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感潮河段沉积物—水界面营养盐交换行为研究

姜鲁青  
【摘要】:河口是联系陆地河流与海洋两大生态系统的过渡地带,河口区营养元素的生物地球化学行为对其向海洋的输出有显著的影响。沉积物-水界面是河口水体在物理化学和生物特征等方面差异性最显著和进行物质输运与交换最频繁的边界。淡、咸水交汇后必然导致河口水体中固、液相之间营养元素的再分配和形态发生变化,从而影响其由陆地输入到海洋的数量的组成特征。作为一条典型的城市纳污河流,李村河口潮滩污染比较严重,潮滩沉积物中赋存的营养元素的迁移和转化对河口区乃至胶州湾的生物生产过程有重要的影响。本文通过研究吸附、释放动力学及吸附热力学过程,探讨了营养盐在悬浮颗粒物表面的吸附/释放特性,并进一步分析了环境因素对吸附/释放行为的影响;通过模拟沉积物-水界面营养盐的交换过程,得出了界面营养盐交换通量,并在此基础上研究了环境因素对界面营养盐交换过程的影响;通过对底部海流流速和风速的现场观测,分析了河口沉积物再悬浮的水动力机制,进而对沉积物再悬浮条件进行了模拟标定,并在此基础上对沉积物再悬浮和沉降过程中营养盐含量的变化过程进行了模拟研究。基于现场观测和实验室中的模拟,取得了以下新的认识和结论: 1.全面测定了感潮河段上覆水和沉积物的物理及化学性质。结果表明: (1)上覆水氨氮、硝酸盐、TN和磷酸盐的含量以及Eh和COD的变化趋势一致,总体上呈现出涨潮时降低,落潮时升高的趋势;而水深、盐度、溶解氧含量和pH值的变化规律正好相反。上覆水的物理化学性质受潮汐影响显著。 (2)表层沉积物的粒径呈现从河口到上游先增大后减小的趋势;沉积物中的氨氮和硝态氮的含量大体上都随深度的增加而增加;随着深度的增加,总磷含量减少的速率逐渐增大。 2.建立了悬浮颗粒物对PO_4~(3-)-P、NH_4~+-N、NO_3~-N的吸附动力学过程。试验得出三者吸附平衡时间分别为8h、2h和12h;NO_3~--N的吸附动力学过程可用抛物线扩散模型和Elovich模型进行较好拟合,NH_4~+-N的吸附动力学过程可用Elovich模型进行高度拟合。一级动力学模型对二者的拟合度都较差,表明NO_3~--N、NH_4~+-N的吸附作用受多种环境因素制约。 3.系统研究多种因素对营养盐在悬浮颗粒物表面的吸附与释放行为的影响。盐度升高有利于PO_4~(3-)-P的释放;温度升高对PO_4~(3-)-P吸附、释放都有促进作用;振荡频率的升高有利于PO_4~(3-)-P的释放,沉积物颗粒能否处于悬浮状态是影响PO_4~(3-)-P释放的关键;随着泥水比的升高,PO_4~(3-)-P的释放速率和释放量显著提高。 4.测定了感潮河段沉积物-水界面营养盐的交换通量。结果表明:扩散过程是控制营养盐界面交换的最主要过程,上覆水和间隙水之间浓度差决定了其交换速率;沉积物为亚硝态氮、氨态氮、磷酸盐等营养盐的源。 5.分析了不同环境因素对沉积物-水界面营养盐交换通量的影响。研究结果表明:温度和生物扰动是影响交换通量的主要因子;溶解氧浓度改变时,硝态氮、氨态氮和磷酸盐的交换通量会发生改变,而亚硝态氮基本不变;随着盐度的增大,氨氮和亚硝态氮的交换通量逐渐增大,NO_3~--N的交换通量逐渐减小,而磷酸盐基本没有变化。 6.基于现场观测数据计算了波要素、波浪切应力和底流切应力。结果表明:小风速条件下波浪切应力与底流切应力大致相当,且二者均小于各自的临界切应力;中、大风速条件下,波浪切应力显著大于底流切应力,亦大于临界波浪切应力。 7.确定了不同扰动频率与悬浮物浓度的关系。确定了距离沉积物-水界面50cm处的悬浮物浓度( C50 )与扰动频率( n )的定量关系为C50=0.00044exp(n/0.486)+24.875,进而得出了现场不同风速下实测C50所对应的扰动频率,从而建立了扰动频率(n)与现场风速(v)的定量对应关系:v=4.3091n-17.001。 8.模拟了沉积物再悬浮和沉降条件下的营养盐响应。研究结果表明:上覆水中的营养盐含量随着扰动强度的改变而发生变化;沉降阶段的最初0.5h是悬浮物浓度降低的主要阶段。小风和中风条件下,随着悬浮物浓度的逐渐增加,水体氨氮的含量有所下降;大风过程中,虽然悬浮物浓度较大,但水体氨氮含量相对于中风时有所升高。水体磷酸盐含量与悬浮物量之间呈负相关关系。


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