大明湖主要营养元素时空分布特征与动态模拟

摘要

城市浅水湖泊与人们距离更近，受人类活动影响更为明显，对城市生态环境和人们健康的影响也更为直接。调查掌握城市浅水湖泊的污染状况，特别是潜在的内源污染机理，对改善湖泊环境，提高治理的有效性，具有重要的意义。本文以济南市大明湖作为城市浅水湖泊的研究案例，通过对大明湖的水质状况的跟踪监测、沉积物的分布状况、污染程度分析调查，了解内部负荷在影响城市浅水湖泊水质方面所起到的作用，研究了大明湖沉积物中N、P主要营养盐的吸附释放的特性，并进行了数学模拟。得出了以下主要结论：
　　 1、随着大明湖治理措施的进一步加强，泉水的不断引入，外源污染控制的逐步加强，2003-2009年的数据显示大明湖的水质呈现逐步改善的趋势。多年的数据显示，大明湖水质的主要环境指标之间存在一定的相关性，COD与水温、NH3-N等指标存在正相关性，与DO参数存在负相关性。TN指标与透明度、DO和粪大肠菌群指标存在显著正相关性，与CODmn、Chla、TP等参数呈现负相关性。TP指标则与水温、CODmn、Chla、BOD5、NH3-N呈现正相关性，与透明度、DO、TN呈现负相关性。Chla与水温、CODmn、TP、DO呈显著正相关性，与 TN、透明度呈现显著负相关性。
　　 2、通过对大明湖外源污染源情况的调查，经测算，大明湖内约蕴含8.07×107kg沉积物，大明湖湖水中P的含量只占湖泊系统中总磷含量的0.23％，而每年外源在湖泊系统中累积的P的量也仅占湖泊磷含量的0.68％；湖水中N的含量只占整个湖泊系统中总氮含量的2.29％，而每年外源在湖泊系统中累积的N的量也仅占整个湖泊系统氮含量的2.82％，可以看出大明湖整个湖泊系统中绝大部分营养盐是蕴藏在沉积物中的，沉积物中营养盐的吸附释放是影响湖泊水质的一个重要的潜在因素。
　　 3、按照月份分析，叶绿素a和总磷呈现出同步的变化趋势存在显著正相关，r2=0.729，N的变化趋势与叶绿素a的变化呈负相关，r2=0.713。在自然状况下，湖水中的P的浓度与湖水的水温、溶解氧存在一定的相关关系，r2分别为0.7430、0.947，TN浓度变化与温度和溶解氧呈现正相关性，相关系数分别为0.749和0.61，由于自然状况下pH变化幅度小，与N、P浓度体现出的相关性较差。在空间上大明湖水体中 TN、TP都呈现出入水口浓度偏高，东部和南部水质较差，北部和西部受外界影响较小，水质相对较好，这也说明外源污染并没有完全杜绝，仍然会对水质产生直接影响。
　　 4、大明湖的沉积物分布不均，具有南岸沉积层较薄，北岸、西岸较厚，入水、出水口和湖中小岛附近较薄的特点。大明湖沉积物较疏松，淤积程度较弱，湖区内沉积物最大厚度约为1.8m。通过分析计算，大明湖内沉积物体积约为3.49×105m3，0.8-1m的厚度沉积物分布面积大约为15.4万m2，约占湖面面积的33.5％，沉积物厚度在0.4-1.2 m之间的区域占湖面面积85％以上的。
　　 大明湖沉积物的污染程度在空间上存在明显的区域性差异，湖岸区域的污染程度明显高于湖心区域，且南部湖岸区域要明显高于北部湖岸区域，造成这种现象的主要原因可能是大明湖内入水口的分布和大明湖的水利条件有关。大明湖沉积物中有机碳含量6.24％-18.27％，平均值为10.31％，总磷含量为1.45-2.85 mg/g，平均值为1.76 mg/g。沉积物中Zn，115-591 ppm；Pb，63-220 ppm；Cu，64-154ppm；Cr，42-145ppm，大明湖沉积物污染状况较为严重。
　　 5、大明湖沉积物中P的形态以HCl-P含量最高，NH4Cl-P含量最低，分别占沉积物中 TP的39％～54％和2％～7％。大明湖沉积物中P对湖水P浓度起到缓冲作用，当大明湖中的P浓度超过2mg/l时，沉积物表现出对湖水中P的吸附作用大于释放作用，整体表现为吸附，这种情况自然环境中是很难发生的。在自然状况下，大明湖沉积物中的磷的缓冲特性更多情况下表现为释放，大明湖换水后短期内湖水中磷的迅速恢复，污染状况较重，且蕴含量较大的沉积物成为影响大明湖水质的潜在重要因素。对于大明湖这种位于城市中心地区，湖体小、水体浅，受外部环境影响较大的城市浅水湖泊，沉积物中磷的释放对湖水水质的影响尤为明显。实验室条件下，根据时间、温度和pH的条件变化，得出的沉积物中磷释放的数学关系式为r=8.4135+0.0933[T]-0.0833[pH]+0.3253[t]。
　　 6、大明湖沉积物中的氨氮在不同的环境条件下，也会呈现出吸附和释放的特性。不同的检测点位的沉积物中的氨氮，在温度、PH、上覆水溶液浓度、时间等条件的变化时呈现出类似的变化趋势。试验中发现，全氮含量较高的检测点，却表现出较低的释放能力，这说明决定沉积物N释放能力大小，不是全是N的总量问题，而更有可能与沉积物的特性和沉积物中氮的存在形态有着更为直接的关系。实验室条件下，根据时间、初始氨氮浓度和温度的变化，得出的沉积物中氮释放的数学关系式为r=0.006673+0.000364[T]-0.04447[c]+0.00467[t]。
　　 7、在不同的N/P范围内，大明湖湖水中Chla与TN、TP可以建立不同的数学关系式，当N/P≤20时，Chla=242.91n[N]+2453.8[P]-479.0；2045时，没有显著的数学关系。