湖泊底泥氮磷污染特征與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
——以湖北省枝江市楊家垱湖和陶家湖為例

李博陽,徐浩陽,吳 定

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078;2.武漢博感空間科技有限公司,湖北 武漢 430074)

近年來,隨著人類對(duì)于自然環(huán)境的過度改造以及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為當(dāng)今湖泊面臨的嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題之一,世界上約有40%以上的湖泊或水庫被報(bào)道正遭受不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化,關(guān)于其成因、污染機(jī)理及治理對(duì)策等一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。湖泊的自凈能力有限,易使得富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)湖泊環(huán)境造成長(zhǎng)遠(yuǎn)危害,其不僅能損害湖泊水功能,導(dǎo)致飲用水源污染,還能破壞水生生物多樣性,進(jìn)一步影響湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[4-5]。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化本質(zhì)上是由氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽過剩引發(fā)的,湖泊水體中的氮磷主要來源于兩方面,其一是人為來源,即來源于地表徑流輸入的工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水,其二是自然來源,即來源于湖泊底泥中氮磷的溶解釋放[6-8]。因此,開展湖泊底泥氮磷污染特征調(diào)查對(duì)于研究并解決湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問題至關(guān)重要。

底泥是氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽在湖泊中的重要蓄積場(chǎng)所,其與湖水的相互作用控制著湖泊系統(tǒng)中氮磷的平衡[9]。已有研究表明,氣候(風(fēng)力及水力擾動(dòng))和生物作用可使“底泥-湖水”界面處的生物地球化學(xué)環(huán)境發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,當(dāng)?shù)啄嘀械缀繕O高時(shí),極易導(dǎo)致其再次被釋放,并通過擴(kuò)散或?qū)α鞯姆绞竭M(jìn)入上覆水體,成為湖水氮磷的內(nèi)源負(fù)荷,加劇湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[10-13]。因此,開展湖泊底泥氮磷釋放研究可為湖泊水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)補(bǔ)充依據(jù)。

從源頭上控制氮磷等污染物的輸入是減輕湖泊底泥營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的前提,目前環(huán)境保護(hù)政策多關(guān)注于對(duì)外源污染輸入的有效控制,控制湖泊底泥的內(nèi)源釋放成為當(dāng)前治理湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問題的關(guān)鍵與難點(diǎn)[14-15]。近年來,底泥疏浚工程被廣泛應(yīng)用于湖泊水環(huán)境綜合治理,其能夠直接清除底泥中的污染物,在湖庫水體的富營(yíng)養(yǎng)化控制、黑臭治理及生態(tài)修復(fù)方面發(fā)揮著積極作用,其不僅可改善湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化并有效修復(fù)湖泊生態(tài),也可為區(qū)域性湖泊水環(huán)境綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

湖北省位于長(zhǎng)江中游,地表水資源豐富,河湖交織,被譽(yù)為“千湖之省”。根據(jù)前期研究報(bào)道,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,省內(nèi)湖泊大量接收來自工農(nóng)業(yè)及生活生產(chǎn)排放的廢水,湖泊水質(zhì)惡化、水生態(tài)功能退化及富營(yíng)養(yǎng)化等問題日益嚴(yán)重[7,16-17]。因此,開展湖泊底泥疏浚及綜合治理工作已刻不容緩,底泥氮磷污染特征的調(diào)查與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)正是環(huán)保疏浚決策的基礎(chǔ)[18-19]。鑒于此,本研究選取湖北省枝江市楊家垱湖(城市型)和陶家湖(鄉(xiāng)村型)兩個(gè)典型湖泊為研究區(qū),通過對(duì)湖泊底泥沉積物進(jìn)行分層勘測(cè)并測(cè)定氮磷含量,查明研究區(qū)典型湖泊底泥氮磷污染的特征,并結(jié)合底泥氮磷釋放試驗(yàn),綜合分析湖泊底泥污染程度與其潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),旨在更深入地揭示研究區(qū)內(nèi)湖泊底泥質(zhì)量現(xiàn)狀和內(nèi)源污染對(duì)湖泊水質(zhì)的影響。

1 研究區(qū)概況

江漢平原位于長(zhǎng)江中游,三面環(huán)山,一面傍水,面積約5.5萬km2,是我國(guó)典型的沖湖積低平原區(qū);區(qū)內(nèi)地表水資源豐富,包括長(zhǎng)江、漢江和江漢湖群,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為16.8 ℃,年降水量為1 269 mm,主要集中于5—8月份[20]。枝江市地處江漢平原西緣,長(zhǎng)江中游北岸,地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°25′～112°03′,北緯30°16′～30°40′;市內(nèi)地勢(shì)由西北的丘陵高崗逐漸演變?yōu)闁|南部的平原地貌,是宜昌市唯一的平原縣市,素有“三峽之末,荊江之首”之稱(圖1)。

圖1 湖北省枝江市水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Simplified hydrogeologic map and distribution of sampling points of Zhijiang City,Hubei Province

本文以枝江市楊家垱湖和陶家湖兩個(gè)典型湖泊為研究區(qū),其中楊家垱湖位于枝江市城區(qū)馬家店街道,中石化湖北化肥分公司西側(cè),屬于典型城市型湖泊,其總體上呈南北走向,長(zhǎng)約0.84 km,寬約0.22 km,占地面積為0.23 km2,水域面積為0.13 km2,湖容為55萬m3;陶家湖位于枝江市問安鎮(zhèn),是湖北省重點(diǎn)保護(hù)湖泊,也是宜昌地區(qū)最大的湖泊,屬于鄉(xiāng)村型淺水湖泊,其大致呈東西方向延伸,長(zhǎng)約2.42 km,寬約1.13 km,承雨面積為65 km2,水域面積為4.47 km2,湖容為700萬m3。楊家垱湖周邊分布有工廠和大面積的居民生活區(qū),工業(yè)廢水及城鎮(zhèn)居民生活污水是威脅其湖水環(huán)境的主要污染源;而陶家湖周邊分布有大量農(nóng)田水塘和小面積居民生活區(qū),農(nóng)牧(水產(chǎn)養(yǎng)殖)業(yè)及農(nóng)村居民生活污水是湖水環(huán)境的主要污染源。此外,兩個(gè)湖泊皆為自然形成的淡水湖,以大氣降水為主要補(bǔ)給來源,以蒸發(fā)為主要排泄方式,僅通過部分溝渠與外圍的水塘/稻田相連接。

楊家垱湖和陶家湖兩個(gè)湖泊中皆無小島,湖底平坦。根據(jù)本研究前期調(diào)查可知,兩湖湖心處底泥積蓄深度較大,平均深度分別為93 cm和90 cm,總體湖泊底泥積蓄量達(dá)21.39 m3和402.30萬m3;兩個(gè)湖泊底泥皆屬黏土類沉積物(表1),粒徑均小于2 mm,其中尤以粒徑小于3 μm的黏性泥砂占比較大(占比均值超過50%)。近年來,由于人類活動(dòng)的強(qiáng)烈改造和工農(nóng)業(yè)廢水的持續(xù)排放,區(qū)內(nèi)湖泊污染嚴(yán)重,尤以是湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問題最為突出,這與湖泊底泥氮磷含量關(guān)系密切。

表1 湖泊底泥粒度組成

2 樣品采集與測(cè)試

2.1 湖泊底泥沉積物樣品采集

根據(jù)《湖泊入湖排口與底泥清淤調(diào)查技術(shù)指南》和《湖泊沉積物調(diào)查規(guī)范》的要求,本研究于2021年6月8日—6月10日在楊家垱湖和陶家湖開展湖泊底泥沉積物采樣工作,并按照重要性將采樣點(diǎn)位分為A級(jí)和B級(jí),其中楊家垱湖布設(shè)1個(gè)A級(jí)采樣點(diǎn)和5個(gè)B級(jí)采樣點(diǎn),陶家湖布設(shè)1個(gè)A級(jí)采樣點(diǎn)和7個(gè)B級(jí)采樣點(diǎn),見圖1。

在A級(jí)采樣點(diǎn)沿垂向分5層采集湖泊底泥沉積物樣品,用于開展湖泊底泥氮磷含量檢測(cè)和底泥氮磷釋放試驗(yàn);在B級(jí)采樣點(diǎn)沿垂向分表、中、底3層采集湖泊底泥沉積物樣品,用于開展湖泊底泥氮磷含量檢測(cè),各樣品分層采樣深度如表2所示。本研究使用奧地利UWITEC公司生產(chǎn)的Core-60采樣器(Core-60,UWITEC,Austria)采集原裝樣品,并將采集的樣品現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分層,用保鮮膜和錫箔紙包裹后裝入真空袋抽真空,再放入冰箱內(nèi)于4 ℃下保存,直至測(cè)試完成。

表2 湖泊底泥沉積物分層采樣深度表

2.2 湖泊底泥氮磷釋放試驗(yàn)

為了模擬靜水條件下湖泊底泥氮磷的釋放,選取A級(jí)采樣點(diǎn)位采集的湖泊底泥柱狀樣品(YJDL-A1和TJL-A1),經(jīng)濾紙去除浮游生物后,帶回實(shí)驗(yàn)室開展室內(nèi)湖泊底泥氮磷釋放試驗(yàn),用于研究“底泥-湖水”界面及“底泥-孔隙水”處湖泊底泥氮磷釋放的特征及其對(duì)湖泊水質(zhì)的影響。為了模擬湖泊底泥柱狀樣品在水底的狀態(tài),保持底泥柱狀樣直立狀態(tài),用特制切泥器對(duì)底泥柱狀樣品的采樣管進(jìn)行垂直切割,共分為5層,每層10 cm,分別采集楊家垱湖和陶家湖0～<10、10～20、30～40、60～70和110～120 cm深度處的底泥樣品開展試驗(yàn)。

湖泊底泥氮磷釋放試驗(yàn)在高1.0 m的開口容器內(nèi)進(jìn)行,容器采用亞克力材料制作,見圖2。用于試驗(yàn)的容器內(nèi)徑(68 mm)與底泥柱狀樣品外徑(63 mm)相近,可保證底泥柱狀樣品在原狀土狀態(tài)下順利放入容器底部并保持直立狀態(tài)。此外,試驗(yàn)過程中應(yīng)盡可能保證底泥樣品原狀土的性質(zhì),封閉底泥樣品底部,使得圓柱狀的底泥樣品只有頂面與水接觸進(jìn)行物質(zhì)交換。

圖2 湖泊底泥氮磷釋放試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental apparatus of the release of nitrogen and phosphorus from lake sediments

保證底泥樣品以原狀土的狀態(tài)放入試驗(yàn)裝置后,在不擾動(dòng)底泥樣品的情況下沿著裝置邊壁緩慢加入試驗(yàn)水體(對(duì)應(yīng)湖泊的湖水),水體總量為1 L。由于靜態(tài)試驗(yàn)中沉積物-水的物質(zhì)交換速率較低,每個(gè)試驗(yàn)組試驗(yàn)時(shí)間為5 d(120 h),2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)組同時(shí)開始試驗(yàn),每個(gè)試驗(yàn)組的水樣需采集8次,即分別在試驗(yàn)開始后0、4、8、24、48、72、96、120 h取距底泥樣品5～8 cm處水體作為水樣,檢測(cè)水樣中總磷和總氮的濃度。

現(xiàn)有水質(zhì)情況下,湖泊底泥氮磷釋放對(duì)湖泊水體(湖水/孔隙水)中氮磷濃度影響的計(jì)算方法[29]如下:

(1)

2.3 樣品測(cè)試與分析

在湖泊底泥氮磷釋放試驗(yàn)中,每次取樣時(shí)皆使用定制取樣裝置采集距底泥樣品5～8 cm處的上清液,并通過0.45 μm微孔濾膜對(duì)上清液進(jìn)行過濾,去除懸浮物后,分別采用TN分析儀(Vario-TN SELECT,Elementar,Germany)和TP分析儀(Vario-TP SELECT,Elementar,Germany)測(cè)定上清液中TN和TP的濃度。

所有樣品測(cè)試皆在武漢大學(xué)完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 湖泊底泥氮磷的污染特征

3.1.1 湖泊底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮含量的垂向分布特征分析

研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮含量特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

由表3可知:

研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮含量隨深度的分布特征如圖3所示。

圖3 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮含量垂向分布圖Fig.3 Variation of TOC、TN、TP and N-N contents with depth in lake sediments in the study area

由圖3可以看出:研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量皆是在表層更高,隨著底泥深度的增加其含量呈逐漸減小的趨勢(shì),并最終趨于穩(wěn)定,深度較大的底泥(100 cm以下)中有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量分別穩(wěn)定在2%、1 000 mg/L和500 mg/kg左右;相反地,底泥中氨氮含量卻在表層相對(duì)較低,并隨著底泥深度的增加其含量呈逐漸增大的趨勢(shì),這可能是由于湖泊表層底泥中溶解氧較為充分且水生動(dòng)植物活動(dòng)頻繁, 從而導(dǎo)致氨氮不易在表層底泥中蓄存[23]。

3.1.2 湖泊表層底泥中氮磷的平面分布特征分析

上述數(shù)據(jù)顯示,研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊表層底泥中氮磷含量都遠(yuǎn)高于平均值;此外,湖泊表層底泥與湖水直接接觸,所處環(huán)境復(fù)雜且易被外界因素所干擾,對(duì)湖水水質(zhì)存在潛在的威脅,因此對(duì)湖泊表層底泥中氮磷含量進(jìn)行詳細(xì)分析具有實(shí)際意義。研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊表層底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮含量的平面分布特征,如圖4所示。

圖4 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊表層底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、 總磷和氨氮含量平面分布圖Fig.4 Distribution of TOC、TN、TP and N-N contents in the surface lake sediments in the study area

由圖4可以看出:

1) 楊家垱湖表層底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮含量的平面分布呈現(xiàn)高度一致性,總體上高含量的有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和氨氮皆出現(xiàn)在湖域西部表層底泥中,其含量可分別達(dá)到7.0%、5 000 mg/kg、2 000 mg/kg和60 mg/kg以上。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),楊家垱湖作為一典型的城市型湖泊,該湖西部緊鄰一密集社區(qū)(圖1),大量的生活污水排放可能是導(dǎo)致該區(qū)域表層底泥中氮磷含量異常高的主要原因之一[24]。

2) 陶家湖表層底泥中有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量的平面分布也呈現(xiàn)較好的一致性,其含量的極高值點(diǎn)主要在該湖東北部表層底泥中出現(xiàn),含量可分別達(dá)到7.0%、4 000 mg/kg和2 000 mg/kg以上。但值得注意的是,陶家湖表層底泥中氨氮含量的極高值點(diǎn)主要出現(xiàn)于該湖東部表層底泥中,其含量可達(dá)70 mg/kg以上。相較于楊家垱湖,陶家湖屬于鄉(xiāng)村型淺水湖泊,且面積更大,湖域周圍潛在的農(nóng)業(yè)施肥、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)村生活污水排放都可能是控制湖泊表層底泥中氮磷含量異質(zhì)性分布的因素[5]。

3.2 湖泊底泥氮磷污染評(píng)價(jià)

3.2.1 湖泊底泥氮磷污染程度分析

本研究在調(diào)查楊家垱湖和陶家湖底泥氮磷污染特征的基礎(chǔ)上,開展了湖泊底泥氮磷污染評(píng)價(jià)。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)河湖底泥氮磷污染的評(píng)價(jià)方法主要包括指定底泥標(biāo)準(zhǔn)法[25]、單一因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法[26]和多項(xiàng)污染物共同作用的綜合指數(shù)法[27]。本文擬采用營(yíng)養(yǎng)鹽因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)的綜合評(píng)價(jià)方法來界定湖泊底泥中氮磷的污染程度。參考單一因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法和多項(xiàng)污染物共同作用的綜合指數(shù)法,湖泊底泥氮磷污染指數(shù)IN綜合評(píng)價(jià)方法[27]的計(jì)算公式如下:

(2)

IN=max(IN1,IN2,…,INN)

(3)

根據(jù)湖泊底泥中氮磷的垂向分布特征可知,底泥中TN、TP含量隨深度增加而遞減,且在大于100 cm深度后基本保持穩(wěn)定。由于湖泊底泥的年沉積速率一般在毫米至厘米級(jí),深度大于100 cm的底泥沉積年代在我國(guó)改革開放前,可以代表湖域泥沙在自然條件下(不受現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)影響)的TN、TP含量。因此,取研究區(qū)兩個(gè)湖泊100 cm以下底泥中TN和TP含量均值作為本次湖泊底泥氮磷污染評(píng)價(jià)的背景值,得到TN、TP的背景值分別取為1 385 mg/kg、574 mg/kg。

基于上述評(píng)價(jià)方法,采用研究區(qū)46個(gè)湖泊底泥樣品數(shù)據(jù),對(duì)其氮磷污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。從評(píng)價(jià)結(jié)果來看,研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥總氮的單因子污染指數(shù)介于0.14～3.79之間,平均值達(dá)1.58;湖泊底泥總磷的單因子污染指數(shù)介于0.22～4.10之間,平均值達(dá)1.90?？傮w上,研究區(qū)兩個(gè)湖泊底泥氮磷污染均處于中度污染狀態(tài),污染最重的區(qū)域?qū)儆趪?yán)重污染,營(yíng)養(yǎng)鹽綜合污染程度較單項(xiàng)指標(biāo)偏高,表明湖泊底泥氮污染與磷污染區(qū)域有所差異。研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮磷綜合污染指數(shù)(IN)的垂向變化及表層底泥氮磷綜合污染指數(shù)(IN)的平面分布,見圖5。

圖5 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮磷綜合污染指數(shù)垂向變化及表層底泥氮磷綜合污染指數(shù)平面分布圖Fig.5 Variation of values of nitrogen and phosphorus IN in lake sediments with depth and distribution of values of nitrogen and phosphorus IN in the surface lake sediments in the study area

由圖5可以看出:研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥中氮磷綜合污染指數(shù)IN介于0.22～4.10之間,平均值為2.00,接近重度污染狀態(tài);在垂向上,底泥氮磷IN皆隨底泥深度增加而下降;陶家湖深度為0～10 cm底泥出現(xiàn)了嚴(yán)重污染(IN>4),并在深度為0～50 cm的范圍內(nèi)底泥出現(xiàn)重度污染(22),其中以陶家湖東北部底泥氮磷污染最為嚴(yán)重,甚至達(dá)到了嚴(yán)重污染狀態(tài)。

3.2.2 湖泊氮磷重度污染底泥深度分布分析

基于研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊各測(cè)點(diǎn)不同深度底泥氮磷污染程度的評(píng)價(jià)結(jié)果,可估算兩個(gè)湖泊處于“氮磷重度污染程度”底泥的深度,其結(jié)果見圖6。

圖6 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊氮磷重度污染底泥深度分布圖Fig.6 Distribution of the depth of heavily nitrogen and phosphorus-polluted lake sediments in the study area

由圖6可以看出:楊家垱湖氮磷重度污染底泥的分布深度較深,在湖域西部甚至達(dá)到了80 cm;相較而言,陶家湖氮磷重度污染底泥的分布深度較淺,除東北部少數(shù)區(qū)域外,基本皆處于30 cm以內(nèi)。分析認(rèn)為湖域周圍潛在污染源(農(nóng)業(yè)施肥、畜禽養(yǎng)殖及居民生活污水)的排放強(qiáng)度不同是造成研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊氮磷重度污染底泥分布深度異質(zhì)性的主要原因[5,24]。

根據(jù)圖6中研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊氮磷重度污染底泥深度分布,可統(tǒng)計(jì)得到本次調(diào)查范圍內(nèi)氮磷重度污染底泥的分布面積,其結(jié)果見表4,可為環(huán)保疏浚決策提供判斷依據(jù)[18]。

由表4可知:楊家垱湖和陶家湖氮磷重度污染底泥總量分別為12.05和65.57萬m3,其中楊家垱湖氮磷重污染底泥雖深度較深,但湖域面積相對(duì)較小,故導(dǎo)致其氮磷重度污染底泥總量相對(duì)較小;而陶家湖氮磷重度污染底泥雖深度較淺,但湖域面積較大,導(dǎo)致其氮磷重度污染底泥總量較大。

3.3 湖泊底泥氮磷釋放特征及其對(duì)水環(huán)境的影響

3.3.1 湖泊底泥氮磷釋放特征分析

底泥與湖水是緊密聯(lián)系的整體,兩者間存在動(dòng)態(tài)且強(qiáng)烈的物質(zhì)交換[28]。調(diào)查及評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥均受到了不同程度的氮磷污染,其很可能會(huì)作為湖泊氮磷的內(nèi)源負(fù)荷潛在釋放,并影響湖水水質(zhì),導(dǎo)致湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此,本文利用野外實(shí)地采集的原狀湖泊底泥樣品及湖水,在室內(nèi)開展湖泊底泥氮磷釋放試驗(yàn),探究湖泊底泥氮磷釋放對(duì)水環(huán)境的影響,研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮磷釋放特征,如圖7所示。

圖7 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮磷釋放試驗(yàn)中水體氮磷濃度變化曲線Fig.7 Variation curves of nitrogen and phosphorus concentrations in the releasing experiment of lake sediments in the study area

由圖7可以看出:

1) 對(duì)于楊家垱湖YJDL-A1底泥,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,各底泥試驗(yàn)組水體中總氮濃度均迅速升高,最終可達(dá)1.74～3.94 mg/L[圖7(a)],表明楊家垱湖不同深度底泥皆可向上覆水體釋放氮;而不同的是,各底泥試驗(yàn)組水體中總磷濃度在試驗(yàn)期間均未發(fā)生顯著變化[圖7(b)],表明楊家垱湖不同深度底泥對(duì)上覆水體中磷的影響相對(duì)較小。

2) 對(duì)于陶家湖TJL-A1底泥,各底泥試驗(yàn)組也呈現(xiàn)出與楊家垱湖YJDL-A1底泥相似的氮磷釋放特征,即隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,各底泥試驗(yàn)組水體中總氮濃度均在波動(dòng)中升高,最終可達(dá)1.82～2.46 mg/L[圖7(c)],表明陶家湖不同深度底泥同樣皆可向上覆水體釋放氮;而表層底泥試驗(yàn)組(深度為0～<10和10～20 cm)水體中總磷濃度在試驗(yàn)初期迅速升高后(0.22和0.28 mg/L)逐漸穩(wěn)定至0.15 mg/L,深層底泥試驗(yàn)組(深度為30～40、60～70和110～120 cm)水體中總磷濃度則是在試驗(yàn)過程中均穩(wěn)步下降,其由0.15 mg/L穩(wěn)定至0.06 mg/L[圖7(d)]。

3.3.2 湖泊底泥氮磷釋放對(duì)水環(huán)境的影響分析

總體上,由于試驗(yàn)初期的水流擾動(dòng),導(dǎo)致了試驗(yàn)初期水體中氮磷濃度的變化較大,綜合考慮試驗(yàn)中各底泥試驗(yàn)組氮磷的釋放規(guī)律,本文選取96 h后水體中氮磷的濃度進(jìn)行計(jì)算,得到研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊不同深度底泥的氮磷釋放對(duì)上覆湖水環(huán)境的影響,見表5。

表5 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊不同深度底泥的氮磷釋放對(duì)上覆湖水環(huán)境的影響

由表5可知:

1) 楊家垱湖底泥氮釋放對(duì)上覆湖水環(huán)境的影響RN較強(qiáng),其對(duì)上覆湖水中TN濃度的影響RN皆為正值(平均值達(dá)4.76 mg/L),而陶家湖底泥氮釋放對(duì)上覆湖水中總氮濃度的影響RN僅在表層底泥中為正,在深度為30 cm及110 cm處底泥氮釋放對(duì)上覆湖水中TN濃度的影響RN皆為負(fù)值(平均值僅-0.40 mg/L),表明了相較于陶家湖,楊家垱湖不同深度底泥仍能夠向孔隙水釋放大量的氮,其氮釋放風(fēng)險(xiǎn)極高;此外,隨著底泥深度增加,兩個(gè)湖泊底泥氮釋放對(duì)上覆湖水中TN的影響呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),這可能與底泥中TN含量有關(guān)。

2) 但值得注意的是,研究區(qū)兩個(gè)湖泊底泥磷釋放對(duì)上覆湖水環(huán)境的影響都相對(duì)較弱,其表層底泥磷釋放對(duì)上覆湖水中TP濃度的影響RP均為正值(平均值分別為0.22 mg/L和0.25 mg/L),表明其均能向水體釋放一定量的磷;但隨著底泥深度的增加,底泥磷釋放對(duì)水體總磷的影響RP呈迅速減小的趨勢(shì),楊家垱湖底泥深度60 cm以下底泥的RP約等于0,而陶家湖底泥深度30 cm以下底泥的RP為負(fù)值,這表明了湖泊深層底泥不僅不會(huì)向水體釋放磷,還可反向吸附孔隙水中磷,有利于湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化控制。

綜上,研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮磷靜態(tài)釋放試驗(yàn)結(jié)果表明,兩個(gè)典型湖泊底泥氮釋放對(duì)湖水環(huán)境的影響顯著,其中尤以楊家垱湖更甚,而湖泊底泥磷釋放對(duì)湖水環(huán)境的影響相對(duì)較弱。然而,對(duì)于大型天然湖泊,野外湖泊底泥氮磷釋放過程與機(jī)理要比室內(nèi)試驗(yàn)復(fù)雜且強(qiáng)烈得多,其受氣候變化(溫度和降水等)、湖水水位波動(dòng)、水生生物多樣性、外源輸入等因素的共同控制[11,29],后續(xù)仍需開展相應(yīng)的系統(tǒng)試驗(yàn)(擾動(dòng)釋放試驗(yàn))來明確湖泊底泥氮磷釋放對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響。

3.4 湖泊底泥氮磷污染治理探討

一般來說,湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化主要受控于營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入,因此河湖水體的富營(yíng)養(yǎng)化治理首先也是污染源的控制。湖泊污染源主要包括兩項(xiàng):其一是來源于降雨徑流、農(nóng)田退水、生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水的匯入;其二是來源于湖泊沉積物的內(nèi)源釋放[7,23]。本研究調(diào)查及試驗(yàn)結(jié)果表明,研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮磷污染嚴(yán)重,且底泥氮釋放對(duì)湖水環(huán)境仍存在潛在的威脅,極易誘發(fā)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問題。因此,采用底泥清淤削減湖泊內(nèi)源污染,能夠徹底清除內(nèi)源氮磷,排除隱患,改善底泥氮磷污染程度并減弱底泥氮磷釋放對(duì)湖水環(huán)境的影響。

根據(jù)本研究的初步成果,提出湖泊清淤方案,其主要遵循以下原則:首先,湖泊內(nèi)源控制應(yīng)清除重度污染底泥(IN>2),楊家垱湖重度污染底泥深度較大,但根據(jù)底泥氮磷釋放對(duì)湖水環(huán)境的影響,為了使得清淤后底泥對(duì)水體中TN和TP的影響有利于湖水水質(zhì)的改善,清淤深度不宜過大;其次,由于兩個(gè)湖泊的重度污染底泥都幾乎覆蓋了整個(gè)湖域,為了保護(hù)湖泊原生態(tài)系統(tǒng),建議先重點(diǎn)清除重度污染底泥深度較大(40 cm以上)的區(qū)域,重度污染底泥深度較淺區(qū)域的底泥在清淤后可采用生態(tài)方法進(jìn)行修復(fù)。

綜上,本研究建議研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊清淤區(qū)域主要為重度污染底泥深度大于40 cm的湖域,清淤深度為50 cm,重點(diǎn)清淤區(qū)域位于楊家垱湖西部和陶家湖東北部(圖8),在清淤前應(yīng)加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,精準(zhǔn)確定湖泊不同區(qū)域清淤深度,進(jìn)一步提升清淤工程的投入效益比。

圖8 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊建議清淤區(qū)域Fig.8 Proposed area for the dredging of sediments of two lakes in the study area

4 結(jié) 論

1) 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮、磷污染較為嚴(yán)重,其平均值分別可達(dá)2 654 mg/kg、1 215 mg/kg(楊家垱湖)和1 824 mg/kg、992 mg/kg(陶家湖),是導(dǎo)致湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素之一;兩個(gè)典型湖泊底泥的氮磷綜合污染指數(shù)IN介于0.22～4.10之間,各測(cè)點(diǎn)表層底泥氮磷綜合污染指數(shù)IN均為垂向最大,處于重度或嚴(yán)重污染狀態(tài)(IN>2),其中以陶家湖東北部底泥氮磷污染最為嚴(yán)重;兩個(gè)典型湖泊重度污染底泥總量分別為65.57萬m3(陶家湖)和12.05萬m3(楊家垱湖),楊家垱湖重度污染底泥的分布深度較深,在湖域西部甚至達(dá)到了80 cm,而陶家湖重度污染底泥的分布深度較淺,除東北部少數(shù)區(qū)域外,基本皆處于30 cm以內(nèi)。

2) 研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥在氮磷釋放試驗(yàn)中基本都能向上覆湖水釋放大量的氮,其中尤以楊家垱湖底泥更甚,其RN平均值為4.76 mg/L,顯著影響了湖水環(huán)境;相較之下,湖泊底泥磷釋放對(duì)湖水環(huán)境的影響相對(duì)較弱,深層底泥RP平均值分別僅為0 mg/L(楊家垱湖)和-0.18 mg/L(陶家湖),表明其可反向吸附孔隙水中磷,有利于湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制。

3) 基于研究區(qū)兩個(gè)典型湖泊底泥氮磷污染特征與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)淺析,提出了湖泊清淤方案,建議湖泊清淤區(qū)域主要為重度污染底泥深度大于40 cm的湖域,清淤深度為50 cm,重點(diǎn)清淤區(qū)域位于楊家垱湖西部和陶家湖東北部。