液化土床中氮、磷向水体中释放的水槽试验研究❋

2018-10-12房文艳孙振红许国辉刘江娇许兴北吕楚岫

中国海洋大学学报（自然科学版） 2018年10期

房文艳，孙振红，许国辉❋❋，刘江娇，许兴北，吕楚岫

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛 266100; 2.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东青岛 266100;3.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100; 4.天津港保税区环境监测站,天津 300308；5.核工业青岛工程勘察院，山东青岛 266100； 6.山东省标准化研究院，山东济南 250000)

水体中氮磷等营养盐含量过多会引起藻类植物大量繁殖，导致水体富营养化。沉积物对水体中的氮磷可以起到吸附作用，但环境因子的改变以及水动力的作用会使得沉积物中累积的污染物重新释放进入上覆水体，造成二次污染[1]。

内源释放是富营养化水域治理过程中一直关注的难题。朱广伟等[2]在沉积物磷释放的模拟试验中发现，由于沉积物中氮磷释放的影响，通过曝气和化学处理后的上覆水仍处于劣V类水质。目前很多学者对引起内源释放的水动力条件进行了模拟实验或现场监测，如Reddy等[3]通过现场试验确定沉积物表面以下8 cm的区域内的磷元素会不断向上覆水中释放，从而引起水体营养盐含量增加；李一平等[4]利用环形水槽实验建立了底泥中总磷、总氮与水流的关系；Vincent等[5]利用侵蚀室研究了沉积物-水界面的铵盐扩散通量与剪切力的关系;William等[6]利用模型分析了光的衰减与水生植物群落对再悬浮的抑制作用。

目前认为沉积物中的氮磷元素主要通过静态扩散和再悬浮两种方式进入上覆水体[7]，沉积物受到风浪作用发生再悬浮，导致氮磷营养盐大量释放进入上覆水体[7-8]。风暴浪作用下，粉质土或细砂海岸在波浪循环荷载作用下会发生液化[9]，即土体在循环荷载的作用下有效应力丧失，土体运动形式与波浪运动一致，表现为流体的状态。液化后的土体颗粒随波浪一起运动，细小的颗粒会随孔隙水进入上覆水体，引起沉积物-水界面间沉积物通量的异常变化[10]。

1 试验方法

1.1 波浪水槽

波浪水槽总长14 m，宽0.5 m，高1.5 m，土体底床部分总长2.6 m，宽0.5 m，深度0.6 m，试验水深0.4 m(见图1)。水槽前段造波板在固定的周期频率下往复运动，形成具有Stokes波形态特点的人工波浪。水槽尾端设消波斜坡，坡度约为1:4，斜坡由大小不一的透水石块组成，表面铺设人工草甸，用于减小入射波波能，从而降低波浪反射作用。

1.2 试验过程

1.2.1 试验底床的制备试验底床所用土体是黄河三角洲浅海海域取回的原位河口沉积物，土体成分如表1所示，按照海洋调查规范(GB/T 12763.8—2007)确定土体为砂质粉砂。

图1 波浪水槽示意图Fig.1 Layout of wave flume

成分Components砂Sand粉砂Silt sand黏土Clay粒径①/mm0.063～1.0000.004～0.063<0.004含量②/%20.4769.679.86

Note：①Particle size；②Content

试验采用化学试剂模拟沉积物中的营养盐，称取285.0 g KH2PO4、172.0 g NH4Cl、154.0 g NaNO3、173.0 g NaNO2均匀混入90.0 kg土样中，在搅拌机中搅拌，配置成稠度均匀的氮、磷泥浆(含水率32%左右，含TP 0.80×10-3、含TN 1.30×10-3)。用同样的方法配置含水率32%左右的普通泥浆，成层滑移到水槽中。当底床厚度达到48 cm时铺设氮、磷泥浆，氮、磷沉积层的厚度为4.0 cm，之后用普通泥浆铺满水槽，厚度为8 cm。沉积物底床制备完成后，向水槽中加入自来水，水深40 cm(见图2)，静置7 d。

阶段II施加4个不同波高的波浪作用，分别为5.0、8.0、11.0和14.0 cm，每个波高持续作用180 min，待波高稳定后开始计时。阶段II的取样点位置和水样处理方式同阶段Ⅰ。另外，在此阶段要记录悬沙的浓度，方法是使用虹吸式悬沙取样器于沉积物底床中间位置处，取得一系列含沙浑水，烘干测定浑水中的悬浮物(SS)含量(见图2)。该阶段波浪参数如表2所示。

图2 沉积物底床及取样点示意图Fig.2 Layout of sediment bed and sampling points

波高Wave height/cm波长Wave length/m周期Period/s5.03.662.088.02.961.6811.02.281.3614.01.701.12

持续加波12 h后土体并未出现明显液化现象，此时对土体进行人为扰动，用面积10 cm×15 cm的钢锤轻轻捶击土体的边缘位置，在底床浅表部分形成局部软弱区，再施加波浪。阶段III的波浪参数与作用时间与阶段II相同，水样和含沙浑水体的取样位置与方法也相同。

1.3 分析测试方法

1.4 数据处理方法

试验中测定不同工况时各指标的浓度后，采用Crystal ball软件对所测数据进行Monte-Carlo模拟(5 000次)[12]，以最大概率对应的浓度作为该工况下的浓度值。

1.5 底泥释放速率的计算方法

底泥释放速率R(mg·m-2·min-1)按照下式计算[13]：

(1)

2 试验结果

2.1 悬浮物SS含量变化特征

水中悬浮物含量随着波浪作用时间增加呈现明显的上升趋势，并且在液化阶段，悬浮物含量随波高的增大而增加。阶段II和阶段III水中SS含量变化范围分别为0.037～0.550 g/L以及0.339～2.320 g/L。其加波未液化，加波液化不同波高时水中SS含量随时间变化如图3所示。

2.2 硝态氮浓度变化

图3 加波未液化(a)、加波液化(b)不同波高时水中SS含量随时间变化[14]Fig.3 Variation of suspended sediments concentrations in water under different wave height of non-liquefaction (a) and liquefaction (b) with time[14]

图4 静置(I)、加波未液化(II)、加波液化(III)不同波高水中浓度随时间变化Fig.4 Variation of concentrations in water under different wave height of consolidation(I),non-liquefaction(II) and liquefaction(III) with time

2.3 亚硝态氮浓度变化

图5 静置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同波高水中浓度随时间变化Fig.5 Variation of concentrations in water under different wave height of consolidation(Ⅰ),non-liquefaction(Ⅱ) and liquefaction(Ⅲ) with time

2.4 水中氨氮浓度变化

图6 静置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同波高水中浓度随时间变化Fig.6 Variation of concentrations in water under different wave height of consolidation(I),non-liquefaction(II) and liquefaction(III) with time

2.5 水中溶解态活性磷(SRP)浓度变化

阶段I水中SRP有缓慢增加的趋势，阶段II中SRP浓度略有增加，但基本维持在较低水平。阶段III液化土体上覆水中SRP浓度显著增加，且随着波高的增加浓度明显增加。三个阶段SRP的浓度变化范围分别为0.020～0.088(a)、0.061～0.105(b)以及0.086～2.064 mg/L(c)。在静置、加波未液化、加波液化不同波高水中SRP浓度随时间变化情况如图7所示。

图7 静置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)不同波高水中SRP浓度随时间变化Fig.7 Variation of SRP concentrations in water under different wave height of consolidation(Ⅰ),non-liquefaction(Ⅱ) and liquefaction(Ⅲ) with time

图8 静置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)SRP释放速度随波高的变化

3 讨论

3.1 SRP的释放规律

SRP浓度在阶段Ⅰ末较阶段I初增加了三倍，呈现波动增加的趋势(见图7)，而该阶段并未施加波浪作用。说明底泥中SRP通过静态扩散进入上覆水体，引起浓度的增加[15]。静置阶段的土体在自重应力的作用下会发生固结，土颗粒被压缩，孔隙水向上排出[16]，这也是上覆水SRP浓度增加的一个原因。

利用底泥释放速率公式(1)可以得到试验过程中某一波高作用时间段内SRP的平均释放速率，(见图8)。其中横轴代表试验波高，每一点对应该波高作用时间段内SRP的平均表观释放速率。阶段I静态扩散作用引起的SRP浓度增加速度很慢。施加波浪作用后，土床内会产生超静孔隙水压力，孔隙水在压力差作用下不断排出，使得孔隙水排出速度大于自重固结阶段的速度[17-18]，这会导致水中SRP浓度升高。而图8中SRP的释放速率较静置阶段变化不大，并且在8 cm波高和11 cm处出现负值，这说明悬浮泥沙会吸附水体中的SRP[19]，并且在某一波浪动力作用范围内吸附速度大于释放速度，使得动荷载作用下随间隙水渗流出的SRP并没有在很大程度上增加水体浓度，该阶段SRP平均浓度是静置阶段的1.11倍。

阶段Ⅲ中SRP的释放速率迅速增加，这是因为孔隙水压力达到上覆有效应力，土体发生液化，强度丧失，结构被破坏，液化土层悬浮于水中，与上覆水的交换作用非常强烈。该阶段SRP平均浓度是静置阶段的11.37倍，说明土体液化能显著提高底泥释放SRP的能力。

3.2 无机氮的释放规律

在静态扩散以及自重固结排水的作用下，上覆水中亚硝态氮含量逐渐升高，而硝态氮和氨氮的浓度变化范围并不大，这说明底床及上覆水体中的溶解氧浓度降低，好氧的氨氧化细菌无法将氨进一步氧化为硝氮[22]，并引起亚硝态氮的积累[23]。虽然硝态氮浓度虽在最初几天略有增加，但最终呈现出下降的趋势。

微生物作用下沉积物氮库中的有机氮不断通过矿化作用转为为氨氮等无机氮[24]，带负电的土壤胶体又会吸附沉积物中的氨氮[25]，因此氨氮浓度会发生波动，但最终也呈现下降趋势。

图9 静置(Ⅰ)、加波未液化(Ⅱ)、加波液化(Ⅲ)无机氮释放速度随波高的变化Fig.9 Variation of inorganic nitrogen release speed from sediments under different wave height of consolidation(Ⅰ),non-liquefaction(Ⅱ) and liquefaction(Ⅲ) with time

3.3 氮磷释放与再悬浮的关系

运用SPSS19.0对氮磷浓度与悬沙含量进行spearsman相关性分析，分别对液化状态下与未液化状态下的悬沙浓度与水体氮磷浓度进行了统计分析。相关系数及概率P见表3。

从表中可以看出，在底床未液化阶段，水体中营养盐浓度与悬沙含量相关系数均很小。底床发生液化后，水体中营养盐浓度与悬沙含量均呈现良好的相关性，除亚硝态氮外，相关系数r均大于0.85，P<0.01，而且SRP的相关性最好，说明磷的释放与SS的含量有关[28]。试验中高浓度氮磷营养层埋置在泥面以下，土体未液化的情况下，悬浮的泥沙一部分来自于底床表层，在波浪冲刷作用下底泥逐渐悬浮，还有一部分在动荷载作用下随孔隙水渗流作用进入上覆水中，因此氮磷浓度与悬沙量相关性并不大。底床液化后，沉积物中的土颗粒涌入上覆水体，导致悬沙量大幅度增加，同时增加的还有氮磷浓度，这也充分说明液化会大幅度提高沉积物释放氮磷营养盐的能力，这与孙振红等[14]人的研究一致。