南四湖及主要入湖河口沉積物的污染特征及磷吸附釋放研究.pdf

1、南四湖是山東省最大的淡水湖泊，同時(shí)也是我國北方最大的淡水湖泊，作為南水北調(diào)東線工程的重要輸水通道和調(diào)蓄湖泊，近年來南四湖整個(gè)湖區(qū)水質(zhì)已基本屬于中度富營養(yǎng)化和富營養(yǎng)化水平，富營養(yǎng)化已成為南四湖不容回避的一個(gè)最重要的水環(huán)境問題。在南水北調(diào)工程運(yùn)行后，南四湖的水流方向?qū)l(fā)生改變，即調(diào)水將由下級湖流入上級湖，南四湖主要入湖河流絕大部分分布于上級湖，近30年來，這些河流水質(zhì)長期處于嚴(yán)重污染狀態(tài)。調(diào)水后，這些河流將嚴(yán)重影響調(diào)水水質(zhì)。由于國家對南水北

2、調(diào)沿線采用了嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，對于各入湖河流的達(dá)標(biāo)排放將按時(shí)實(shí)現(xiàn)。但是長期受嚴(yán)重污染的河流底質(zhì)對入湖河流水質(zhì)的影響難以預(yù)測。對這些河流河口區(qū)的表層沉積物的重金屬和營養(yǎng)鹽進(jìn)行相關(guān)研究，可為調(diào)水前沉積物研究積累數(shù)據(jù)資料，為湖區(qū)開展流域污染綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。在外源磷負(fù)荷得到削減和控制的條件下，底泥污染物勢必會對調(diào)水形成二次污染，內(nèi)源磷負(fù)荷成為決定調(diào)水水質(zhì)的關(guān)鍵所在。因此，研究沉積物中內(nèi)源磷負(fù)荷及其釋放，以及沉積物對磷的吸附作用就顯得尤為

3、重要。對沉積物中磷的賦存形態(tài)、含量變化以及其中的生物有效部分進(jìn)行分析研究，有助于了解沉積物磷的遷移轉(zhuǎn)化過程以及各形態(tài)磷在淺水湖泊富營養(yǎng)化過程中起的作用，對生物有效磷的控制和削減可能是解決南四湖富營養(yǎng)問題的一條重要途徑。 基于以上，對南四湖表層沉積物進(jìn)行了相關(guān)研究，主要研究結(jié)論如下： 應(yīng)用spot-5多光譜彩色遙感影像數(shù)據(jù)(2006.6月數(shù)據(jù))，對南四湖湖區(qū)地表覆蓋現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示南四湖湖區(qū)地表覆蓋情況復(fù)雜，明

4、顯區(qū)別于我國其它的大型淺水性湖泊，湖區(qū)可基本分為5種代表性地表景觀，分別是開闊水域、魚塘、水生植被、農(nóng)田和陸地植被，其中開闊水域的面積僅占湖區(qū)總面積的41.71％。水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，南四湖重點(diǎn)污染區(qū)域水質(zhì)不能滿足GB3838-88中V類水的要求，大部分區(qū)域水質(zhì)距III類水的要求相距甚遠(yuǎn)，TP超標(biāo)嚴(yán)重，并且在湖區(qū)由北向南呈明顯的遞減趨勢。水中Cr、Cu、Mn、Pb、Zn含量較低，均能達(dá)到GB3838-88中I類水標(biāo)準(zhǔn)，無超標(biāo)現(xiàn)象。通過對南

5、四湖主要入湖河流表層沉積物中重金屬(Al、Ca、Fe、Mn、Zn、Cr、Cu、As、Pb、Ni和Cd)分布狀況的研究發(fā)現(xiàn)，西支河、泗河、萬福河和梁濟(jì)運(yùn)河是南四湖上級湖重金屬污染的主要河流，而一直被視為污染嚴(yán)重的洗府河對南四湖的重金屬污染的貢獻(xiàn)并不大，重金屬污染不是洗府河治理的首要目標(biāo)。泗河沉積物中各重金屬元素濃度均較小，但是結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查以及對上覆水中重金屬濃度的同步監(jiān)測可知，泗河受重金屬污染較嚴(yán)重。因此將沉積物中重金屬污染評價(jià)結(jié)論作為治

6、理依據(jù)時(shí)，還應(yīng)結(jié)合沉積物的化學(xué)組成、上覆水和間隙水中重金屬濃度、水利條件等因素進(jìn)行綜合考量。 河流沉積物中Cu、Pb和Zn之間存在明顯的相關(guān)性，特別是Cu和Zn之間呈顯著正相關(guān)：Mn與Al、As、Cd、Cr和Ca表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，Mn是這幾種重金屬元素的主要賦存相；Fe僅與Pb之間具有相關(guān)性；Ca與Al、As、Cd和Mn之間具有顯著的相關(guān)性，土壤侵蝕和巖石風(fēng)化作用對這幾種金屬元素組成具有影響。地積累指數(shù)法與潛在生態(tài)危害指數(shù)法的

7、評價(jià)結(jié)果均顯示南四湖地區(qū)受Cd污染嚴(yán)重，受As污染次之，其它金屬元素屬于較輕的污染程度。南四湖河流沉積物中Cd的質(zhì)量濃度高達(dá)2.65～5.04 mg·kg-1，作為一種危險(xiǎn)的環(huán)境污染物，沉積物中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國環(huán)境監(jiān)測總站公布的湖相沉積物母質(zhì)Cd的背景值0.098mg·kg-1，較高濃度的Cd應(yīng)引起有關(guān)部門的高度重視，以保障南四湖地區(qū)人民的身體健康。 南四湖沉積物中總磷與磷形態(tài)的相關(guān)研究結(jié)果顯示，沉積物中TP平均含量占沉積物總

8、質(zhì)量的0.08％。不同形態(tài)磷的質(zhì)量濃度存在很大差異，將各個(gè)形態(tài)的磷質(zhì)量濃度進(jìn)行排列可知IP＞Ca-P＞OP＞Ads-P＞Fe-P＞Al-P。沉積物中無機(jī)磷含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有機(jī)磷含量，無機(jī)磷當(dāng)中Ca-P是最主要的組成部分，IP和Ca-P的最大值都出現(xiàn)在航道，Ads-P的最大值出現(xiàn)在受人為影響嚴(yán)重的航道和梁濟(jì)運(yùn)河，Al-P在南四湖中的分布具有一致的規(guī)律，都處于近于不可檢出的范圍內(nèi)，除了洗府河之外，F(xiàn)e-P的質(zhì)量濃度都在17.72 mg·kg-

9、1以下，有機(jī)磷最大質(zhì)量濃度出現(xiàn)在梁濟(jì)運(yùn)河，該地區(qū)人類活動頻繁，不僅是京杭運(yùn)河的重要組成部分，也是濟(jì)寧市污水排放的主通道。通常情況下流域河道沉積物中的有機(jī)磷含量應(yīng)比湖區(qū)沉積物高，本研究中南四湖湖區(qū)較高濃度的有機(jī)磷可能是由于大量水生植物殘骸長期遺留在湖底，發(fā)生降解，導(dǎo)致沉積物有機(jī)質(zhì)含量較高引起的。沉積物磷的主要組成部分Ca-P、Ads-P、OP和TP之間都存在著正相關(guān)性，其中TP與Ca-P、Ads-P兩種無機(jī)磷之間的相關(guān)性最顯著；Ads-P

10、與Ca-P之間存在著正相關(guān)性；IP之中只有Ads-P與OP之間存在相關(guān)性，磷的釋放過程中，酸可提取有機(jī)磷在微生物的作用下轉(zhuǎn)換為易于被生物所利用的無機(jī)磷，這很可能是導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)的重要過程之一；Fe-P和Ca-P之間存在明顯負(fù)相關(guān)性，沉積物中確實(shí)存在著Fe-P和Ca-P之間的相互轉(zhuǎn)化。 生物有效磷的最大值出現(xiàn)在洗府河，惠河、萬福河、航道和梁濟(jì)運(yùn)河的生物有效磷含量也相對較高。BAP含量在四個(gè)湖區(qū)的排序?yàn)椋邯?dú)山湖＞昭陽湖＞微山湖＞南陽

11、湖，獨(dú)山湖、昭陽湖和微山湖高濃度的BAP值應(yīng)引起我們更多的關(guān)注。BAP可以比較客觀的反映南四湖沉積物受人類活動影響的大小，以及對河口生態(tài)環(huán)境的危害程度，并且可以作為一個(gè)反映南四湖污染程度評價(jià)的主要指標(biāo).BAP與磷形態(tài)的相關(guān)性分析顯示，BAP只與OP之間存在顯著正相關(guān)，由OP可以粗略的估算出沉積物中潛在的可釋放磷，即有效的內(nèi)源磷負(fù)荷。 與主要理化性質(zhì)之間的相關(guān)性方面，TP僅與Al、Mn之間存在正相關(guān)性，與其它沉積物理化性質(zhì)參數(shù)之間

12、相關(guān)性均不明顯；有機(jī)磷僅與有機(jī)質(zhì)、Ca含量之間存在著正相關(guān)關(guān)系，南四湖沉積物中有機(jī)磷的含量很大程度上取決于有機(jī)質(zhì)含量的多少；Fe-P含量與水體PO43-濃度關(guān)系密切，F(xiàn)e-P對湖泊水體富營養(yǎng)狀況存在著重要的影響，可以作為指示湖泊水體富營養(yǎng)化程度的一項(xiàng)指標(biāo)，沉積物中大多數(shù)的鐵因與硅結(jié)合而不具反應(yīng)活性，即沉積物中的活性鐵極少，僅有很少部分具有反應(yīng)活性的鐵參與了磷的吸附是導(dǎo)致南四湖沉積物中Fe-P含量較少的一個(gè)主要原因。 沉積物對磷的

13、吸附特性的相關(guān)研究表明，南四湖表層沉積物對磷的吸附在48h時(shí)基本都達(dá)到平衡狀態(tài)，主要的吸附發(fā)生在1h內(nèi)。最大吸附量的分布呈現(xiàn)較明顯的趨勢，即由南陽湖向微山湖逐級遞減。在本研究試驗(yàn)條件下，沉積物吸附.解吸濃度的變化范圍為0.010～0.157 mg·L-1，惠河、復(fù)新河、洗府河、大沙河以及4個(gè)湖區(qū)的沉積物樣品目前不具有向上覆水釋放磷的趨勢。沉積物磷吸附特征參數(shù)與Ads-P都具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，Ads-P可以作為評價(jià)南四湖污染狀況的一項(xiàng)重

14、要指標(biāo)，磷吸附特征參數(shù)與沉積物的污染程度緊密相關(guān)。cEPC與Ads-P、TP、IP和Ca-P之間都具有較顯著的正相關(guān)性，在相同的上覆水濃度下，營養(yǎng)水平高的沉積物易于發(fā)生解吸，從而使湖泊富營養(yǎng)化加劇。磷吸附的特征參數(shù)之間，m與TQmax之間有顯著的正相關(guān)性，m 不僅體現(xiàn)的是對外來磷的吸附效率，還應(yīng)當(dāng)包含對本身釋放磷的再吸附的效率；沉積物的NAP與Qmax和TQmax之間都具有較好的正相關(guān)性，同時(shí)Qmax與TQmax之間也有顯著的正相關(guān)關(guān)系

15、；NAP與其cEPC之間有明顯的正相關(guān)性，總的趨勢為當(dāng)上覆水中磷含量相等時(shí)，具有高的NAP的沉積物易向上覆水體釋磷，反之具有較低NAP的沉積物易于從水中吸附磷。在釋放方面，對于不同富營養(yǎng)化程度的沉積物而言，在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿條件下的磷釋放量都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中性條件下。沉積物中Fe-P/Ca-P比值可作為鑒別酸化或堿化引起的磷釋放的簡單指數(shù)，南陽湖、微山湖的沉積物Fe-P/Ca-P比分別為1.05、0.24。環(huán)境的堿化更易于引起南陽湖沉積物的磷的釋