波浪作用下沉積物中氮、磷釋放速率的試驗(yàn)研究?

張嚴(yán)嚴(yán)， 房文艷， 許國輝??， 任宇鵬， 許興北

(1. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100; 3. 青島水德儀器有限公司，山東 青島 266100)

大量氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)物質(zhì)通過污水排放、地表徑流、大氣沉降等途徑進(jìn)入湖泊、海灣等緩流水體，會(huì)引起水體中藻類異常繁殖，造成水體的富營養(yǎng)化[1-4]。國際上一般認(rèn)為總氮(TN)濃度大于0.2 mg/L，總磷(TP)濃度大于0.02 mg/L是引起水體富營養(yǎng)化的臨界濃度[5]。大量的研究結(jié)果表明，沉積物既可成為N、P營養(yǎng)鹽的“匯”(吸附)，亦可成為N、P營養(yǎng)鹽的“源”(釋放)[5-7]。相對(duì)而言，沉積物中N、P營養(yǎng)鹽的內(nèi)源釋放是引起水體富營養(yǎng)化的重要原因[8-10]。

內(nèi)源污染現(xiàn)已成為全球性環(huán)境問題[11-12]。內(nèi)源性N、P等污染物質(zhì)可以通過沉積物固結(jié)排水、靜態(tài)擴(kuò)散和沉積物再懸浮等途徑重新進(jìn)入水體中，在波浪作用下極易引起表層沉積物的再懸浮而釋放污染物。極端天氣狀況下，波浪作用會(huì)引起更深層沉積物的液化[13-14]，導(dǎo)致來自更深層沉積物的再懸浮，引起沉積物中N、P營養(yǎng)元素的異常釋放，釋放量可以達(dá)到底床未液化狀態(tài)下的幾十倍[10,12,15]。

William等[16]采用原位觀測(cè)法對(duì)再懸浮過程中N、P濃度問題進(jìn)行了研究，但在極端天氣狀況下使用此方法會(huì)存在很大誤差。室內(nèi)試驗(yàn)采用振蕩格柵、環(huán)形水槽、波浪水槽、Y-型設(shè)備等對(duì)表層沉積物再懸浮過程中N、P濃度釋放規(guī)律開展了不少研究工作[17-20]，但對(duì)沉積物液化狀態(tài)下N、P濃度釋放規(guī)律最近才開始有研究[12,21-23]。Xu等[23]在考慮沉積物液化狀態(tài)下N、P釋放規(guī)律的試驗(yàn)中，由于靜置固結(jié)、加波未液化、加波液化3種狀態(tài)為連續(xù)試驗(yàn)，無法進(jìn)行釋放速率的計(jì)算。本文設(shè)計(jì)了可加模擬波浪的U型水槽試驗(yàn)，研究沉積物中TN、溶解性總氮(TDN)、TP、溶解性總磷(TDP)、活性磷酸鹽(SRP)在靜置固結(jié)、加波未液化、加波液化3種狀態(tài)下的釋放速率特征，研究結(jié)果將為在強(qiáng)烈波浪作用下湖泊、海灣中N、P在沉積物-水界面物質(zhì)遷移提供沉積物液化視角下的認(rèn)識(shí)，并對(duì)湖泊、海灣水體富營養(yǎng)化治理和環(huán)境變化及生態(tài)系統(tǒng)模型提供試驗(yàn)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的U型水槽由兩個(gè)小水槽拼裝而成，外側(cè)主體水槽長60 cm，寬30 cm，高75 cm，中間設(shè)有4道長33 cm，寬2 cm的固定板，用于固定內(nèi)部小水槽。主體水槽中間由長20 cm，寬26 cm，高33 cm的長方體小水槽分割成下部連通的AB兩側(cè)，由此組成一個(gè)U型水槽(見圖1)。外接傳動(dòng)裝置連接加壓板對(duì)水面施壓，形成兩側(cè)高低不同的水頭差(視為波高)，模擬波浪循環(huán)荷載作用(見圖2)。

(1-取水樣點(diǎn) Water sampleing point; 2-閥門 Valve; 3-氮磷層 N and P layer; 4-試驗(yàn)底床 Test bed; 5-懸沙取樣點(diǎn) SS Sampleing point; 6-沉積物柱狀樣 Sediment column; 7-橡膠管 Rubber tube; 8-電機(jī) Motor; 9-連接桿 Connection rod; 10-加壓板 F Compression plate.)

圖1 U型槽構(gòu)造示意圖

Fig.1 U-shaped groove structure diagram

圖2 U型槽實(shí)體圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)底床的制備 試驗(yàn)底床所用土是黃河三角洲淺海海域取回的河口沉積物，土的顆粒成分如表1所示，按照海洋調(diào)查規(guī)范(GB/T12763.8-2007)確定土樣為砂質(zhì)粉砂。

表1 試驗(yàn)土體成分

制備試驗(yàn)底床時(shí)，參考孫振紅等[12]的試驗(yàn)，將19.7 g磷酸二氫鉀(KH2PO4)、12.0 g氯化銨(NH4Cl)、10.7 g硝酸鈉(NaNO3)、12.0 g亞硝酸鈉(NaNO2)配制成一定濃度的N、P溶液，然后向攪拌機(jī)中加入6.23 kg的土樣，將配制的N、P溶液分多次倒入土樣中，制成一定稠度的泥漿(含水率34%左右，含TP 0.80×10-3μmol/L、含TN 1.30×10-3μmol/L)。將配置好的含N、P營養(yǎng)鹽的泥漿靜置多天備用。同時(shí)制備含水率為34%左右的均質(zhì)普通泥漿。

將普通泥漿緩慢放置到水槽的底床部位，當(dāng)沉積物底床高度達(dá)到24 cm時(shí)，再將高濃度營養(yǎng)鹽泥漿轉(zhuǎn)移到水槽中，使得N、P沉積層的厚度為2.0 cm，最后繼續(xù)鋪設(shè)普通泥漿4 cm，直至沉積物底床總高度達(dá)到30 cm。每一個(gè)工況的試驗(yàn)底床均為重新塑造，并且是完全相同的。

1.2.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)與取樣 整個(gè)波浪水槽試驗(yàn)分為3個(gè)狀態(tài)：靜置固結(jié)狀態(tài)(Ⅰ)、加波未液化狀態(tài)(Ⅱ)、加波液化狀態(tài)(Ⅲ)，其中狀態(tài)Ⅱ和狀態(tài)Ⅲ模擬波浪又分為3種不同波浪工況(見表2)。每種工況均重新制備相同的底床進(jìn)行試驗(yàn)。

狀態(tài)Ⅰ：制備好底床后，靜置3天，然后加自來水至水深30 cm。其后在7天時(shí)間里，每天取樣監(jiān)測(cè)營養(yǎng)鹽濃度的變化。在沉積物底床上方15 cm，距邊壁10 cm 的地方取50 mL水樣，測(cè)定水樣中TN、TP、TDN、TDP、SRP濃度及含沙量。

狀態(tài)Ⅱ：制備好底床后，用5 cm厚的透水沙袋預(yù)壓固結(jié)3天。然后取出沙袋，底床高度下降為28 cm。加水至水深30 cm。水體在1 min內(nèi)穩(wěn)定后即取樣，取樣時(shí)間記為0時(shí)刻。打開電機(jī)推動(dòng)加壓板造波，模擬2、6和10 cm 3個(gè)不同波高的波浪作用，每個(gè)波況作用時(shí)間為180 min。在10、20、40、60、90、120和180 min 時(shí)取水樣，取樣與狀態(tài)I的取樣位置相同。在取水樣的同時(shí)用懸浮物取樣器取得含沙渾水。該試驗(yàn)結(jié)束后，在取水樣點(diǎn)的正下方處，用自制沉積物取樣器取16 cm柱狀樣。

狀態(tài)Ⅲ與狀態(tài)Ⅱ過程大致相同，但打開電機(jī)后，需要通過人為擾動(dòng)的方式破壞土體結(jié)構(gòu)，在發(fā)現(xiàn)土體有破壞趨勢(shì)時(shí)即停止擾動(dòng)。隨后對(duì)水體施加動(dòng)水頭差作用。波浪參數(shù)與作用時(shí)間與狀態(tài)Ⅱ相同；水樣、含沙渾水體以及土樣的取樣位置與方法也相同。

表2 試驗(yàn)工況表

Note:①Test condition;②Bed height;③Water deph;④Wave height;⑤Period;⑥Static consolidation;⑦Non-liquefacion;⑧Liquefaction.

1.3 分析測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理

采用島津紫外-可見分光光度計(jì)UV-2550和K9840式凱氏自動(dòng)定氮儀，依據(jù)國標(biāo)GBT12763.4—2007海洋調(diào)查規(guī)范，使用堿性過硫酸鉀氧化法測(cè)定TN、TP(檢測(cè)限分別為3.78和0.05 μmol/L)；堿性過硫酸鉀氧化法測(cè)定TDN(方法檢測(cè)限為3.78 μmol/L),過硫酸鉀氧化法測(cè)定TDP(方法檢測(cè)限為 0.05 μmol/L)?？箟难徇€原磷鉬藍(lán)法測(cè)定SRP(方法檢測(cè)限為0.02 mol/L)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水體含沙量變化規(guī)律

相同波浪作用下，狀態(tài)Ⅲ水體中懸沙量均大于狀態(tài)Ⅱ，并且各狀態(tài)中的SS都隨波高的增大而增加，并且增加到一定程度后均呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(shì)(見圖3)。狀態(tài) Ⅱ中SS濃度變化范圍為0.02～70.13 g/L，狀態(tài)Ⅲ為0.7～75.89 g/L；水動(dòng)力作用增強(qiáng)會(huì)引起沉積物泥沙懸浮量增加。在狀態(tài)Ⅲ，細(xì)顆粒泥沙還會(huì)隨著孔隙水振蕩析出進(jìn)入上覆水體中，直接影響水體中N、P的濃度。

2.2 水體中營養(yǎng)鹽濃度變化規(guī)律

2.2.1 TN及TDN濃度變化規(guī)律 三個(gè)狀態(tài)中的TN濃度都表現(xiàn)出隨時(shí)間而增加的趨勢(shì)，在增加到一定程度后都有趨于穩(wěn)定的跡象，在狀態(tài)Ⅲ時(shí)，增加幅度特別大，其次為狀態(tài)Ⅱ(見圖4)。其中狀態(tài)Ⅰ中TN濃度變化范圍為0.16～1.15 mg/L；狀態(tài)Ⅱ?yàn)?.02～1.42 mg/L；狀態(tài)Ⅲ為0.39～2.00 mg/L。

TDN在三個(gè)狀態(tài)的變化趨勢(shì)及濃度范圍與TN基本相似(見圖4)，都呈現(xiàn)出隨著波浪作用增強(qiáng)而增加的趨勢(shì)，且都隨著時(shí)間增加而漸漸趨于穩(wěn)定。狀態(tài)Ⅲ下TDN的濃度遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)狀態(tài)。相比TN釋放濃度的穩(wěn)定增長，TDN的釋放濃度變化波動(dòng)性更強(qiáng)烈,這可能是由于吸附在固體顆粒上的溶解性N會(huì)沉降到固體表面，或者被微生物分解為氣體而逸出。其中狀態(tài) Ⅰ的TDN濃度變化范圍為0.26～1.22 mg/L；狀態(tài)Ⅱ?yàn)?.06～1.45 mg/L；狀態(tài)Ⅲ為0.38～2.03 mg/L。

圖3 加波未液化(Ⅱ)和加波液化(Ⅲ)狀態(tài)水體含沙量隨時(shí)間變化

圖4 靜置固結(jié)(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同水頭差作用下TN、TDN濃度隨時(shí)間變化

2.2.2 TP及TDP濃度變化規(guī)律 狀態(tài)Ⅰ中TP的濃度波動(dòng)劇烈，可能是在取樣過程中對(duì)水體造成擾動(dòng)，而底床未經(jīng)歷固結(jié)壓實(shí)，擾動(dòng)引起少量細(xì)顆粒進(jìn)入水體，當(dāng)取樣結(jié)束后，土體顆粒又慢慢沉降，在此過程中，顆粒物表面存在著吸附-解析作用，從而影響水體中TP的含量。狀態(tài)Ⅱ水體中TP的濃度隨著時(shí)間的增加緩慢增加，但在波高大的波浪作用時(shí)濃度會(huì)趨于穩(wěn)定。在狀態(tài)Ⅲ時(shí)，TP的濃度隨著波浪的增大而增大，且相同波浪作用下TP濃度均大于狀態(tài)Ⅱ，但在波高大的波浪作用時(shí)，TP濃度反而有降低的趨勢(shì)(見圖5)。其中狀態(tài)Ⅰ的TP濃度變化范圍為0.21～0.91 mg/L；狀態(tài) Ⅱ?yàn)?.04～1.55 mg/L；狀態(tài)Ⅲ為0.11～1.78 mg/L。

圖5 靜置固結(jié)(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同水頭差作用下TP、TDP濃度隨時(shí)間變化

TDP在三個(gè)狀態(tài)的變化趨勢(shì)及濃度范圍與TD基本相似(見圖5)。三個(gè)狀態(tài)中的TDP濃度都表現(xiàn)出隨時(shí)間而增加的趨勢(shì)。其中狀態(tài)Ⅰ的TDP濃度變化范圍為0.09～0.45 mg/L；狀態(tài)Ⅱ?yàn)?.03～1.65 mg/L；狀態(tài)Ⅲ為0.09～1.86 mg/L。

2.2.3 SRP濃度變化規(guī)律 狀態(tài)Ⅰ水體中SRP的濃度緩慢增加。狀態(tài)Ⅱ水體中SRP的濃度也隨著時(shí)間的增加先增加后降低。在狀態(tài)Ⅲ中，SRP的濃度隨著波浪的增大而增大，且相同波浪作用下SRP濃度均大于狀態(tài)Ⅱ，但在波高大的波浪作用時(shí)，SRP濃度反而降低(見圖6)。其中狀態(tài)Ⅰ的SRP濃度變化范圍為0.17～0.43 mg/L；狀態(tài)Ⅱ?yàn)?.005～2.48 mg/L；狀態(tài)Ⅲ為0.23～3.47 mg/L。

圖6 靜置固結(jié)(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同水頭差作用下SRP濃度隨時(shí)間變化

3 分析與討論

營養(yǎng)鹽從沉積物中釋放進(jìn)入水體的釋放速率，用水體中測(cè)試獲得的營養(yǎng)鹽濃度隨時(shí)間的變化，根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

其中：V為釋放速度(mg·m-2·min-1)； 0.05 為所取水樣的體積；Cn，Cn-1分別為第n次、第n-1次采樣時(shí)所測(cè)得的某物質(zhì)含量(mg·L-1)，0.18代表底床面積；tn，tn-1為第n次、第n-1次采樣時(shí)的時(shí)間(min或者d)。

通常，營養(yǎng)鹽釋放隨時(shí)間的變化在相同的外部條件下，應(yīng)該具有相對(duì)穩(wěn)定的過程，但水體中營養(yǎng)鹽測(cè)試數(shù)據(jù)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差影響，會(huì)有波動(dòng)，所以計(jì)算速率時(shí)，采用濃度隨時(shí)間變化的擬合趨勢(shì)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算，得到營養(yǎng)鹽平均釋放速率的擬合方程。每一種營養(yǎng)鹽在不同狀態(tài)下的濃度及釋放速率隨時(shí)間變化的擬合方程見附錄1。每個(gè)波況及土體狀態(tài)下的N、P營養(yǎng)鹽濃度釋放速率與時(shí)間的關(guān)系符合e的負(fù)指數(shù)次方函數(shù)的變化趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)R2值在0.847～0.999范圍內(nèi)，平均R2為0.990(TP在狀態(tài)Ⅰ時(shí)所受干擾較大，因此不計(jì)入統(tǒng)計(jì)中)。

3.1 TN、TDN釋放速率

TN和TDN在濃度和平均速率變化方面具有很強(qiáng)的相似性(見圖7)，兩者在三個(gè)狀態(tài)中的濃度都是不斷增加的，且增加速率不斷降低；在狀態(tài)Ⅲ時(shí)變化幅度最大，其次為狀態(tài)Ⅱ。狀態(tài)Ⅲ與狀態(tài)Ⅱ相比，高低水頭差下的營養(yǎng)鹽釋放速率變化差異更加明顯。

在狀態(tài)Ⅰ時(shí)并沒有施加任何水動(dòng)力作用，因此濃度的增加是由含N營養(yǎng)鹽自身的靜態(tài)擴(kuò)散導(dǎo)致的[24]，除此之外，靜置狀態(tài)的土體在自重應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生固結(jié)，土顆粒被壓縮，由于水槽中只有水土交界面是透水界面，因此孔隙水不斷向上排出，相應(yīng)地引起了上覆水體中N素濃度的增加[25]。

圖7 靜置固結(jié)(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同水頭差作用下TN、TDN的平均釋放速率隨時(shí)間變化

在狀態(tài)Ⅱ，TN和TDN的濃度都表現(xiàn)出了明顯的隨擾動(dòng)作用增強(qiáng)而增加的趨勢(shì)，釋放速率也隨著波浪的增強(qiáng)而增加。施加波浪作用后，土床內(nèi)會(huì)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[26-27]。水體中的懸浮物攜帶一部分銨鹽進(jìn)入水體，對(duì)于水體中TN和TDN的增加有重要貢獻(xiàn)[28]。

狀態(tài)Ⅲ中TN和TDN在每一波浪作用下的釋放速率也是隨著時(shí)間增加而逐漸降低，但并沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律，反而是在土床液化后急劇下降，液化回返后釋放速率趨于穩(wěn)定，而且波高10 cm波浪作用后期的釋放速率比波浪小的情況下更小。這可能是由于液化時(shí)土體結(jié)構(gòu)被破壞，液化土層的孔隙水壓力減小而液化土層下部土體內(nèi)的孔隙水壓力卻不斷增加[29]，這就造成了上下兩層之間的孔隙水壓力差增加，滲流作用增強(qiáng)，高濃度含N孔隙水排出速度更快，直觀表現(xiàn)為最開始水體中N的釋放速率非常大。但下層孔壓的積累速率并不是恒定的，因此液化發(fā)展到一定深度就不再向下發(fā)展，反而開始回返，即液化沉積過程[30]。在液化沉積階段土體強(qiáng)度增大,土層變得異常堅(jiān)硬，孔隙體積減小[31]，此時(shí)再施加與液化回返前相同的水動(dòng)力作用，孔隙水的排出速率甚至?xí)葼顟B(tài)Ⅱ更慢，因此水體中TN和TDN的增加速率非常小。

3.2 TP、TDP、SRP釋放速率

P的釋放規(guī)律在總體上依舊滿足無動(dòng)力、動(dòng)力施加但土體不液化以及動(dòng)力施加但土體液化時(shí)的釋放規(guī)律(見圖8)。在狀態(tài)Ⅰ中，SRP、TDP的釋放速率都表現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但濃度是隨著時(shí)間增加而增加的。與狀態(tài)Ⅰ相比，狀態(tài)Ⅱ中P的釋放速率的變化更為明顯，狀態(tài)Ⅲ時(shí)P的釋放速率變化更為劇烈。狀態(tài)Ⅲ與狀態(tài)Ⅱ相比，高低水頭差下的營養(yǎng)鹽釋放速率變化差異更加明顯。

在狀態(tài)Ⅱ時(shí)，2和6 cm水頭差的作用下，P的平均釋放速率基本都接近于零，這說明當(dāng)動(dòng)力擾動(dòng)不夠強(qiáng)時(shí)，沉積物對(duì)P的吸附作用要大于或等于其釋放作用，從而導(dǎo)致了P的平均釋放速率小于或接近于0。而在狀態(tài)Ⅲ時(shí)，特別是在波高10 cm的波浪作用下，上覆水體中SS濃度大幅增加，上覆水體與SS的接觸面積增大，在波浪作用下，SS與上覆水體間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的物質(zhì)交換，這都會(huì)引起水中TP、TDP和SRP濃度的顯著增加，短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到峰值。此時(shí)TP、TDP和SRP的平均釋放速率有一部分為負(fù)，沉積物對(duì)P的遷移起到吸附作用，即土體顆粒通過吸附或沉降將水體中的P又帶回沉積物。

本試驗(yàn)總體上來講，在特定的波況條件下，營養(yǎng)鹽釋放速率(V)取決于水中營養(yǎng)鹽初始濃度(C0)、沉積物背景值(C)、懸沙濃度(Css)、時(shí)間/周期(t/T)以及水深/波高(h/H)。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)V與C0、C/C0和t/T呈指數(shù)關(guān)系，而與t、h/H和Css呈e指數(shù)關(guān)系；大致上V與C0、C/C0、h/H呈正相關(guān)，與t呈負(fù)相關(guān)，與Css的相關(guān)性要以特定的條件和營養(yǎng)鹽進(jìn)行具體分析。在本試驗(yàn)中，還存在其他不確定的干擾因素，因此目前還不能得到一個(gè)完整的營養(yǎng)鹽釋放速率的經(jīng)驗(yàn)公式。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)研究波浪作用下沉積物中N、P的釋放機(jī)制、動(dòng)力學(xué)問題以及釋放速率與各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，以期建立一個(gè)適用于多種條件下的沉積物中營養(yǎng)鹽釋放速率的經(jīng)驗(yàn)公式。

圖8 靜置固結(jié)(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同水頭差作用下TP、TDP、SRP的平均釋放速率隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

(1) 在試驗(yàn)的各個(gè)波況及土體狀態(tài)條件下，沉積物中N、P營養(yǎng)鹽濃度釋放速率與時(shí)間的關(guān)系符合e的負(fù)指數(shù)次方函數(shù)的變化趨勢(shì)。

(2) 沉積物中TN和TDN的釋放速率會(huì)隨著水動(dòng)力作用的增強(qiáng)而增加；TP、TDP和SRP的釋放速率也隨著水動(dòng)力作用增強(qiáng)而增加，但水體中SS含量過高會(huì)限制其釋放速率。

(3) 在不施加任何動(dòng)力作用時(shí)，N、P的釋放主要依靠自重固結(jié)和擴(kuò)散作用；土床未液化時(shí)，N、P的釋放速率隨水動(dòng)力作用增強(qiáng)，動(dòng)力固結(jié)排水作用增強(qiáng)，釋放速率不斷增加，土床液化時(shí)釋放速率變化較為劇烈。