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滞缓河流悬浮颗粒物影响下的磷循环特征研究

张祺  
【摘要】:滞缓河流在我国水资源匮乏的地区普遍存在,往往伴随着流速缓,水质差等特点。悬浮颗粒物(SPM)作为磷在河流中迁移转化的重要载体,在滞缓河流中必然受到较强的化学风化及较弱的物理风化影响,从而导致其特征的变化,这一变化会对河流系统中磷的迁移转化过程造成重要影响,进而导致河流磷循环特征的潜在改变。滞缓河流悬浮颗粒物影响下的磷循环特征仍不明确。基于此,本文选择同位于海河流域的滞缓河流牛尾河与快速流河流滦河为研究对象,在明确两条河流水环境及水动力条件差异的基础上探究了其对悬浮颗粒物的影响,并采用磷赋存形态特征法与磷酸盐氧同位素(δ~(18)O_p)技术探究滞缓河流磷循环特征的变化,从定性和相对定量的角度揭示了悬浮颗粒物较沉积物更多的参与了与上覆水的磷交换。基于滞缓河流磷循环特征的变化,分析了其对水环境管理的影响,并提出水环境管理的应对措施。主要研究内容和结果如下:(1)滞缓河流水环境及水动力特征及对悬浮颗粒物的影响明确了滞缓河流牛尾河与快速流河流滦河在水环境及水动力条件上的差异,在水环境条件上牛尾河的水质均较滦河差,COD和电导率(COND)指标均较滦河高,富营养化指数指标也显示出了牛尾河更为严重的富营养化现状;在水动力条件上牛尾河的流速均低于滦河。滦河旱季平均流速为1.14m/s,雨季平均流速为1.45m/s,牛尾河旱季平均流速为0.12m/s,雨季平均流速为0.18m/s。扫描电镜(SEM)观测及模拟风化实验结果表明牛尾河较差的水环境条件及较弱的水动力条件造成悬浮颗粒物表面负载更多的有机裹层。(2)基于磷赋存形态的滞缓河流磷循环特征研究采用SMT法探究了牛尾河与滦河沉积物及悬浮颗粒物的磷形态特征,结果表明悬浮颗粒物较沉积物更多的参与了磷的吸附解吸附过程。基于改进的Freundlich交叉方程公式探究两条河流悬浮颗粒物与沉积物对磷所呈现的源汇角色,结果表明滞缓河流悬浮颗粒物较沉积物更易表现出对磷的汇,悬浮颗粒物能够优先于沉积物与上覆水中的磷发生吸附解吸附作用,并可能成为潜在的磷源。滞缓河流磷循环模式可能正在由传统的单向沉积型循环为主向磷在上覆水与悬浮颗粒物之间吸附解吸附动态平衡转变。(3)基于磷酸盐氧同位素(δ~(18)O_p)技术的滞缓河流磷循环特征研究优化并构建适用于滞缓河流上覆水、悬浮颗粒物以及沉积物的磷酸盐氧同位素前处理方法,并基于此方法收集滞缓河流牛尾河上覆水、悬浮颗粒物及沉积物的磷酸盐氧同位素比值并进行解译。结果表明δ~(18)O_p比值最高的是沉积物,其次是悬浮颗粒物,最后是上覆水,空间上看上覆水的δ~(18)O_p比值波动较悬浮颗粒物与沉积物小。基于悬浮颗粒物与沉积物所扮演的磷汇角色,认为悬浮颗粒物磷在上覆水与沉积物之间的交换更加频繁与密切,从而导致两者的磷酸盐氧同位素比值更为接近。从相对定量的角度明确了滞缓河流的磷循环特征已经由单向沉积型循环向磷在悬浮颗粒物与上覆水之间吸附解吸附动态平衡转变。(4)滞缓河流磷循环特征变化对水环境管理的影响总结并归纳了我国以点源、面源与内源为主的涉磷管理措施,并指出滞缓河流磷循环特征变化对这些措施的影响。点源上通过影响涉磷环境基准,使现行的涉磷环境标准丧失了基础理论的支撑,从而导致针对滞缓河流的磷排放标准不合理;面源上磷汇入将影响磷迁移转化路径,滞缓河流需要更为严格的面源磷输入阻控;内源上滞缓河流中的悬浮颗粒物较沉积物更多的参与了河流的磷循环过程,滞缓河流中沉积物不再是内源释放的首要风险源,内源控磷效果将面临挑战。针对滞缓河流磷循环特征的变化,提出合理设定点源控磷标准,强化面源磷输入阻控,谨慎选择内源控磷措施等应对措施。


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