梁滩河底泥污染特征及其对上覆水的影响初探

周安兴,陆佳芸,纪芳芳,李 科,方 芳,郭劲松

(重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400045)

底泥是河流营养物质的蓄积库,是许多河流营养物重要的内源负荷。一定条件下,累积于底泥中的污染物通过与上覆水体间的物理、化学、生物作用交换,可重新进入上覆水中,成为影响河流水质的二次污染源,从而影响河流水质环境。胡雪峰等[1]对上海市郊河流底泥氮磷释放规律的研究发现,河流底泥普遍含有很高的氮、磷和有机负荷。范成新等[2]的研究表明,通过底泥释放进入骆马湖的氮磷占全湖入湖氮磷总量的7.06%和1.21%。李高金等[3]研究南四湖中环境因素对磷释放的影响时发现,随着湖水p H值和温度的升高,沉积物内源磷的释放量增加。谭镇等[4]对惠州西湖底泥的氮磷释放特征进行了初步研究,发现污染严重湖泊的底泥负荷大。底泥作为河流营养物质的内源,其污染状况对河流的富营养化程度有重要的影响,即在外源营养物输入减少或停止等条件下,底泥的营养盐释放可能成为影响河流水质的主要因素,所以了解底泥污染特征对河流的治理与修复有着重要的意义。

梁滩河是嘉陵江下游右岸的1条主要支流,是重庆市1条重要的城市次级河流,也是三峡水库库尾流域面积最大的1条次级河流。由于长期受到城镇居民生活、工业、农业养殖等废水及固体废弃物排放影响,河水发黑发臭,梁滩河河床淤泥沉积。近年来,随着流域内人口增加,工业迅猛发展,梁滩河流域的生态环境遭到较大损害,仅2009年梁滩河九龙坡区段排放CODCr就达3 227 t,TP 125 t,分别超过最大允许排放量的5倍和20倍[5],严重影响到了流域内居民的身体健康及工农业的正常发展。目前对梁滩河的关注主要集中在外源污染对水质的影响,而对梁滩河底泥的研究还不多见。通过对梁滩河底泥中总有机质,TN,TP,含水率以及其间隙水、上覆水的CODCr,TP,TN的测定,了解梁滩河底泥污染特征,初步探讨底泥对上覆水的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区域与采样断面布置

通过对梁滩河流域的水文状况和流域内的人口、产业分布情况初步调查,确定3个采样断面,分别位于梁滩河右支的天赐温泉(北纬29°30′55.09″,东经106° 21′58.88″),童善桥(北纬29°33′01.00″,东经106°22′21.11″),土主镇(29°37′55.64″,东经106°22′13.07″)。2010年8月利用采样装置在梁滩河采集0～10 cm表层底泥,每个采样断面均经多点采样混合。所采底泥带回实验室,测定含水率,取一部分用于离心(4 000 r/ min,30 min)分离间隙水,另一部分在阴凉通风处自然风干,干燥碾碎后分别过100目筛,装入塑料袋中密封待测。测定底泥样品的有机质,TN,TP。

现场测定上覆水温度,p H值,溶解氧,所取水样加硫酸至p H<2后,在4℃条件下保存,并于24 h内测定CODCr,TN,TP。

1.2 分析方法

1.2.1 底泥

底泥有机质总量采用低温外热重铬酸钾氧化—比色法测定;底泥 TN的测定采用开氏消煮—常量蒸馏—纳氏试剂光度法;TP的测定经浓硫酸-高氯酸高温消解,采用钼锑抗比色法测定[6];底泥含水率用重量法测定。

1.2.2 水样

采用离心分离法制备间隙水,在室温条件下用离心机对底泥离心分离(4 000 r/min,30 min),所得上清液置于玻璃瓶内在4°C冰箱里冷藏。

p H值,温度,溶解氧均采用电极法测定。CODCr,TN和 TP的分析方法依照相关文献[7],分别采用重铬酸钾法、过硫酸钾氧化—紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法测定。

2 结果与分析

底泥及其间隙水、上覆水理化指标的测定结果如表1所示。

表1 梁滩河底泥、间隙水及上覆水理化指标值

2.1 含水率

含水率的大小反映了底泥的疏松情况,直接影响底泥的再悬浮程度,而底泥的再悬浮过程是营养盐在底泥与上覆水之间重新分配的重要途径[8]。由表1可知,天赐温泉、童善桥、土主镇断面底泥含水率分别为47.22%,46.41%和38.42%,其中天赐温泉、童善桥底泥含水率接近50%,表明其泥质疏松,具有较大的不稳定性,易在较大风力、水动力或人为扰动下发生再悬浮,而扰动又可以导致底泥的含水率增加[9]。相对天、童两断面,土主镇的含水率较低,表明此处人为干扰较少,底泥受扰动少而相对稳定。一般在较低含水率下,底泥中有机质不易在上覆水间重新进行分配,这在一定程度下减少水体的营养盐含量[10]。

2.2 有机物和CODCr

底泥所含的有机质,一般是城市污水带入有机质和淡水水生生物死亡残骸长期积累的结果[4]。有机质是生物生命活动所需能量的来源,其含量是反映沉积物营养水平的重要指标之一[11]。各采样断面有机质含量分布见图1。

由图1可知,梁滩河各采样断面底泥的有机质质量分数为11.72～32.50 mg/g,平均质量分数为21.66 mg/g。根据易文利等[11]对长江中下游浅水湖沉积物中有机质的分类,有机质质量分数为9.80～30.50 g/kg,属于污染相对较轻的底泥,以之为参照梁滩河底泥属于污染相对较轻的沉积物。3个取样断面中天赐温泉断面底泥有机质含量最低,童善桥最高,这可能是因为天赐温泉采样断面位于旅游景区内,与周围较弱的人为扰动作用有关;并且该处水流流速较大,水流作用也会带走部分底泥,使该区域底泥中有机质含量较低。童善桥断面上游工厂密集,水流流速较缓,水中有机质易在此沉积,因此该区域底泥有机质含量最高。土主断面沿岸居民区和工业区混杂,周边正在修建大型物流中心,大量废水的排放和较强的人为扰动,使得底泥有机质含量也相对较高。

图1 各采样断面有机质含量分布

底泥间隙水是底泥与其上覆水体之间进行物质交换的重要介质[12],各采样断面的上覆水及间隙水中CODCr含量如图2所示。

图2 各采样断面CODCr含量分布

由图2可知,上覆水和间隙水CODCr质量浓度均远超过40 mg/L,根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),显示梁滩河水体属于劣V类水体,梁滩河上游右支已受到严重污染。比较间隙水与上覆水的CODCr含量,可以发现天赐温泉、土主镇采样断面的间隙水CODCr含量大于上覆水CODCr,即在底泥间隙水和上覆水间存在一定的浓度差,显示底泥中有机质具有向上覆水释放的趋势,即在该两处采样断面,底泥有机质表现为梁滩河水体的“源”。童善桥采样断面间隙水的 CODCr小于上覆水CODCr,指示底泥有机质在此断面内主要表现为“汇”的作用。

2.3 全磷

如表1所示,底泥 TP质量分数为0.60 mg/g～0.87 mg/g,平均质量分数为0.70 mg/g。其中童善桥采样断面的 TP质量分数为0.87 mg/g,其余两处断面质量分数分别为0.60 mg/g,0.62 mg/g。这可能是因为童善桥上游工厂较为密集,有多处污水排放口,随着时间的延续水体中 TP在该区域不断积累,造成了该处的营养盐质量分数比其他各处高。比较各采样断面及各主要湖泊底泥TP含量见图3。

图3 采样断面及各主要湖泊底泥TP含量比较

由图3可知,与国内其它城市(郊)湖泊(巢湖0.52 mg/g、玄武湖1.58 mg/g、杭州西湖1.22 mg/g、太湖1.21 mg/g、武汉东湖1.50 mg/g、黑龙江镜泊湖1.25 mg/g[13]、洱海1.24 mg/g[14])相比,梁滩河底泥TP含量属轻度内源负荷。

图4为各采样断面上覆水及间隙水中 TP含量分布图。

图4 采样断面上覆水、间隙水的TP含量分布

由图4可知,上覆水、间隙水的TP质量浓度均大于0.4 mg/L,根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002),梁滩河水体属于劣V类水体,梁滩河水体磷负荷已经十分严重。已有研究表明[15],沉积物—水系统中,水和沉积物之间污染物交换的动力主要来自上覆水和沉积物间隙水之间的浓度梯度。3个采样断面上覆水及间隙水的 TP含量变化规律相同,间隙水的含量均低于上覆水,上覆水 TP质量分数较高,意味着上覆水中的营养盐有向底泥间隙水迁移的趋势。且由表1可知,底泥与上覆水、间隙水中的TP呈正相关趋势,表明底泥的磷与上覆水中的磷存在一定的“源汇”关系。

2.4 全氮

如表1所示,底泥TN质量分数为4.66～8.17 mg/g,平均质量分数为6.26 mg/g,各采样断面的氮污染情况不同。图5为采样断面及各湖泊底泥TN分布图。

图5 采样断面及各湖泊底泥TN含量分布

由图5可知,梁滩河底泥TN高于晋阳湖(2.81 mg/g)[16],惠州西湖(2.62 mg/g)[17]和南四湖(0.77 mg/g)[18],表明梁滩河底泥的氮污染较严重,氮含量高是梁滩河底泥的特征之一。

图6为各采样断面的上覆水及间隙水中TN含量分布图。

图6 采样断面间隙水及上覆水TN含量分布

由图6所示,底泥间隙水及上覆水 TN的质量浓度均远大于2mg/L,根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),梁滩河水体属于劣V类水体,水体氮污染十分严重。不同采样断面上覆水TN含量变化不大,但间隙水的 TN波动较大,童善桥间隙水TN是上覆水的2倍,而另2个采样断面间隙水TN小于上覆水 TN。已有研究表明[19],上覆水体的氮营养盐水平可对底泥中氮营养盐的释放速率和释放量产生影响,氮营养盐质量浓度低的上覆水体有利于底泥中氮特别是氨氮的释放,相反,则不利于氨氮的释放。据此推测,天赐温泉和土主镇2个采样断面间隙水的TN均小于上覆水 TN,此时尽管上覆水的氮质量浓度已较高,但上覆水和底泥间隙水的浓度梯度仍可导致上覆水中的氮在扩散作用下进入已严重污染的底泥。而童善桥采样断面的底泥则表现为水体氮营养盐的内源。

4 结论

(1)梁滩河有机质质量分数为11.72～32.50 mg/g,平均质量分数为21.66 mg/g。梁滩河底泥TP质量分数为0.60～0.87 mg/g,平均质量分数为0.70 mg/g;梁滩河底泥TN质量分数为4.66～8.17 mg/g,平均质量分数为6.26 mg/g。梁滩河底泥有机质与TP属于轻度污染,氮污染较为严重。

(2)将梁滩河间隙水污染物质量浓度与上覆水污染物质量浓度进行比较,发现间隙水污染物的质量浓度有高于上覆水污染物质量浓度,也有低于上覆水污染物质量浓度;同时还有一定相关性趋势。据此推断,底泥与上覆水之间存在着复杂的源汇关系。

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