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底泥疏浚环境效应及新生沉积物吸附释放氮磷的规律研究

孔维鑫  
【摘要】:为进一步提升水环境质量,底泥疏浚作为一种有效去除内源污染的手段被广泛应用,而底泥疏浚工程所引起的环境问题也被广泛关注。本文从宏观及微观层面对沂河沂水段底泥疏浚工程的环境效应展开研究,包括水质、沉积物、底栖生物及微生物四个方面。在此基础上,还探究了底泥疏浚对沂河新生沉积物吸附/释放特性的影响,构建了沂河“上覆水-表层沉积物”体系氮、磷的迁移转化模型,并对模型进行初步验证。得出主要结论如下:(1)沂河底泥疏浚的环境效应1)水环境效应。底泥疏浚可以显著降低沂河疏浚区水体中COD_(Cr)及TP的含量,削减率可达27.33%-71.25%、4.01%-94.20%,其含量分别经过38个月及50个月后恢复至未疏浚的水平。但底泥疏浚无法降低NH_4~+-N及TN的含量。且由于橡胶坝的截水,对沂河下游各项指标均无明显改善。2)新生沉积物环境效应。底泥疏浚对沉积物中TN、TP的去除作用不显著,同时,下游排水作业会显著增加沂河新生沉积物中TP的含量。采样初期,疏浚区新生沉积物中TOC含量高于未疏浚区,但于疏浚后38个月开始低于未疏浚区。同时,新生沉积物中C/N也随时间推移逐渐下降,表明沂河疏浚区有机质的降解难度逐渐降低,有利于降低新生沉积物中的营养盐的负荷并恢复疏浚区底栖生物、微生物的群落。3)生物效应。本研究共采集到8种底栖生物,隶属于5科8种。底泥疏浚显著降低了疏浚区颤蚓科生物的生物量,并于疏浚后50个月恢复。高通量测序结果显示,底泥疏浚对沂河沉积物中微生物的群落结构(门水平)影响较小。疏浚33个月后,疏浚区新生沉积物中微生物的丰度及多样性均高于未疏浚区,丰度指数ACE指数及Chao1指数分别高出13.26%-31.40%、14.35%-28.40%;多样性指数Simpson指数及Shannon指数分别高出0.01%-11.58%、0.20%-36.70%。(2)沂河新生沉积物氮、磷的吸附/释放特性1)沂河疏浚区新生沉积物对NH_4~+-N及PO_4~(3-)-P的吸附以化学吸附;未疏浚区沉积物对NH_4~+-N及PO_4~(3-)-P的吸附则以物理吸附为主,且均主要表现为表面吸附。底泥疏浚未显著改变沂河疏浚区新生沉积物的吸附机理,但可以有效提升新生沉积物对NH_4~+-N及PO_4~(3-)-P的吸附速率及吸附量,降低释放量。疏浚后PO_4~(3-)-P的平衡吸附量及最大吸附量分别提升1.80%-26.13%、20.69%-81.07%;NH_4~+-N的最大吸附量提升7.81%-32.92%,而NH_4~+-N及PO_4~(3-)-P的释放量分别降低13.77%-39.30%、0.04%-18.31%。但自疏浚后50个月起,疏浚区新生沉积物NH_4~+-N及PO_4~(3-)-P的最大吸附量开始低于未疏浚区,且释放量开始高于未疏浚区。2)当温度、pH、流速、上覆水浓度、吸附时间分别为17.35℃、8.26、0.71m/s、2.84 mg/L、34.08 h和15.80℃、6.85、0.71 m/s、0.71 mg/L、26.92 h时,沂河新生沉积物对NH_4~+-N及PO_4~(3-)-P的吸附量达到最大值,分别为8.20 mg/kg和26.72 mg/kg。当上述因子分别为16.04℃、5.83、0.29 m/s、1.18 mg/L、33.95 h和24.20℃、8.26、0.71 m/s、0.29 mg/L、13.91 h时,吸附量达到最小值,分别为-64.16 mg/kg和-6.32 mg/kg。3)根据沂河新生沉积物中TN和有效磷的含量及中心复合实验数据,本文确定了沂河新生沉积物对NH_4~+-N及PO_4~(3-)-P的吸附量与环境因子的回归方程,并得出温度、上覆水浓度及新生沉积物TN含量显著影响NH_4~+-N的吸附量;温度、上覆水浓度、新生沉积物有效磷浓度及吸附时间显著影响PO_4~(3-)-P的吸附量。(3)氮、磷迁移转化模型基于“上覆水-表层沉积物”体系氮、磷的迁移转化规律,本文综合考虑了悬浮颗粒物及不同介质中氮、磷形态的影响,使用数学软件Matlab搭建了适用于沂河的氮、磷迁移转化一维模型,并利用直接搜索法,对模型中参数进行求解及优化。经验证,优化后的氮、磷模型在研究区域内总体相对误差分别为20.83%、14.10%,模型具有较高的精度。


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