滴水湖及其入湖河道水质调查及沉积物中磷的探究

摘要

滴水湖是位于上海市东南方向的国内最大的人工湖,总面积达5.56 km2,其水源来自黄浦江,流经大治河,经随塘河等河道引水入湖。滴水湖及其贯穿城区的引水河道是构成临港新城区水系统的主要部分,承担着塑造城市景观生态、优化地区气候的重要任务。本课题对滴水湖及其引水河道内水体质量进行周年水质监测,对其水环境质量和营养状态进行评价;针对滴水湖富营养化因子为磷的初步结论,进一步分析研究了表层沉积物中的磷,包括各种形态磷的组成及时空分布、磷的吸附解吸特性以及环境因子对沉积物吸附解吸磷的影响等。本研究可为科学评价滴水湖的水体质量、预测其发展趋势,为国内人工湖泊生态系统的进化研究等提供数据资料,为预防和治理湖区综合污染提供科学依据。
　　2011年,对滴水湖及其入湖河道水体进行周年水质监测,监测指标包括水温、pH、溶解氧、透明度、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、各形态氮磷以及叶绿素a。根据监测结果利用灰色聚类分析法对滴水湖及其引水河道内的水体质量及营养状态进行评价。期间对各监测点处沉积物中总磷以及各形态磷进行分析研究,探究其时空分布规律;2012年,结合前期对风干沉积物中磷吸附特性的研究进一步分析了沉积物新鲜样品中磷的的吸附解吸特性及环境因子对磷的迁移转化的影响。研究结果如下:
　　(1)滴水湖及其河道各监测点水温年变化规律类似,主要随地区气候而变化,最低温出现在二月份,最高温出现在八月份,年均水温在17.32℃~18.38℃范围内。湖区内水体pH值较引水河道内高,年均值为8.58±0.02,后者为7.82±0.04。靠近大治河的引水河道水体内溶解氧含量较湖区水体低,年均值为4.73 mg·L-1,湖区内溶解氧年均含量达8.50～9.94 mg·L-1,接近饱和。滴水湖湖区及靠近湖区的闸内引水河内CODMn年均值为5.34 mg·L-1,略低于大治河及附近的引水河5.39 mg·L-1。说明引水河干道水体还原性物质含量略高于滴水湖。随塘河上游水体中总磷、总氮含量明显高于滴水湖湖区,前者年均含量分别为0.23±0.11 mg·L-1、4.90±0.38 mg·L-1,后者TP、TN年均含量分别为0.07±0.01 mg·L-1、1.27±0.07 mg·L-1。经灰色聚类法分析所得监测数据知:大治河以及随塘河上游河道内水体水质为Ⅴ类,呈富营养化状态;靠近滴水湖的引水河道内水体水质属于Ⅲ~Ⅳ类,属中营养状态;湖区内水体质量2011年较2010年好,达Ⅱ类地表水水平,属中营养状态。
　　(2)随塘河上游沉积物中总磷含量高达2122.45 mg·L-1,引水河道沉积物中总磷年均含量为873.01mg·kg-1,明显高于湖区沉积物中TP含量489.27 mg·kg-1,河道与湖区沉积物中TP主要由IP组成,含量均高达TP含量的90％以上。湖区IP中又以Ca-P含量最高,达439.37 mg·kg-1,其次为Oc-P,Fe-P、De-P含量较低;引水河道芦潮引河监测点因一月份采样位点过于靠近水闸口导致出现该点所测总磷及各形态磷含量在冬季骤升的现象,而湖区出水口处沉积物中总磷及各形态磷含量在春季最高。湖区及引水河道其它监测点处沉积物中总磷及各形态磷含量基本无明显的季节性变化;各磷形态之间, Org-P与Ex-P、Al-P、Fe-P、Oc-P、De-P显著相关,与Ca-P不相关。Fe-P与Oc-P显著相关,Ca-P与其它形态磷均无明显相关性。
　　(3)滴水湖湖区内五个采样点风干沉积物对上覆水中磷的“快吸附”过程发生在0～4h内,吸附速率达3.08～5.65 mg/(kg·min),“慢吸附”发生在4～24h内,速率为0.54～1.34 mg/(kg·min),24h后达到动态平衡状态。抛物线扩散方程21Ct=C0-kt可很好地拟合沉积物对磷的吸附动力学过程。区别于风干样的新鲜沉积物样品快吸附发生在反应初始的1h内,且吸附容量较大,达2200～4000mg·kg-1。其吸附动力学过程较为复杂,抛物线方程不能很好地描述该过程。关于沉积物的等温吸附过程:在低磷浓度条件下,沉积物新鲜样和风干样品的等温吸附都可由线性方程 NAPQ=mC0-解释,而前者的磷吸附解吸平衡浓度(EPC0)均低于后者,分别在0.07～0.27 mg·L-1和0.18～0.42 mg·L-1的范围内。高磷浓度条件下,滴水湖及其引水河道沉积物风干样磷的等温吸附过程可由Langmuir等温吸附模型模拟,而其新鲜样品中磷的等温吸附过程仍呈线性规律发展。吸附饱和的沉积物新鲜样品在低磷浓度上覆水中发生磷的解吸附、磷释放现象。磷的解吸附主要过程发生在初始的2～4h内,释放速率为0.009～0.014mg/h,之后的10～20h内磷的释放不明显,沉积物吸附释放达到基本平衡;当加大振荡程度时,沉积物再次向上覆水释放磷,4h后沉积物磷的吸附释放达平衡,上覆水中的磷浓度再次达到稳定状态。
　　(4)环境因子对滴水湖沉积物-水界面间磷的迁移转化的实验结果表明:厌氧条件会促进滴水湖沉积物中磷的释放,而在随塘河河道其沉积物在氧化状态下更有利于吸附上覆水中的磷;弱酸或弱碱条件的水体对沉积物吸附和释放的磷的过程影响不大,而碱性条件会促进沉积物中磷的释放过程,特别是闭蓄态磷和铁结合态磷含量较高的随塘河河道沉积物;水温越高,滴水湖沉积物中磷的释放越明显。在本实验中,温度的升高对随塘河河道沉积物磷的吸附影响不大;剧烈的扰动会促进沉积物-水界面间磷吸附解吸平衡的到达。

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第一章 综述

1.1 湖泊富营养化及其危害与防治

1.2水体营养状态评价方法

1.3 沉积物中的磷

1.4 滴水湖概况

1.5 研究内容及意义

第二章 滴水湖及其引水河道水环境质量现状

2.1 材料与方法

2.2 水质监测结果

2.3 灰色聚类法评价水环境质量

2.4 小结

第三章 沉积物中磷形态的分布特征

3.1 材料与方法

3.2 结果与讨论

3.3 小结

第四章 沉积物中磷的吸附解吸特征探析

4.1 滴水湖沉积物风干样品的磷吸附特性初探

4.2 滴水湖及河道沉积物新鲜样品对磷吸附与解吸特性

4.3 小结

第五章 结论与建议

5.1 本研究主要结论

5.2 不足与建议

致谢

参考文献