环境因素影响下海湾蓄淡水库底泥盐分释放试验研究

张效龙，朱鸣鹤，郑西来

(1. 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026；2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3. 宁波大学，浙江 宁波 315211；4. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266000)

环境因素影响下海湾蓄淡水库底泥盐分释放试验研究

张效龙1,2，朱鸣鹤3，郑西来4

(1. 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026；2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3. 宁波大学，浙江 宁波 315211；4. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266000)

在现场调查的基础上，利用沐官岛海湾水库库区典型底质（砂质粉砂）的原状/扰动土样和地表水（海水和淡水），采用土柱和水槽试验测定了3.5 m/s风速或上覆水盐分浓度、pH和温度作用下底泥盐分向上覆水体释放的时－空变化规律，并定量计算出底泥盐分的释放通量。试验结果发现，底泥的盐分释放不同程度地受到环境因素的影响。（1）风的作用能促进底泥盐分释放。在风的作用下，上覆水中盐分浓度的分布存在明显的规律性：表层水体（水土界面之上4 cm水位至水体表面）盐分浓度均匀分布，底层水体（水土界面至4 cm水位水体）盐分浓度非均匀分布，且在3 cm水位处盐分浓度最小。（2）上覆水中盐分的浓度抑制底泥盐分的释放。（3）pH值≤7时，底泥盐分释放几乎不受影响；pH值＞7时，底泥盐分释放略有增加；（4）一定温度作用下盐分浓度在水体中非线性分布，在水-土界面至7.5 cm水位处为高盐分浓度区，7.5 cm水位至水体水面盐分浓度含量较低。温度的升高促进底泥盐分释放。

海湾水库；底泥；盐分释放；浓度；风；pH；温度

随着沿海经济的快速发展，水资源日趋匮乏，海湾水库的兴建已成为我国沿海地区解决水资源问题的重要途径之一。在海湾水库的建设中，库底底泥中盐分的释放是一个非常值得关注的问题。已有研究证明，底泥盐分释放会影响水库的水质[1,2]。影响底泥盐分释放的因素很多，其中备受关注的是环境因素的影响。赵文玉等的研究已证明，自然风和温度等环境因素对底泥盐分释放的影响较为显著[3]。但对于其它环境因素的影响及影响下底泥盐分释放的规律，研究的仍较少，而环境因素对底泥磷释放影响的研究却很多[4-9]。尽管底泥磷释放与盐分释放在释放机理上存在一定差异，但其研究思想和试验方法可供参考和借鉴。本文拟以沐官道海湾水库为例，通过现场采集样品，室内试验的方法，对风、上覆水盐分浓度、pH和温度等环境因素对底泥的盐分释放规律进行研究。目的是为该海湾水库高含盐底泥盐分置换研究及海湾水库水质的评价、预测提供科学依据。

官岛海湾水库是为解决青岛市淡水资源缺乏，而即将兴建的海湾水库。该水库面积约25 km2，平均水深约7.5 m，属宽浅型水库。汇入沐官岛水库的河流主要为白马河、吉利河和横河。经详细的地质勘察，该水库库区沉积物厚度超过10 m，底泥沉积物类型主要为粉质粘土、砂质粉砂和中细砂（图1）。沉积物底泥孔隙水中盐度高达14 ～ 32。

图1 水库库区底部表层底泥类型分布Fig. 1 Distribution of surface sediment at the reservoir bottom

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

（1）风影响试验装置：为一个大小200 cm × 50 cm × 80 cm的PVC槽（图2），试验中以风扇作为风源模拟自然风，模拟风速取沐官岛地区的多年平均风速（3.5 m/s）。底部内铺23.6 cm的底泥。

（2）上覆水盐分浓度、pH、温度影响试验装置：为一个高 30 cm、直径 20 cm的有机玻璃圆筒（图3），圆筒密封盖上面留一个监测孔，玻璃圆筒底部内铺 10 cm的沉积物底泥。有机玻璃圆筒外为直径30 cm、高30 cm的恒温水浴。此外，还有一个温度计。

图2 风影响试验的装置Fig. 2 Equipments for the affected test by wind

图3 浓度、pH及温度影响试验的装置Fig. 3 Equipments for the affected test by concentration, pH and temperature

（3）实验材料：上覆水采用沐官岛水库主要汇水水源白马河河水，其盐分浓度含量为0.292 g·L-1，对底泥盐度做饱和处理的海水为沐官岛海湾水库附近海域的海水，海水与上覆水成分见表1。试验土样选用取自沐官岛水库的典型砂质粉砂(部分试验还采用了中细砂)，其盐度与海水一致。

表1 试验用上覆水（淡水）与海水的主要离子组成(×10-3g·L-1)Tab. 1 Major ions in the freshwater and seawater used in the experiment (×10-3g·L-1)

1.2 试验方法

1.2.1 盐分释放通量的计算 试验时采用 DDS-11A型电导率仪测定不同水层的电导率，通过盐分浓度含量－电导率标准曲线（如图4）确定上覆水体中盐分浓度含量。将上覆水体各层某试验时刻的盐分浓度含量减去其释放试验初始时刻的含量求得底泥释放盐分浓度含量，再将各分层释放盐分浓度含量相加求得底泥的盐分释放通量。底泥盐分释放通量(flux)计算公式为：

式中：ci为试验第i层水体中的盐分浓度 (g·L-1)；vi为计算时刻第i层水体的体积(L)；c0为水体初始时刻的盐分浓度(g·L-1)；v0为水体总体积 (L)；n为水体的层数；tj为试验的第 j个时刻 (h)；t0为试验的初始时刻 (h)；A为水-沉积物接触面积 (m2)。

图4 低浓度(a)和高浓度(b)盐分浓度含量-电导率标准曲线Fig. 4 Relation between salt concentration and electrical conductivity of low (a) and high (b) concentration

1.2.2 风影响试验 将试验底泥样品装入PVC槽中，厚度为23.6 cm，加入海水饱和，使试验底泥的容重和孔隙水中的盐分含量与现场条件一致。然后抽出多余的海水，缓慢加入上覆水，水深为43 cm，加水时间为360 min。然后在试验装置的中心断面，利用DDS-11A型电导仪，采用随时间先密后疏的方法连续监测水体中0.0 cm，1.0 cm， 2.0 cm，3.0 cm，4.0 cm，5.0 cm，6.0 cm，7.0 cm，8.0 cm，9.0 cm，10.0 cm，12.0 cm，15.0 cm，20.0 cm，30.0 cm和43.0 cm水位处的电导率，试验时间为480 h。试验期间，采用风扇作为风源模拟自然风，风源距模拟装置约100 cm，距水面高约50 cm，模拟风速为3.5 m/s。进行该试验时室温保持在15 ± 0.5 ℃。同时，进行没有模拟风条件下的静置试验，用于结果的对比分析。

1.2.3 上覆水盐分浓度影响试验 将12组装置（图3）中铺上厚度为10 cm的试验底泥，加入适量的海水进行饱和，32 h后抽出装置内多余的海水。同时，利用食盐和去离子水调配上覆水，使其盐浓度分别为：0.313 g·L-1， 2.212 g·L-1，3.465 g·L-1，4.324 g·L-1，5.788 g·L-1，6.535 g·L-1，7.621 g·L-1，8.365 g·L-1，9.557 g·L-1，10.453 g·L-1，11.899 g·L-1和13.623 g·L-1。然后将调制好的上覆水分别缓慢注入试验装置中，注水深度为20 cm，注水时间为25 min。监测点分别为0.0 cm，1.0 cm，2.0 cm，3.0 cm，4.0 cm，5.0 cm，6.0 cm，7.0 cm，8.0 cm，9.0 cm，10.0 cm，12.0 cm，15.0 cm，20.0 cm，监测方法与风影响试验相同，试验时间为480 h。1.2.4 pH及温度影响试验 将原状底泥样品分别装入图3的4组装置中，厚度为10 cm。采用浓度影响试验中底泥饱和的方法进行底泥饱和。然后加上覆水，加水及试验监测方法与盐浓度影响试验相同，试验时间为480 h。

pH 值影响试验时因拟建沐官岛水库入蓄淡水的pH值为偏碱性，年平均值为7.2。为模拟水体pH值的极端影响，利用不影响水体初始盐分浓度的Na2CO和H2SO调节水体起始 pH 值，使 pH值分别为5.4，7.2，8.4和11.4。

温度影响试验时，根据拟建海湾水库气温特点，选用的试验温度分别为5 ℃，15 ℃，25 ℃和35 ℃。

2 试验结果分析

2.1 风作用下上覆水体中盐分浓度分布规律

在风的作用下，试验不同时段，上覆水中盐分浓度在垂向上的分布如图5(a)所示。从图5中可以看出，在试验的不同时段间，上覆水体中盐分浓度的分布均存在明显的差异，且各时段水－土界面之上4.0 cm水位至上覆水体表面水体中盐分浓度呈均匀分布；而4.0 cm水位至水－土界面间上覆水体中的盐分浓度则随离水－土界面距离加大，总体上含量呈快速递减的分布趋势，但在3.0 cm至4.0 cm水位盐分浓度分布随离水－土界面距离加大稍微递增。就整个水体中盐分浓度的分布规律看，3.0 cm水位附近盐分浓度最低。采用沐官岛海湾水库另一种典型底质类型——中细砂为试验底泥进行了相同试验。试验结果显示的盐分浓度在水体中的分布规律与砂质粉砂的相似，且比砂质粉砂试验的规律更明显（如图5(b)）。从图5中还可以看出，随着实验时间的增加，上覆水中盐分浓度不断加大，盐分的分布规律更明显。

对于盐分浓度在上覆水中的上述分布规律可作如下解释：风作用下，在水体表面波动形成风生流。受风生流甚至是对流扩散（乃至湍流扩散）的影响，使上覆水体绝大部分处于完全混合状态。因对流扩散系数比分子扩散系数高约2 ～3个数量级[10,11]，风作用下产生的扰动使得沉积物释放盐分在上覆水体中扩散的速度大大加快，结果导致4.0 cm水位至上覆水体表面间水体中的盐浓度含量呈均一化分布。而水－土界面附近的水体，受底泥表面摩擦力的影响，风生流的扰动减弱，底泥盐分释放以分子扩散为主，扩散速度较慢，因而，在水－土界面至3.0 cm水位之间，上覆水体中盐分浓度随离水-土界面距离的加大呈快速递减趋势。至于3.0 cm ～ 4.0 cm水位之间上覆水体中盐分浓度的分布趋势，作者认为是分子扩散与对流扩散共同作用的结果。

1.4.4 湿度指数(NDMI) 湿度指数NDMI对湿度、含水量信息非常敏感[8,16]，因为短波红外波段(相当于MODIS的Ref6)受水吸收带的影响，并且绿波段(相当于MODIS的Ref4波段)对水体反射敏感强，选用MODIS的这两个波段通过规格化处理的计算公式：

图5 风影响下盐分浓度在水体中的分布（(a) 砂质粉砂；(b) 中细砂）Fig. 5 Salt concentration distribution in the water under winds((a) clayey silt; (b) middle-thin sand)

2.2 风对底泥盐分释放的影响

利用试验数据和式(1)得出的试验不同时刻底泥盐分的释放通量变化曲线见图 6。由图 6可见，风作用下底泥盐分释放通量随时间增加逐渐减小。将无风作用底泥盐分释放通量随时间的变化结果也绘于图6，可见其变化规律与风作用下的类似。它们的盐分释放通量随时间变化均呈负的幂指数关系，有风作用和无风作用的关系式分别为y = 2.272 2 x-0.2654, R2= 0.879 3和y = 2.238 18 x-0.5082, R2= 0. 936 7 。由式（1）推算，试验 5 d时，风作用下底泥盐分释放通量为0.644 g·(m2·h)-1，无风作用下底泥盐分释放通量为0.545 g·(m2·h)-1；试验 11 d 时，风作用下底泥盐分释放通量为0.523 g·(m2·h)-1，无风作用下底泥盐分释放通量为 0.427 g·(m2·h)-1；20 d（试验结束）时，风作用下底泥盐分释放通量为0.447 g·(m2·h)-1，无风作用下底泥盐分释放通量为0.355 g·(m2·h)-1。为分析风作用对底泥盐分释放通量的影响程度，这里引入影响度的概念，即风作用下底泥盐分释放通量与无风作用下底泥盐分释放通量的差值占无风作用下底泥盐分释放通量的百分数。根据这个概念，试验5 d，11 d和20 d（试验结束）时风的影响度分别为18.2%，22.5%和25.9%。由上述分析可见，风的作用促进底泥的盐分释放，且影响度随风时呈增大趋势。

图6 有风和无风作用下盐分释放通量随时间变化曲线Fig. 6 Salt release flux of sediment change with time under winds and without winds

2.3 上覆水盐分浓度对底泥盐分释放的影响

图7为上覆水不同盐分初始浓度条件下，底泥盐分释放的通量试验结果。由图7可见，上覆水盐分的初始浓度低，底泥盐分释放通量则大；上覆水盐分的初始浓度高，底泥盐分释放通量则小。上覆水盐分的初始浓度与底泥的盐分释放通量间为反比例线性关系，其数学表达式为y = -0.011 6 x + 0.382 5,R2= 0. 970 4。由上述结论可知，上覆水盐分的初始浓度阻碍底泥盐分的释放。该结论与上覆水磷的初始浓度对底泥磷释放影响的结论相一致[5,6]。因在静置条件下，底泥的盐分释放和磷释放均以分子扩散作用为主，其规律符合Fick第一定律。

2.4 pH值对底泥盐分释放的影响

上覆水pH值为5.4, 7.2, 8.6和11.4条件下底泥盐分释放的试验数据的分析结果如图8所示。由图8可见，pH 值对底泥盐分释放的影响不明显。在酸性水环境中，底泥的盐分释放量几乎不受影响；在碱性水环境中，底泥盐分释放略有增加。其原因主要受盐分的组成控制。库区底泥释放的盐分主要为钠盐 (Na+)。此外，还有一定量的镁盐 (Mg2+)和钙盐 (Ca2+)（见表1）。根据Mg2+和Ca2+的化学特性，在碱性环境中，Mg2+和Ca2+会与水体中多余的HO-结合形成絮凝状的Mg(HO)2和Ca(HO)2沉淀。这种化学反应过程会促进土体孔隙水中镁盐 (Mg2+) 和钙盐 (Ca2+) 向水体中扩散，从而使得底泥盐分释放在碱性环境中出现增加的现象。但由于镁盐 (Mg2+) 和钙盐 (Ca2+) 含量在孔隙水中比中性的钠盐含量少许多（约为1/10左右）[12]。所以，尽管碱性环境有利于底泥中镁盐 (Mg2+) 和钙盐 (Ca2+) 的释放，对底泥盐分释放的贡献并不明显。

图7 上覆水中初始浓度与底泥盐分释放通量的关系Fig. 7 Relation between start concentration in the water and salt release flux of sediment

2.5 温度对底泥盐分释放的影响

(1)上覆水体中盐分浓度分布规律

通过对试验结果的分析，不同温度条件下底泥释放盐分浓度在水体中的分布特征如图9所示。由图9可知，不同温度影响下，底泥释放盐分浓度在水体中随水位呈非线性分布，且这种非线性分布有随试验时间的增长线性化变化的趋势。从图中还可以看出，底泥释放盐分浓度在水体中的分布具有明显的区段性。高浓度区集中分布在水－土界面(0 cm) 至7.5 cm水位间的水体中，低浓度区集中分布在7.5 cm水位至水体表面 (20 cm) 水体中。从图9中还可以看出，尽管随着试验时间的增加，底泥释放至水体中的盐分浓度均增加，但无论试验的任何时刻，水体中盐分浓度含量总是与温度正相关，即5 ℃条件下的浓度＜ 15 ℃条件下的浓度＜ 25 ℃条件下的浓度＜ 35 ℃条件下的浓度。

(2)盐分释放通量变化

利用试验数据和式(1)，可确定不同温度条件下各试验时段底泥盐分释放的通量。底泥盐分释放通量随时间的变化如图10所示。由图10可知，一定温度下底泥的盐分释放通量随试验时间的延长而逐渐减小，且在试验初期减小快，在试验250 h后趋于稳定。通过回归分析，一定温度下底泥盐分释放通量随时间的变化关系属负的幂指数形式，其统计学关系式见图10。试验结束时，5 ℃条件下底泥盐分释放通量为 0.211 g·(m2·h)-1；15 ℃条件下底泥盐分释放通量为 0.399 g·(m2·h)-1；25 ℃条件下底泥盐分释放通量为 0.495 g·(m2·h)-1；35 ℃条件下底泥盐分的释放通量为 0.522 g·(m2·h)-1，可见温度越高底泥盐释放通量也越大，温度的升高促进底泥盐分释放。

图8 不同pH值不同水位处水体盐浓度随时间的变化Fig. 8 Salinity changes of different water height with time under different pH values conditions

图9 一定温度下5天 (a)、10天 (b) 及20天 (c) 时水体中盐分浓度分布曲线Fig. 9 Salinity content distribution in waters at 5 days (a), 10 days (b)and 20 days (c) under temperature

通过对试验数据回归分析，温度与盐分释放通量间的关系为对数关系，其相关系数为0.9961，数学表达形式如下：

式中：Flux为底泥盐分释放通量（g·(m2·h)-1）；T为温度（℃）；a和b为系数。通过对试验数据的分析，a和b均不为常数，均为时间的函数，且与时间均呈乘幂函数关系。经过对实验数据的拟合分析，它们的拟合相关系数分别为0.980 6和0.978 8，它们的拟合方程分别为：

由式（5）可见温度影响下的底泥盐分释放通量不仅与温度有关，而且也是时间的函数，且与温度呈正相关，与时间呈负相关。这说明温度越高，达到平衡状态所需的时间就越短。

图10 一定温度 ((a) 5℃,(b) 15℃,(c) 25℃,(d) 35℃) 条件下底泥盐分释放通量随时间的变化Fig. 10 Salt release flux of sediment change with time under temperature(a) 5℃, (b) 15℃, (c) 25℃, (d) 35℃

3 结 论

(1) 风影响下，底泥盐分释放通量随时间呈负的幂指数关系，且随着时间的增长风的影响度有增大的趋势。风的作用促进底泥盐分释放。

(2) 上覆水中初始盐分浓度阻碍底泥盐分释放，且浓度越大底泥盐分释放通量越小。pH 对底泥盐分释放影响很小，仅在碱性环境条件下底泥盐分释放略有增加。

(3) 一定温度影响下，底泥的盐分释放通量随温度的升高而增加，温度的升高促进底泥盐分释放。通过回归分析，确定底泥盐分释放通量随温度呈非线性变化关系，且与温度正相关，与时间负相关。

(4) 环境因素影响下，盐分在水体中的时－空分布规律表明，自然状态下高盐区集中在水库底部，因而采用抽取库底高盐度水，可有效改善库水水质。

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Test investigation for salt release from sediments in a polder reservoir under effects of environmental factors

ZHANG Xiao-long1,2, ZHU Ming-he3, ZHENG Xi-lai4

（1. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 3. Ningbo University, Ningbo 315211, China;4. Institute of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China）

Based on the field investigation, the typical sediments (sandy silt) undisturbed/disturbed and the land surface water (seawater and freshwater) are sampled in the Muguandao Reservoir area. The temporal-spatial variations are studied for the effects of wind and temperature on the salt release from the sediments by means of the sediment column and tank tests. And the salt fluxes from sediments are calculated. The results show that the salt release is affected in different extent by different factors. (1) The salt flux is increasing under the wind. Under the effect of wind, from the water surface to the 4cm high water level above the sediments, the distribution of salt concentration is homogeneous,while it is heterogeneous below the 4cm high water level. In addition, at the level of 3cm the salt concentration reaches its lowest point. (2) The release of salt in sediments is resisted by salt concentration of the overlying water. (3) When pH≤7, the release of salt in sediment is almost not affected by the pH value, however, when pH＞7, it increases a little.(4) Salinity distribution is non-linear in the water under the influence of temperature, i.e. high in the layer of 0.0～7.5 cm above the water-sediment boundary, and low in the layer from the water surface to the 7.5 cm above the boundary.The salt flux from the sediments is increasing with the temperature rising.

polder reservoir; sediments; salt release; salt concentration; wind; temperature

P736.4+1

A

1001-6932(2010)02-0135-08

2009-03-11；

2009-08-07

国家自然科学基金资助（40572142）；宁波市自然科学基金项目资助（2006A610080号和2007A61005号）；宁波大学学科科研基金资助（XK200562号和XY0600062号）

张效龙，男，(1975－)，副研究员，河南博爱县人，大连海事大学在读博士，主要从事海洋工程环境及海底光缆路由勘察方面的工作和研究。电子邮箱：zhangxiaolong@fio.org.cn或zhangxiaolong2009@huawei.com