由河道輸入太湖的含營養(yǎng)鹽泥沙攔截試驗

何翔宇,燕文明,吳挺峰,楊騰騰,胡潤濤

由河道輸入太湖的含營養(yǎng)鹽泥沙攔截試驗

何翔宇1,2,燕文明1*,吳挺峰2,楊騰騰2,胡潤濤2

(1.河海大學,水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

在太湖主要入湖河道大浦港河口構建了泥沙攔截槽,結合泥沙沉降觀測,分析利用泥沙攔截槽削減經由河道輸入太湖的外源性泥沙及營養(yǎng)鹽的可行性.結果表明:攔沙槽可以有效收集外源懸浮泥沙及其攜帶的氮磷污染物.攔沙槽以平均-33.99m3/月的速率淤積,其中在夏秋季淤積較快,最大單月沉降量達到66.34m3,在2020年7月～2021年6月內共收集了淤泥407.89m3,總氮236.91kg,總磷36.46kg.攔沙槽收集的泥沙和營養(yǎng)鹽主要來源于太湖流域湖西片區(qū),湖心站沉降的泥沙和營養(yǎng)鹽則主要來源于本地底泥再懸浮,相關性分析表明攔沙槽對于總磷的攔截能力優(yōu)于總氮.據此,建議在沿入湖河道最密集的太湖西岸的濱岸帶開挖攔沙槽, 在對太湖各項功能影響最小的前提下,每年可有效減少外源性泥沙輸入并降低湖泊氮磷負荷,為太湖控制外源泥沙污染物提供新的治理手段,助力太湖富營養(yǎng)化問題的解決.

攔沙槽；外源泥沙；沉降筒；總氮；總磷

受氣候變化和人類活動的影響,湖泊富營養(yǎng)化問題愈演愈烈[1-2].據調查,我國60%～70%的湖泊正遭受著不同程度的富營養(yǎng)化困擾[3-4].富營養(yǎng)化問題歸根結底是過量外源性營養(yǎng)鹽輸入湖泊,并在湖泊水體和表層沉積物中過量富集導致[5].泥沙在湖泊富營養(yǎng)化過程中扮演著重要角色,可通過吸附,絮凝,沉降等作用收集營養(yǎng)鹽[6],在水流搬運作用下進入湖泊,直接加劇湖泊水體富營養(yǎng)化,同時也可通過沉降作用進入表層淤泥,增大內源性營養(yǎng)鹽釋放風險[7-8].

防控湖泊泥沙淤積的主要策略是削減現(xiàn)存量和減少增量.目前,削減現(xiàn)存量的有效手段是底泥疏浚,已被廣泛應用于太湖,滇池和巢湖等富營養(yǎng)化湖泊治理中[9-11].減少增量則是通過干擾流域泥沙產匯途徑實現(xiàn),包括增大植被覆蓋度,減少土壤侵蝕[12],革新農業(yè)管理方式[13]和提高雨污治理效率[14]等.上述措施對于從源頭上減少入湖泥沙污染物行之有效,但存在治理目標分散,作業(yè)面廣和治理成本高等問題.相對而言,局部地形改造是一種更具針對性的入湖泥沙污染物治理措施.該方法通過改造局地地形地貌,增大泥沙在局部水域淤積量,利于減小疏浚作業(yè)面積,緩解整個湖泊環(huán)境壓力[15],例如興建前置庫及河口濕地[16].然而,這些促淤技術需要侵占大量水面或湖容,也面臨著植被類型差異及植物的生長周期交替導致效果難以保障的困境,同時對有著航運和泄洪需要的河道造成不便,對于有著多種功能的大型湖泊而言,技術應用受到限制.

利用湖底溝槽清除污染物已作為新方法在巢湖展開應用,并取得良好效果[17].基于這種局部地形改造的思路,本文以遭受嚴重富營養(yǎng)化危害的太湖為研究對象,在不侵占太湖水面和湖容的前提下,在入太主要河道與湖泊交匯區(qū)湖床上建設泥沙攔截槽開展泥沙污染物攔截試驗,結合多站點泥沙污染物沉降對比觀測,定量評估泥沙攔截槽攔截外源性泥沙和營養(yǎng)鹽負荷的能力,以論證此技術在太湖富營養(yǎng)化防控中的可行性.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

太湖位于長江三角洲核心區(qū),水面積2338km2,平均水深1.9m,是一個大型淺水湖泊.流域內水系發(fā)達、河網密布,環(huán)湖有228條河道相連通,稠密的水網不僅為湖泊提供了充足的水量,也將流域內水沙污染物輸送到太湖.研究表明,外源性氮和磷對太湖貢獻率分別達到71%和64%[18].湖西地區(qū)是太湖外源性營養(yǎng)鹽負荷的主要輸出區(qū)域之一,而直接受納湖西地區(qū)水沙污染負荷的西太湖則是太湖淤泥的主要分布區(qū),也是沉積物營養(yǎng)鹽含量的高值區(qū)[6].在內源釋放和外源輸入的雙重影響下,西太湖成為太湖富營養(yǎng)化最為嚴重的水域,每年4～10月頻繁暴發(fā)藍藻水華.大浦港是西太湖主要的入湖河流之一,其入湖氮、磷通量也居環(huán)湖河道前列[19].本文在大浦港河口開展泥沙攔截槽削減外源性泥沙和營養(yǎng)鹽負荷試驗,探索通過改造局地地形(攔沙槽)減少湖泊外源泥沙污染物的可行性.

1.2 攔沙槽構建與監(jiān)測

在距大浦港河口主航道以北100m,距湖岸200m處構建攔沙槽用于泥沙攔截試驗(圖1).攔沙槽為開口長方形(長40m,寬21m)的倒置四棱臺,槽身長邊平行岸線,槽深2.5m,坡度2:1.攔沙槽建設完工2周后的2020年7月14日開展第一次地形測量,使用聲學多普勒流速剖面儀(Sontek,M9, USA)測量泥沙攔截槽及其周圍的水下地形,獲取經緯度坐標和槽深數據集.記錄測量點位和路徑,此后的1a內(2020年7月14日～2021年6月15日),以此方法每月對攔沙槽地形進行測量,記錄攔沙槽淤積過程.

圖1 泥沙沉降觀測站位置及攔沙槽示意

1.3 泥沙沉降觀測

為評估攔沙槽對外源性懸浮泥沙的攔截潛力,分別設置3個泥沙沉降觀測站(大浦港站、攔沙槽站和湖心站,圖1),同步觀測泥沙攔截試驗期間3個觀測站處水體濁度變化情況和每月泥沙沉降通量.濁度控制器(HN-Z6-I,藍長集團,中國)的傳感器安裝于水面以下1m深度處,分辨率為0.1NTU,采樣時間間隔0.5h.采用沉降筒法對泥沙沉降通量進行觀測[20],沉降筒由一段底面封閉.頂部開口的有機玻璃管制成,其內徑和深度分別為4.5cm和30cm.在每個泥沙沉降觀測站垂直布設兩層沉降筒,上層沉降筒位于水氣界面以下50cm處,下層沉降筒則被懸掛于沉積物-水界面以上50cm處,每層設置3個平行沉降筒.

在泥沙攔截槽完工后的1a內,每月對沉降筒內的沉積物樣品進行收集.采樣時,先用采水器采集沉降筒所在水層的水樣,再量取每個沉降筒內的水深和泥深,最后收集沉降筒內的泥水混合物.所取水樣和泥樣均存放于聚乙烯瓶內,冷藏,送至中科院南京地理與湖泊研究所太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站實驗室檢測,檢測項目包括總氮(TN)、總溶解性氮(TDN)、總磷(TP)、總溶解性磷(TDP)及固體懸浮物(SS).

此外,中國科學院南京地理與湖泊研究所太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站提供了2020年7月1日～2021年6月30日的逐日降水和逐日風速數據.

1.4 樣品的實驗室測試

樣品分析方法參照《湖泊生態(tài)調查觀測與分析》[21].將所采集的泥沙沉積物水溶液混合均勻后,取60mL混合樣品以3000r/min的轉速離心,將上清液和底物分離,在105～110℃環(huán)境下將底物干燥至恒重,記錄質量,并計算沉積物質量.另取沉積物放入凍干機,48h后取出,將凍干樣品研磨至過100目網篩,稱取20mg研磨樣品,溶解于堿性過硫酸鉀溶液,在0.1～0.15MPa壓力下保持120℃消解1h,靜置過夜后取上清液,用分光光度法測定TN,TP,TDN和TDP含量,最后計算日沉降速率用于分析.

1.5 統(tǒng)計分析

通過Arcgis10.2將M9采集的地形數據坐標系轉換為UTM 50坐標系,將轉換好的地形數據導入SMS8.0(Surface water modeling system Inc., USA)中,采用克里金插值法繪制攔沙槽區(qū)域等深線圖;最后將SMS8.0輸出的三角網格數據輸入Tecplot 360EX (Tecplot Inc., USA)繪制三維地形圖,并計算容積.采用皮爾遜相關分析和方差分析對沉降筒內泥沙沉降量的變化過程和濁度變化過程進行相關性分析和差異性檢驗(<0.05為顯著,<0.01為極顯著),回歸分析用于攔沙槽的容積變化趨勢分析,相關操作均在SPSS.25(IBM SPSS, USA) 中完成.Origin 2017 (OriginLab Co., USA)對數據進行繪圖.

2 結果與分析

2.1 氣象與濁度特征

泥沙攔截實驗期間,流域內總降水量為1241.4mm,日最大降水量102.2mm(2020年7月6日).降水的年變化顯示(圖2),月降水量7月最大(485.8mm),12月最小(14mm).年平均風速(10min)為2.48m/s,最大風速(10min)為19.23m/s(2021年5月14日).月均風速(10min)在2021年3月最大(3.07m/s),2020年9月最小(1.7m/s),其中日極大風速大于7m/s的頻率達到72.6%(圖3).風向發(fā)生頻率統(tǒng)計結果表明,7月,9月,10月,11月,1月,2月盛行東北風,8月,4月,5月,6月盛行東南風,12月和3月主導風向分別為北和東.

圖2 研究區(qū)流域內降水過程

圖3 研究區(qū)內日極大風速變化過程

除儀器故障而導致部分數據缺測外,泥沙攔截實驗期間,大浦港站與湖心站水體濁度無顯著相關性(>0.05),變化過程存在顯著差異(<0.01,圖4),大浦港站水體濁度在7月～次年1月較高,之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定.湖心站水體濁度變化曲線波動劇烈,高濁度時期發(fā)生在12月～次年3月間.

圖4 2020年7月～2021年6月攔3站水體濁度變化過程

2.2 攔沙槽泥沙沉積的月度變化特征

盡管水下施工具有不確定性,但是建成的攔沙槽形狀與設計形態(tài)較為相似(圖5).剛建成的(2020年7月14日)攔沙槽呈倒棱臺狀,深度為2.2m,長度35m,寬度18m,容積為592.63m3.觀測期間,2月,5月缺少監(jiān)測船導致攔沙槽監(jiān)測中斷,其余時段正常觀測.攔沙槽深度以平均-0.156m/月的速度減小.攔沙槽形狀變化逐月監(jiān)測結果顯示(圖6),在淤積作用下,槽坡度逐漸減小,由深槽變?yōu)闇\扁形槽體.泥沙攔截試驗期間,攔沙槽容積以-33.99m3/月的速度遞減到次年6月的184.74m3.遞減速率具有隨時間減小的趨勢(=664.02e-0.105x,2=0.9973).其中,攔沙槽容積縮減最快速度出現(xiàn)在9～10月,單月最大縮減速度達到-66.34m3/月.隨著攔沙槽不斷淤淺,槽內泥沙沉降速率和沉降量也逐漸減少.

2.3 沉降筒中泥沙沉降量

2021年4月湖心處沉降筒因魚落筒而導致筒內無泥沙沉降,數據丟失,其余時段大浦港,攔沙槽和湖心處沉降筒中泥沙沉降結果見表1. 3個站點的上層沉降筒內泥沙的月平均沉降深度分別為9.79, 4.95和2.62cm,其中攔沙槽,大浦港站沉降筒內泥沙每月沉降量均大于湖心站;而3站下層沉降筒內泥沙月平均沉降分別為11.57, 9.56和4.63cm.此外,攔沙槽內沉降泥沙的月均積累厚度大于攔沙槽站上層或下層沉降筒內每月平均沉降厚度.

圖5 2020年7月～2021年6月攔沙槽容積變化(其中2月、5月為擬合曲線計算理論值)

圖6 2020年7月～2021年6月攔沙槽形狀變化

表1 3個觀測站沉降筒內每月泥沙沉降厚度及對應的攔沙槽淤積厚度(cm)

泥沙沉降結果顯示(圖7),攔沙槽站和大浦港站的上層沉降筒內泥沙最大沉降速率分別為2.2和1.08g/d,均出現(xiàn)在10月;最小沉降速率為0.31和0.17g/d,均出現(xiàn)在11月;11月后3站沉降筒內泥沙沉降速率均出現(xiàn)上升.上層水體中的泥沙沉降速率均值分別為大浦港站(1.19±0.11)g/d>攔沙槽站(0.75±0.08)g/d>湖心站(0.45±0.08)g/d.3站下層沉降筒內泥沙沉降速率變化過程與上層沉降筒實驗結果相似,但下層流速較緩,沉降速率較上層有明顯提升,平均沉降速率分別為(2.05±0.27),(1.75±0.24)和(1.09±0.35)g/d.

圖7 2020年7月-2021年6月3個觀測站水體SS沉降速率變化

2.4 沉降筒中氮、磷沉降量

泥沙攔截實驗期間,大浦港站,攔沙槽站和湖心站上層沉降筒內TN沉降速率均值分別為(2.65±0.20), (1.74±0.13)和(1.28±0.21) mg/d(圖8a).大浦港站,攔沙槽站和湖心站上層沉降筒內TN沉降速率最大值分別出現(xiàn)在6月,7月和7月.3站下層沉降筒內TN沉降速率均值分別為(4.25±0.49),(3.88±0.55)和(1.63±0.22) mg/d(圖8b).大浦港站和攔沙槽站下層沉降筒內TN沉降速率較上層沉降結果有所上升,湖心站的TN沉降速率沿垂向無明顯增幅.大浦港站,攔沙槽站和湖心站上層沉降筒內泥沙的TDN占比分別為9.39%, 7.88%,11.52%,下層沉降筒內泥沙的TDN占比分別為6.24%,6.06%,8.85%.垂向分布上,上層沉降筒沉降泥沙中TDN含量高于下層;水平分布上,湖心站沉降泥沙中的TDN含量高于其他兩站.相關性分析結果表明:攔沙槽站和大浦港站的上層沉降筒內TN沉降速率呈顯著相關(2=0.714,<0.05),下層沉降筒內TN沉降速率呈極顯著相關(2=0.799,<0.01).

圖8 2020年7月～2021年6月3個觀察站水體TN沉降速率變化

圖9 2020年7月-2021年6月3個觀測站水體TP沉降速率變化

觀測期間TP的沉降速率如圖9所示,大浦港站,攔沙槽站和湖心站上層沉降速率均值分別為(0.76±0.10),(0.37±0.04)和(0.17±0.03) mg/d,大浦港站和湖心站最大沉降速率均出現(xiàn)在6月,攔沙站為5月.下層中大浦港站,攔沙槽站和湖心站的沉降速率變化過程與上層相似,沉降速率均有增幅,分別為(1.21±0.16),(0.90±0.17)和(0.31±0.10)mg/d.TDP沉降量占比與TDN相比更少,大浦港站,攔沙槽站,湖心站分別為上層0.87%,0.94%,1.61%;下層為0.9%, 1.22%,2.28%.同時,相關分析表明,大浦港站沉降筒內TP沉降量與攔沙槽站TP沉降量具有極顯著正相關(2=0.941,<0.01,2=0.942,<0.01),而湖心站與二者并無明顯相關性.

3 討論

自2020年7月～2021年6月內,攔沙槽收集了泥沙407.89m3,TN236.91kg、TP36.46kg,形狀由深槽向淺槽轉變.沉降筒實驗結果表明,攔沙槽內的泥沙沉積高度大于其上方沉降筒沉積高度.三個觀測站中,大浦港站和攔沙槽站泥沙沉降量較多,其中下層沉降筒有著更高的泥沙沉降量以及氮磷含量,所沉降泥沙中溶解性氮磷含量均較低.

攔沙槽收集泥沙主要來自于大浦港河道,多分布于下層水體.在河口與湖泊交匯區(qū)域,河水與湖體強烈的能量互換過程和湖體內動力的衰減是使得懸浮物絮凝沉降的重要原因,因而入湖河口區(qū)也是不同來源懸浮物沉降的主要區(qū)域[6].觀測結果顯示攔沙槽站泥沙沉降速率與大浦港站泥沙沉降速率呈顯著正相關(上層2=0.882,<0.01;下層2= 0.862,<0.01),且大浦港站水體濁度高值期對應于攔沙槽淤積速率最快時段.這說明攔沙槽站所沉降泥沙與大浦港處沉降的泥沙具有相同來源,均是由大浦港河道輸入的湖西地區(qū)產生的水沙污染物[6,22].同時,下層水體中泥沙沉降量大于上層,這是因為下層水體流速相對較慢,更利于沉降.而湖心站泥沙沉降速率與其他兩站的泥沙沉降速率均無顯著相關性,且其水體濁度變化過程與風速變化過程呈顯著正相關(<0.05).這表明湖心站水體濁度變化主要受到風浪影響,沉降筒中收集物主要為風浪侵蝕懸浮的本地泥沙[23].

在收集外源泥沙的同時,攔沙槽對于外源性氮磷營養(yǎng)鹽也有著滯留作用.相關性分析表明攔沙槽站和大浦港站的沉降筒內TN,TP呈顯著正相關(<0.05),攔沙槽所沉降氮磷來源于大浦港河道輸入.攔沙槽的應用降低了氮磷進一步遷移擴散的可能,減小其釋放風險.此外,大浦港站與攔沙槽站水體TP的沉降速率相關系數大于水體TN的沉降速率相關系數,攔沙槽對于磷的攔截效果高于氮.究其原因,磷的化學活潑性要低于氮,其形成的化合物溶解性較低,磷多以顆粒態(tài)的形式存在[24],易于在水動力滯緩的河口區(qū)發(fā)生沉降;反之,氮的化合物易溶于水,可以隨水流作長距離遷移,不易在河口發(fā)生沉降[25].

除了懸浮泥沙外,攔沙槽還能收集高流動性湖相淤泥.研究的觀測結果顯示,研究時段內,攔沙槽內泥沙沉積高度(約5.2cm/d)大于沉降筒內泥沙沉降高度(約3.5cm/d).這是因為,太湖表層底泥屬于高含水細顆粒淤泥,具有很強的流動性,易于在湖體內力推動下匯入攔沙槽[17].此外,需要指出的是對攔沙槽及時疏浚是非常必要的.這不僅能夠增大攔沙槽的容積,減少風浪引起的侵蝕懸浮,還降低了攔沙槽所在水域發(fā)生內源氮磷污染釋放風險.基于以上試驗和分析,攔沙槽既可以有效對外源輸入泥沙及營養(yǎng)鹽進行攔截沉降,也可以收集湖泊表層流動性淤泥,有效防控淺水湖泊富營養(yǎng)化.

4 結論

4.1 攔沙槽自2020年7月至2021年6月內,總計收集了泥沙407.89m3,TN 236.91kg,TP 36.46kg.在夏秋季高濁度時期,沉降量更多,最大單月沉降量達66.34m3.

4.2 在流速更低的下層水體中,泥沙及營養(yǎng)鹽沉降效果更好,其中對于磷的攔截沉降效果優(yōu)于氮. 除沉降外源懸移泥沙外,攔沙槽亦收集湖底表層強流動性底泥.

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Interception experiment of nutrient-laden cohesive sediment imported from river channel into Lake Taihu.

HE Xiang-yu1,2, YAN Wen-ming1*, WU Ting-feng2, YANG Teng-teng2, HU Run-tao2

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China；2. Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)., 2022,42(4)：1854～1860

The sediment trap experiment was conducted at the estuary of Dapu River to study the feasibility of using sediment trap to reduce the exogenous sediment and nutrients into Lake Taihu. The results showed that the sediment trap could effectively collect the exogenous sediment and the nutrients carried by the river. The sediment trap was deposited at an average rate of -33.99m3/month, and the maximum monthly sedimentation (66.34m3) appeared in September. The annual-averaged collection of suspended solids, total nitrogen, and total phosphorus were 407.89m3, 236.91kg, 36.46kg, respectively. The sediment and nutrients collected by the sediment trap mainly came from the Dapu River, which mainly came from locals in the center observation station. Correlation analysis showed that the sediment trap’s intercepting capacity for total phosphorus was better than that of total nitrogen. Therefore, this paper proposed to excavate sediment traps along the shoreline of the west bank of Lake Taihu, where the estuaries were the densest, which could effectively reduce the load of exogenous sediment and nutrients in Lake Taihu. This study provided a new method for the problem of eutrophication in Lake Taihu.

sediment trap; exogenous sediment; settling cylinder; total nitrogen; total phosphorus

X524

A

1000-6923(2022)04-1854-07

何翔宇(1997-),男,四川蒲江人,河海大學碩士研究生,主要從事環(huán)境水文及水環(huán)境保護研究.發(fā)表論文2篇.

2021-09-13

國家重點研發(fā)計劃項目第五課題(2017YFC0405205);“一帶一路”水與可持續(xù)發(fā)展科技基金資助項目(2020491811);國家自然科學基金資助項目(41790425,41971047,41621002,42071118)

*責任作者, 高級實驗師, ywm0815@163.com