成，表面鋪設(shè)人工草甸，用于減小入射波波能，從而降低波浪反射作用。

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗底床的制備 試驗底床所用土體是黃河三角洲淺海海域取回的原位河口沉積物，土體成分如表1所示，按照海洋調(diào)查規(guī)范(GB/T 12763.8—2007)確定土體為砂質(zhì)粉砂。

圖1 波浪水槽示意圖Fig.1 Layout of wave flume

成分Components砂Sand粉砂Silt sand黏土Clay粒徑①/mm0.063～1.0000.004～0.063<0.004含量②/%20.4769.679.86

Note：①Particle size；②Content

試驗采用化學(xué)試劑模擬沉積物中的營養(yǎng)鹽，稱取285.0 g KH2PO4、172.0 g NH4Cl、154.0 g NaNO3、173.0 g NaNO2均勻混入90.0 kg土樣中，在攪拌機中攪拌，配置成稠度均勻的氮、磷泥漿(含水率32%左右，含TP 0.80×10-3、含TN 1.30×10-3)。用同樣的方法配置含水率32%左右的普通泥漿，成層滑移到水槽中。當?shù)状埠穸冗_到48 cm時鋪設(shè)氮、磷泥漿，氮、磷沉積層的厚度為4.0 cm，之后用普通泥漿鋪滿水槽，厚度為8 cm。沉積物底床制備完成后，向水槽中加入自來水，水深40 cm(見圖2)，靜置7 d。

階段II施加4個不同波高的波浪作用，分別為5.0、8.0、11.0和14.0 cm，每個波高持續(xù)作用180 min，待波高穩(wěn)定后開始計時。階段II的取樣點位置和水樣處理方式同階段Ⅰ。另外，在此階段要記錄懸沙的濃度，方法是使用虹吸式懸沙取樣器于沉積物底床中間位置處，取得一系列含沙渾水，烘干測定渾水中的懸浮物(SS)含量(見圖2)。該階段波浪參數(shù)如表2所示。

圖2 沉積物底床及取樣點示意圖Fig.2 Layout of sediment bed and sampling points

波高Wave height/cm波長Wave length/m周期Period/s5.03.662.088.02.961.6811.02.281.3614.01.701.12

持續(xù)加波12 h后土體并未出現(xiàn)明顯液化現(xiàn)象，此時對土體進行人為擾動，用面積10 cm×15 cm的鋼錘輕輕捶擊土體的邊緣位置，在底床淺表部分形成局部軟弱區(qū)，再施加波浪。階段III的波浪參數(shù)與作用時間與階段II相同，水樣和含沙渾水體的取樣位置與方法也相同。

1.3 分析測試方法

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗中測定不同工況時各指標的濃度后，采用Crystal ball軟件對所測數(shù)據(jù)進行Monte-Carlo模擬(5 000次)[12]，以最大概率對應(yīng)的濃度作為該工況下的濃度值。

1.5 底泥釋放速率的計算方法

底泥釋放速率R(mg·m-2·min-1)按照下式計算[13]：

(1)

2 試驗結(jié)果

2.1 懸浮物SS含量變化特征

水中懸浮物含量隨著波浪作用時間增加呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，并且在液化階段，懸浮物含量隨波高的增大而增加。階段II和階段III水中SS含量變化范圍分別為0.037～0.550 g/L以及0.339～2.320 g/L。其加波未液化，加波液化不同波高時水中SS含量隨時間變化如圖3所示。

2.2 硝態(tài)氮濃度變化

圖3 加波未液化(a)、加波液化(b)不同波高時水中SS含量隨時間變化[14]Fig.3 Variation of suspended sediments concentrations in water under different wave height of non-liquefaction (a) and liquefaction (b) with time[14]

圖4 靜置(I)、加波未液化(II)、加波液化(III)不同波高水中濃度隨時間變化Fig.4 Variation of concentrations in water under different wave height of consolidation(I),non-liquefaction(II) and liquefaction(III) with time

2.3 亞硝態(tài)氮濃度變化

圖5 靜置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同波高水中濃度隨時間變化Fig.5 Variation of concentrations in water under different wave height of consolidation(Ⅰ),non-liquefaction(Ⅱ) and liquefaction(Ⅲ) with time

2.4 水中氨氮濃度變化

圖6 靜置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同波高水中濃度隨時間變化Fig.6 Variation of concentrations in water under different wave height of consolidation(I),non-liquefaction(II) and liquefaction(III) with time

2.5 水中溶解態(tài)活性磷(SRP)濃度變化

階段I水中SRP有緩慢增加的趨勢，階段II中SRP濃度略有增加，但基本維持在較低水平。階段III液化土體上覆水中SRP濃度顯著增加，且隨著波高的增加濃度明顯增加。三個階段SRP的濃度變化范圍分別為0.020～0.088(a)、0.061～0.105(b)以及0.086～2.064 mg/L(c)。在靜置、加波未液化、加波液化不同波高水中SRP濃度隨時間變化情況如圖7所示。

圖7 靜置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同波高水中SRP濃度隨時間變化Fig.7 Variation of SRP concentrations in water under different wave height of consolidation(Ⅰ),non-liquefaction(Ⅱ) and liquefaction(Ⅲ) with time

圖8 靜置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)SRP釋放速度隨波高的變化

3 討論

3.1 SRP的釋放規(guī)律

SRP濃度在階段Ⅰ末較階段I初增加了三倍，呈現(xiàn)波動增加的趨勢(見圖7)，而該階段并未施加波浪作用。說明底泥中SRP通過靜態(tài)擴散進入上覆水體，引起濃度的增加[15]。靜置階段的土體在自重應(yīng)力的作用下會發(fā)生固結(jié)，土顆粒被壓縮，孔隙水向上排出[16]，這也是上覆水SRP濃度增加的一個原因。

利用底泥釋放速率公式(1)可以得到試驗過程中某一波高作用時間段內(nèi)SRP的平均釋放速率，(見圖8)。其中橫軸代表試驗波高，每一點對應(yīng)該波高作用時間段內(nèi)SRP的平均表觀釋放速率。階段I靜態(tài)擴散作用引起的SRP濃度增加速度很慢。施加波浪作用后，土床內(nèi)會產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，孔隙水在壓力差作用下不斷排出，使得孔隙水排出速度大于自重固結(jié)階段的速度[17-18]，這會導(dǎo)致水中SRP濃度升高。而圖8中SRP的釋放速率較靜置階段變化不大，并且在8 cm波高和11 cm處出現(xiàn)負值，這說明懸浮泥沙會吸附水體中的SRP[19]，并且在某一波浪動力作用范圍內(nèi)吸附速度大于釋放速度，使得動荷載作用下隨間隙水滲流出的SRP并沒有在很大程度上增加水體濃度，該階段SRP平均濃度是靜置階段的1.11倍。

階段Ⅲ中SRP的釋放速率迅速增加，這是因為孔隙水壓力達到上覆有效應(yīng)力，土體發(fā)生液化，強度喪失，結(jié)構(gòu)被破壞，液化土層懸浮于水中，與上覆水的交換作用非常強烈。該階段SRP平均濃度是靜置階段的11.37倍，說明土體液化能顯著提高底泥釋放SRP的能力。

3.2 無機氮的釋放規(guī)律

在靜態(tài)擴散以及自重固結(jié)排水的作用下，上覆水中亞硝態(tài)氮含量逐漸升高，而硝態(tài)氮和氨氮的濃度變化范圍并不大，這說明底床及上覆水體中的溶解氧濃度降低，好氧的氨氧化細菌無法將氨進一步氧化為硝氮[22]，并引起亞硝態(tài)氮的積累[23]。雖然硝態(tài)氮濃度雖在最初幾天略有增加，但最終呈現(xiàn)出下降的趨勢。

微生物作用下沉積物氮庫中的有機氮不斷通過礦化作用轉(zhuǎn)為為氨氮等無機氮[24]，帶負電的土壤膠體又會吸附沉積物中的氨氮[25]，因此氨氮濃度會發(fā)生波動，但最終也呈現(xiàn)下降趨勢。

圖9 靜置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)無機氮釋放速度隨波高的變化Fig.9 Variation of inorganic nitrogen release speed from sediments under different wave height of consolidation(Ⅰ),non-liquefaction(Ⅱ) and liquefaction(Ⅲ) with time

3.3 氮磷釋放與再懸浮的關(guān)系

運用SPSS19.0對氮磷濃度與懸沙含量進行spearsman相關(guān)性分析，分別對液化狀態(tài)下與未液化狀態(tài)下的懸沙濃度與水體氮磷濃度進行了統(tǒng)計分析。相關(guān)系數(shù)及概率P見表3。

從表中可以看出，在底床未液化階段，水體中營養(yǎng)鹽濃度與懸沙含量相關(guān)系數(shù)均很小。底床發(fā)生液化后，水體中營養(yǎng)鹽濃度與懸沙含量均呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，除亞硝態(tài)氮外，相關(guān)系數(shù)r均大于0.85，P<0.01，而且SRP的相關(guān)性最好，說明磷的釋放與SS的含量有關(guān)[28]。試驗中高濃度氮磷營養(yǎng)層埋置在泥面以下，土體未液化的情況下，懸浮的泥沙一部分來自于底床表層，在波浪沖刷作用下底泥逐漸懸浮，還有一部分在動荷載作用下隨孔隙水滲流作用進入上覆水中，因此氮磷濃度與懸沙量相關(guān)性并不大。底床液化后，沉積物中的土顆粒涌入上覆水體，導(dǎo)致懸沙量大幅度增加，同時增加的還有氮磷濃度，這也充分說明液化會大幅度提高沉積物釋放氮磷營養(yǎng)鹽的能力，這與孫振紅等[14]人的研究一致。

表3 懸沙濃度與氮磷濃度相關(guān)性Table 3 Correlation in concentrations of suspended sediment and concentrations of nutrient and phosphorus

Note:①Stage Ⅱ；②Stage Ⅲ；③Coefficient

4 結(jié)論

(1)底床液化能顯著提高沉積物釋放氮磷營養(yǎng)鹽的能力，其中對SRP釋放的影響最為明顯，相比底床未液化狀態(tài)，液化時SRP的釋放速率明顯提高。

(2)沉積物中無機氮的釋放受生物化學(xué)作用影響較大，在一定范圍內(nèi)動力擾動并不一定會增加無機氮的濃度，但土體液化對無機氮的釋放有明顯的促進作用。

(3)當?shù)状惨夯?，土體結(jié)構(gòu)喪失，大量泥沙顆粒涌入上覆水體，此時水體氮磷濃度與SS具有良好的相關(guān)性。