南四湖及主要入湖河口沉积物的污染特征及磷吸附释放研究

摘要

南四湖是山东省最大的淡水湖泊，同时也是我国北方最大的淡水湖泊，作为南水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊，近年来南四湖整个湖区水质已基本属于中度富营养化和富营养化水平，富营养化已成为南四湖不容回避的一个最重要的水环境问题。在南水北调工程运行后，南四湖的水流方向将发生改变，即调水将由下级湖流入上级湖，南四湖主要入湖河流绝大部分分布于上级湖，近30年来，这些河流水质长期处于严重污染状态。调水后，这些河流将严重影响调水水质。由于国家对南水北调沿线采用了严格的污水排放标准，对于各入湖河流的达标排放将按时实现。但是长期受严重污染的河流底质对入湖河流水质的影响难以预测。对这些河流河口区的表层沉积物的重金属和营养盐进行相关研究，可为调水前沉积物研究积累数据资料，为湖区开展流域污染综合治理提供科学依据。在外源磷负荷得到削减和控制的条件下，底泥污染物势必会对调水形成二次污染，内源磷负荷成为决定调水水质的关键所在。因此，研究沉积物中内源磷负荷及其释放，以及沉积物对磷的吸附作用就显得尤为重要。对沉积物中磷的赋存形态、含量变化以及其中的生物有效部分进行分析研究，有助于了解沉积物磷的迁移转化过程以及各形态磷在浅水湖泊富营养化过程中起的作用，对生物有效磷的控制和削减可能是解决南四湖富营养问题的一条重要途径。 基于以上，对南四湖表层沉积物进行了相关研究，主要研究结论如下： 应用spot-5多光谱彩色遥感影像数据(2006.6月数据)，对南四湖湖区地表覆盖现状进行了分析，分析结果显示南四湖湖区地表覆盖情况复杂，明显区别于我国其它的大型浅水性湖泊，湖区可基本分为5种代表性地表景观，分别是开阔水域、鱼塘、水生植被、农田和陆地植被，其中开阔水域的面积仅占湖区总面积的41.71％。水质监测结果表明，南四湖重点污染区域水质不能满足GB3838-88中V类水的要求，大部分区域水质距III类水的要求相距甚远，TP超标严重，并且在湖区由北向南呈明显的递减趋势。水中Cr、Cu、Mn、Pb、Zn含量较低，均能达到GB3838-88中I类水标准，无超标现象。通过对南四湖主要入湖河流表层沉积物中重金属(Al、Ca、Fe、Mn、Zn、Cr、Cu、As、Pb、Ni和Cd)分布状况的研究发现，西支河、泗河、万福河和梁济运河是南四湖上级湖重金属污染的主要河流，而一直被视为污染严重的洗府河对南四湖的重金属污染的贡献并不大，重金属污染不是洗府河治理的首要目标。泗河沉积物中各重金属元素浓度均较小，但是结合现场调查以及对上覆水中重金属浓度的同步监测可知，泗河受重金属污染较严重。因此将沉积物中重金属污染评价结论作为治理依据时，还应结合沉积物的化学组成、上覆水和间隙水中重金属浓度、水利条件等因素进行综合考量。 河流沉积物中Cu、Pb和Zn之间存在明显的相关性，特别是Cu和Zn之间呈显著正相关：Mn与Al、As、Cd、Cr和Ca表现出明显的相关性，Mn是这几种重金属元素的主要赋存相；Fe仅与Pb之间具有相关性；Ca与Al、As、Cd和Mn之间具有显著的相关性，土壤侵蚀和岩石风化作用对这几种金属元素组成具有影响。地积累指数法与潜在生态危害指数法的评价结果均显示南四湖地区受Cd污染严重，受As污染次之，其它金属元素属于较轻的污染程度。南四湖河流沉积物中Cd的质量浓度高达2.65～5.04 mg·kg-1，作为一种危险的环境污染物，沉积物中的含量远远高于我国环境监测总站公布的湖相沉积物母质Cd的背景值0.098mg·kg-1，较高浓度的Cd应引起有关部门的高度重视，以保障南四湖地区人民的身体健康。 南四湖沉积物中总磷与磷形态的相关研究结果显示，沉积物中TP平均含量占沉积物总质量的0.08％。不同形态磷的质量浓度存在很大差异，将各个形态的磷质量浓度进行排列可知IP＞Ca-P＞OP＞Ads-P＞Fe-P＞Al-P。沉积物中无机磷含量要远远大于有机磷含量，无机磷当中Ca-P是最主要的组成部分，IP和Ca-P的最大值都出现在航道，Ads-P的最大值出现在受人为影响严重的航道和梁济运河，Al-P在南四湖中的分布具有一致的规律，都处于近于不可检出的范围内，除了洗府河之外，Fe-P的质量浓度都在17.72 mg·kg-1以下，有机磷最大质量浓度出现在梁济运河，该地区人类活动频繁，不仅是京杭运河的重要组成部分，也是济宁市污水排放的主通道。通常情况下流域河道沉积物中的有机磷含量应比湖区沉积物高，本研究中南四湖湖区较高浓度的有机磷可能是由于大量水生植物残骸长期遗留在湖底，发生降解，导致沉积物有机质含量较高引起的。沉积物磷的主要组成部分Ca-P、Ads-P、OP和TP之间都存在着正相关性，其中TP与Ca-P、Ads-P两种无机磷之间的相关性最显著；Ads-P与Ca-P之间存在着正相关性；IP之中只有Ads-P与OP之间存在相关性，磷的释放过程中，酸可提取有机磷在微生物的作用下转换为易于被生物所利用的无机磷，这很可能是导致湖泊富营养的重要过程之一；Fe-P和Ca-P之间存在明显负相关性，沉积物中确实存在着Fe-P和Ca-P之间的相互转化。 生物有效磷的最大值出现在洗府河，惠河、万福河、航道和梁济运河的生物有效磷含量也相对较高。BAP含量在四个湖区的排序为：独山湖＞昭阳湖＞微山湖＞南阳湖，独山湖、昭阳湖和微山湖高浓度的BAP值应引起我们更多的关注。BAP可以比较客观的反映南四湖沉积物受人类活动影响的大小，以及对河口生态环境的危害程度，并且可以作为一个反映南四湖污染程度评价的主要指标.BAP与磷形态的相关性分析显示，BAP只与OP之间存在显著正相关，由OP可以粗略的估算出沉积物中潜在的可释放磷，即有效的内源磷负荷。 与主要理化性质之间的相关性方面，TP仅与Al、Mn之间存在正相关性，与其它沉积物理化性质参数之间相关性均不明显；有机磷仅与有机质、Ca含量之间存在着正相关关系，南四湖沉积物中有机磷的含量很大程度上取决于有机质含量的多少；Fe-P含量与水体PO43-浓度关系密切，Fe-P对湖泊水体富营养状况存在着重要的影响，可以作为指示湖泊水体富营养化程度的一项指标，沉积物中大多数的铁因与硅结合而不具反应活性，即沉积物中的活性铁极少，仅有很少部分具有反应活性的铁参与了磷的吸附是导致南四湖沉积物中Fe-P含量较少的一个主要原因。 沉积物对磷的吸附特性的相关研究表明，南四湖表层沉积物对磷的吸附在48h时基本都达到平衡状态，主要的吸附发生在1h内。最大吸附量的分布呈现较明显的趋势，即由南阳湖向微山湖逐级递减。在本研究试验条件下，沉积物吸附.解吸浓度的变化范围为0.010～0.157 mg·L-1，惠河、复新河、洗府河、大沙河以及4个湖区的沉积物样品目前不具有向上覆水释放磷的趋势。沉积物磷吸附特征参数与Ads-P都具有显著的正相关关系，Ads-P可以作为评价南四湖污染状况的一项重要指标，磷吸附特征参数与沉积物的污染程度紧密相关。cEPC与Ads-P、TP、IP和Ca-P之间都具有较显著的正相关性，在相同的上覆水浓度下，营养水平高的沉积物易于发生解吸，从而使湖泊富营养化加剧。磷吸附的特征参数之间，m与TQmax之间有显著的正相关性，m 不仅体现的是对外来磷的吸附效率，还应当包含对本身释放磷的再吸附的效率；沉积物的NAP与Qmax和TQmax之间都具有较好的正相关性，同时Qmax与TQmax之间也有显著的正相关关系；NAP与其cEPC之间有明显的正相关性，总的趋势为当上覆水中磷含量相等时，具有高的NAP的沉积物易向上覆水体释磷，反之具有较低NAP的沉积物易于从水中吸附磷。在释放方面，对于不同富营养化程度的沉积物而言，在强酸和强碱条件下的磷释放量都要远远大于中性条件下。沉积物中Fe-P/Ca-P比值可作为鉴别酸化或碱化引起的磷释放的简单指数，南阳湖、微山湖的沉积物Fe-P/Ca-P比分别为1.05、0.24。环境的碱化更易于引起南阳湖沉积物的磷的释放，而微山湖沉积物在酸性条件下释放量随着pH值改变的幅度要大于碱性条件下的，此沉积物磷释放趋势对于环境的酸化更为敏感。pH值影响磷释放的根本原因是由于在不同pH值条件下Fe、Al、Ca等元素与磷的不同结合状态发生了改变，促进了不同形态磷之间的相互转化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究意义

1.2国内外相关研究概述

1.2.1湖泊富营养化概念的发展

1.2.2磷与富营养化

1.2.3沉积物-水界面磷交换研究进展

1.2.4磷形态的提取与生物有效磷

1.2.5水体生态系统重金属相关研究

1.3本研究的主要思路

第二章区域环境概况及研究方法

2.1南四湖区域环境概况

2.1.1南水北调东线工程概况

2.1.2南四湖湖泊概况

2.1.3水系及水体利用状况

2.1.4社会经济概况

2.2南四湖形成过程及环境背景值的选择

2.2.1南四湖的形成

2.2.2环境背景值的选择

2.3南四湖环境问题及水环境污染现状

2.3.1主要的环境问题

2.3.2主要的水环境污染问题

2.4研究材料及分析方法

2.4.1布点及样品采集

2.4.2样品处理与测试

第三章地表覆盖现状及水质调查

3.1湖区地表覆盖现状分析

3.1.1数据来源

3.1.2数据预处理和分析

3.1.3湖区地表覆盖现状分析结果

3.2南四湖水质分析试验研究

3.2.1营养元素分析与水质评价

3.2.2水中重金属元素浓度

3.3小结

第四章表层沉积物重金属元素分布和污染状况

4.1表层沉积物中重金属元素分布

4.1.1表层沉积物重金属浓度特征

4.1.2表层沉积物重金属空间分布特征

4.1.3不同重金属之间以及与有机质含量之间的关系

4.2表层沉积物中重金属污染风险评价

4.2.1风险评价方法

4.2.2评价结果

4.3小结

第五章磷的形态及分布特征研究

5.1材料与方法

5.1.1沉积物样品的采集

5.1.2试验方法

5.2沉积物中磷的赋存形态

5.2.1磷形态浓度特征

5.2.2磷形态空间分布特征

5.2.3各形态磷的相关性研究

5.2.4生物有效磷

5.3讨论

5.3.1沉积物磷的空间异质性及形成机制

5.3.2闭蓄态磷的提取

5.4小结

第六章沉积物对磷的吸附、释放特征研究

6.1材料与方法

6.1.1沉积物样品的采集

6.1.2试验方法

6.1.3分析方法

6.2结果与讨论

6.2.1表层沉积物吸附磷动力学

6.2.2沉积物等温吸附平衡过程

6.2.3磷的低浓度吸附及吸附-解吸平衡浓度

6.2.4相关性分析

6.2.5 pH值对磷释放的影响

6.2.6释放过程中的磷形态变化研究

6.3小结

第七章水域污染控制与对策分析

7.1控源

7.1.1有效控制外源输入

7.1.2科学的减少内源负荷

7.2生态修复

7.3流域管理

第八章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文