盐度和水流扰动对河口水体污染物在上覆水-沉积物垂向运移的影响

唐诗月 唐敏炯 张昀哲

摘要：

为保障长江河口地区用水安全以及精准预测水源地水质变化，利用环形水槽装置，开展了盐度和水流扰动对污染物在上覆水-沉积物垂向运移的影响研究。结果表明：水流扰动强度对氨氮因子的垂向运移总体起到促进作用，盐度对氨氮因子垂向运移呈波动抑制作用，其中，水流扰动在盐度对上覆水氨氮浓度的影响机制中起到重要作用；水流扰动对上覆水总磷运移起到促进作用，盐度对总磷运移所起作用呈分段波动关系；水流扰动的增强对沉积底泥吸附总磷起到线性促进作用，但影响较小，盐度对沉积底泥吸附总磷起到先促进后抑制的作用。

关键词：

盐度； 水流扰动； 氨氮； 总磷； 上覆水-沉积物； 垂向运移； 长江口

中图法分类号：X52

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.013

文章编号：1006-0081（2023）05-0079-08

0 引 言

保障饮用水安全是维持国家经济高速发展、社会稳定和生态安全的重要根基［1］，但是由于盐水入侵及海洋污染等问题，入海口的淡水资源难以利用［2-3］。在径流和潮流的双重作用下，河口地区常存在盐度梯度不同的分布特征，而枯季入海径流较小时常常发生咸潮上溯现象［4-5］，直接影响临海城市饮用水补给［6］。水体中泥沙有两种状态：悬浮物和沉积物，有机质覆盖在细小的黏土和氧化物等颗粒上，形成悬浮-胶体（Fe（OH） 3、Al（OH） 3等）体系［7］。而污染物通常有溶解态、吸附态两个附存状态［8］，盐度的增加不同程度地破坏了胶体体系的存在状态，使之产生絮凝现象，进而影响水中污染物在吸附态和溶解态间的转化［9-10］。简而言之，河口地区由于潮径作用而存在周期性的盐水、淡水交汇作用，导致物理（水动力）、化学（氯离子）两方面的波动，从而引起污染物在两相中的迁移转化［11-12］，因此盐水入侵成为河口水源地供水安全的制约因素［13］。上海市濒江临海，一直以黄浦江为主要供水来源。随着城市供水需求增加，从长江口取水成为解决上海市水源紧缺的关键［14］。长江河口由于“三级分叉，四口入海”的特点，河口盐度分布非常复杂［15-16］，故为保障用水安全以及精准预测水源地水质变化，开展盐度波动对污染物在水沙界面运移影响的研究非常必要。

目前，针对盐度波动对长江口污染物迁移问题，已有诸多学者开展了部分研究，范新峰等［17］构建了长江口及近岸海域的水动力耦合盐度数值模型，并利用该模型模拟了长江口咸潮入侵的三维特征，表层盐度较低而底层盐度较高。刘启贞［18］探究了长江口泥沙颗粒粒径、受力、絮凝原理及其受盐度的影响，并对各种金属阳离子以及有机质等絮凝影响因子作了详细的室内絮凝实验分析。徐亚宏等［19］通过测定有色溶解有机物（CDOM）的吸收光谱和荧光光谱，探究了盐度梯度变化对有机物分布变化的影响。结果表明：有机污染物从西向东至口外，呈先增后减规律，且4种组分都在河口出现不保守混合，在最大浑浊带处存在添加过程，并达到峰值，在口外有去除过程。

上述研究多集中于盐度因子和盐度波动对金属阳离子及有机物等污染物的影响，对揭示盐水入侵影响污染物在水沙界面的运移具有重要意义。但迄今为止，鲜有针对由盐水入侵引起的盐度因子变化对水质常规因素潜在影响的研究。鉴于野外实验影响因素众多，本文利用环形水槽装置开展盐度波动对污染物在上覆水-沉积物垂向运移影响的模拟实验，分析污染物氨氮及总磷在水沙界面运移的特征。

1 实验方案

为定量研究盐度和水流扰动强度对上覆水解吸污染因子的影响，采集青草沙水源地沉积底泥开展室内垂向运移实验。较小的泥沙受盐水环境的影响，极易由于阴阳离子聚合发生絮凝作用，形成絮凝体沉降，增加上覆水污染因子汇入沉积底泥通量。而在底部沉积底泥中，孔隙水盐度波动会造成沉积颗粒间电化学排斥力变化，影响沉积底泥的含水率与密实度，进一步对污染因子由沉积底泥至上覆水的解吸过程造成间接影响。青草沙水库沉积物中污染物浓度数据与粒径分布见图1和表1。沉积物中氨氮、总磷及有效磷测定方法分别是氯化钾溶液提取－分光光度法［20］、过硫酸钾氧化法［21］及碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法［22］。

1.1 实验装置

实验装置选用河海大学港口航道工程与海岸海洋科学实验中心环境泥沙实验室环形水槽，开展盐度波动对上覆水与沉积物垂直运移影响机制的研究。

环形水槽装置见图2，该水槽由PVC板制成，宽0.30 m，高0.43 m。水槽由2条直道和2条半圆形弯道段组成，直道长2.5 m，半圆形弯道内圆半径为0.65 m、外圆半径为0.95 m。有一半径为0.1 m的圆形转轮，将其放置在距离内侧弯道与直道交汇处0.30 m的位置，转轮在电机驱动装置下开始转动，拨动上層水体，进一步带动整个水槽内的水流扰动。实验前，使水槽内水深 H 恒定为35 cm，在沿水槽中心线方位设置10个测量断面（1～10号），利用声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Velocimeter，ADV）测量各断面的流速分布，并对水槽内流场的分布情况进行分析。由分析结果可得，8号断面处流速沿水深变化规律满足对数分布，故可通过测量8号断面处水体中的氨氮及总磷浓度变化，研究水槽中污染因子在沉积物-上覆水界面的迁移转化规律。

1.2 实验步骤

1.2.1 实验沉积物取样制备

在长江口青草沙水库水源地设置沉积物采样点位，利用自制原位沉积物采样器（授权专利号为“ZL201310184563.6”，图3）采集表层沉积物，剔除砾石和较大杂质后，匀化装入清洁的塑胶方盘，用聚乙烯保鲜膜在盘底铺垫，盘口覆盖带回实验室。另外，适量预留沉积物样品，放在瓷盘内，置于阴凉通风处慢慢风干，去掉大部分水分。至半干时压碎大块，除去动植物残体、杂石等。自然风干后，80 ℃恒温干燥12 h，用有机玻璃研磨，过100目尼龙筛。

1.2.2 解吸实验

采集青草沙水库沉积底泥样品开展解吸实验。上覆水为超纯水，用VE-100LH-A实验室超纯水机制备（水中总磷及氨氮值低于检出限）；实验沉积底泥厚度约6 cm，实验前先将沉积底泥原位样均匀铺在水槽底部，并将床面抹平，待其自然沉降密实后，缓慢注入超纯水至实验水深（约20 cm）。考虑到静态浓度梯度也会引起沉积底泥解吸，实验扰动等级同样由静置逐步提高。初步设置6个水流扰动强度：静置（0）、微扰动（25 r/min）、低扰动（50 r/min）、中扰动（100 r/min）、较强扰动（300 r/min）、强扰动（500 r/min），不同扰动强度与水流流速的对应关系见表2（由ADV实时监测所得）。根据实测盐度数据，每组实验同样设置4个盐度水平。根据长江口水域实测盐度数据，将盐度梯度设置为0，1‰，5‰，15‰。实验从盐度为0开始，各组扰动强度下，每隔10 min在泥区和水区各取少量水样测量浊度，待浊度稳定后，在8号断面处取水样测定上覆水中污染物浓度。取出最后一组水样之后关闭扰动装置，利用人工海水晶將水槽内盐度调节至1‰，重新从静置开始，逐步提高水流扰动强度，重复盐度为0时的实验步骤。按照此实验方法依次完成盐度为5‰，15‰的实验。氨氮测定方法为纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009），总磷测定方法为钼酸铵分光光度法（GB/T 11893-1989）。

1.3 数据分析

为定量化、统一化描述盐度波动对污染物在上覆水-沉积物间分配的影响，定义垂向运移系数 β ij ：

β ij=S iS j－1i=1，2，3，4；j=2，3，4，5，6（1）

式中： i 为盐度梯度下标，表示0，1‰，5‰，15‰四种盐度条件； j 为第2～6档扰动条件下标（换算对应流速分别为0.01，0.15，0.2，0.5 m/s和0.7 m/s）； S i 为不同盐度条件下上覆水中污染物浓度， S j 为不同水流扰动条件下上覆水中污染物浓度，mg/L。由式（1）可得：当 β ij>0 时，该特定水盐条件对污染物分配在水相起促进作用；反之，当 β ij<0 时，该特定水盐条件对污染物分配在水相起抑制作用。运用 IBM SPSS Statistics 26对不同盐度条件下（0，1‰，5‰，15‰）各污染物响应水体扰动强度的关系进行曲线拟合。采用对数模型、指数模型、二次模型、三次模型4种预设模型进行拟合，选择确定系数 R 2值最大的一种模型的拟合公式作为该组拟合关系。

2 结果与讨论

2.1 不同水盐条件的影响

2.1.1 水盐条件对氨氮运移的影响

（1） 水流扰动强度对氨氮在上覆水与沉积物间的垂直运移影响。当盐度一定时，水流扰动强度的增加使氨氮从沉积物大量转移至上覆水，见图4。静置条件下，沉积物运移到上覆水的氨氮分别为0.033，0.059，0.040 mg/L和0.033 mg/L，此时主要是间隙水在向上覆水中运输氨氮；在轻微的水流扰动强度下（流速为0.01～0.20 m/s），随着水流扰动强度的增加，水槽中的沉积底泥在水流的动力作用下产生少量的悬浮，沉积底泥中的氨氮逐渐释放出来，沉积底泥吸附氨氮的表面积也随之减少，上覆水中氨氮浓度增加，沉积底泥的氨氮吸附量减少。当水流流速达到0.50 m/s时，沉积底泥在水动力作用下产生大量的悬浮，沉积底泥吸附氨氮的表面积大幅减小，上覆水中氨氮浓度大幅增加，沉积底泥的氨氮吸附量进一步减少。此时，上覆水中氨氮浓度分别为0.41，0.28，0.08 mg/L和0.28 mg/L。继续加强水流扰动强度，上覆水中氨氮浓度开始减小，沉积底泥的氨氮吸附量逐渐增大。这可能是因为沉积底泥中的氨氮向上覆水释放与上覆水中的氨氮向沉积底泥沉积这种垂向运移过程达到了一种动态平衡，此后，水流扰动强度对上覆水与沉积物垂直运移过程的影响基本可以忽略［23-24］，证明了水体扰动本身带来的流动稀释作用已经大于切应力带来的污染物解吸导致的局部浓度升高作用。

（2） 盐度对氨氮在上覆水与沉积物间的垂直运移影响。盐度变化与上覆水中氨氮浓度的变化呈现正相关关系，与沉积底泥的氨氮吸附量表现负相关关系，见图5。在微扰动（50 r/min）及以下的水动力条件下，随着盐度的增长，氨氮含量呈现出先增后减再增的波形。处于中扰动（100 r/min）及以上的水动力条件时，氨氮含量线呈“V”形，即随着盐度增加，氨氮含量逐渐降低，在盐度为5‰时达到谷值，之后随盐度增加，上覆水中氨氮含量逐渐上升。盐度对氨氮在上覆水与沉积物间的垂直运移的影响机制可以具体分为两个部分：① 盐度为0‰时且扰动较小（0～50 r/min）时，沉积底泥释放到上覆水的氨氮分别为0.033，0.039 mg/L和0.021 mg/L，此时NH 4+多以吸附态的形式存在，氨氮从沉积底泥解吸至上覆水的速率最小。盐度逐渐增加至1‰时，沉积底泥的氨氮浓度逐渐减少，上覆水中氨氮浓度随之增加，可能是因为当盐度增加时，阳离子总数（多数为Na+，Mg2+，Ca2+）也随之增加，与NH 4+竞争负电荷吸附电位，大量的NH 4+与阳离子交换从沉积底泥中解吸进入上覆水，上覆水中氨氮浓度达到第一个峰值，分别为0.069，0.057 mg/L和0.040 mg/L。盐度继续增加到5‰，上覆水中氨氮浓度反而逐渐下降，沉积底泥的氨氮吸附量则逐渐增加，这是因为当前的盐度条件提高了沉积底泥中硝化细菌和亚硝化细菌活性［25］，使硝化速率和亚硝化速率增大，沉积底泥吸附氨氮的效率提高，上覆水中氨氮浓度逐渐减小。最后盐度增大至15‰时，大量的氨氮通过上覆水与沉积底泥垂向运移过程进入上覆水，上覆水中氨氮浓度达到最大值，分别为0.033，0.123 mg/L和0.063 mg/L，这一方面是因为高盐度环境抑制了硝化细菌和亚硝化细菌的活性，另一方面是盐度增加时，水中的阴离子与NH 4+形成离子对，抑制了沉积底泥对NH 4+的吸附作用，促使更多的NH 4+从沉积底泥中释放出来。② 在水流扰动强度较高的环境下（100～500 r/min），盐度的变化在上覆水与沉积底泥氨氮垂向运移过程中呈现了另一种规律，盐度从0上升至5‰过程中，沉积底泥的氨氮吸附量逐渐增加，上覆水中的氨氮浓度则随之下降，并在5‰处达到谷值，分别为0.016 mg/L，0.082 mg/L，0.039 mg/L，这是由于在盐度作用下，沉积底泥中的颗粒物产生絮凝，形成悬浮絮凝体，对上覆水中的氨氮产生吸附作用，使大量氨氮通过上覆水与沉积底泥垂向运移过程进入沉积底泥中。

2.1.2 水盐条件对总磷运移影响

（1） 水流扰动强度对总磷在上覆水与沉积物间的垂直运移影响。与氨氮相似，在所有盐度梯度对照组中，水流扰动强度的增加使总磷在上覆水与沉积物间的垂直运移过程中，均有从沉积底泥转移至上覆水的趋势，尤其在盐度为15‰时表现出明显先减后增趋势。由图6可以看出，随着水流扰动强度不断增强，沉积底泥向上覆水中解吸的总磷也不断增加，同时，扰动强度的增加促进了沉积底泥的再悬浮，故沉积底泥的总磷吸附量大量减少，上覆水中的总磷浓度逐渐增加。在实验中所设置的4种盐度条件下，扰度强度与上覆水中总磷浓度变化曲线的斜率分别为0.001 1，0.000 7，0.005 6和0.008 6。因此，与低盐度水环境条件相比，在盐度较高的水环境条件中，随着水流扰动强度的增强，上覆水中总磷浓度的上升速率也更大。整体上来讲，水流扰动强度促进了总磷通过上覆水与沉积物间的垂直运移从沉积底泥转移至上覆水。

（2） 盐度變化对总磷在上覆水与沉积物间的垂直运移影响。相同水流扰动强度下，总磷总是随着盐度的增加而大量的从上覆水进入沉积底泥，见图7。在实验中所设置的6种水流扰动强度下，盐度与上覆水中总磷浓度变化曲线的斜率分别为-0.001 5，-0.001 4，-0.001 3，-0.001 2，-0.001 2和-0.001 1。这可能是因为：一方面，随着盐度的增加，上覆水中发生颗粒絮凝，使沉积底泥对总磷的吸附量增加，水中总磷浓度下降［26］；另一方面，沉积底泥中的活性铝和有机质等与上覆水中的磷发生聚合，在沉积底泥表面形成絮凝体，导致沉积底泥中的总磷吸附量增加，上覆水中总磷浓度下降。

2.2 盐度波动的影响系数分析

2.2.1 氨 氮

对于氨氮因子而言，三次模型对于各盐度梯度条件都具有良好的拟合程度，但相对于总磷指数而言，可决系数整体较低，如图8所示。以盐度5‰为界：当盐度小于5‰时，其最高次位系数为负；当盐度大于5‰时，其最高次位系数为正。

3 结 论

（1） 实验水体中，水流扰动强度对氨氮因子的垂向运移总体起到促进作用，盐度对氨氮因子垂向运移呈波动抑制作用，其中水流扰动在盐度对上覆水氨氮浓度的影响机制中起到重要作用。

（2） 水流扰动对上覆水总磷浓度起到促进作用，盐度与总磷运移呈分段波动关系。

（3） 水流扰动的增强对沉积底泥吸附总磷起到线性促进作用，且影响较小。而盐度对沉积底泥吸附的总磷起到先促进后抑制作用。

水流扰动强度和盐度在覆水与沉积物间的垂直运移过程中起到重要作用，但是两者在过程中的影响作用并不是独立存在的，它们相互联系，共同影响覆水与沉积物间的垂直运移过程。实验研究结果发现，水流扰动对于沉积底泥吸附氨氮的抑制作用是暂时的，但这一结论在水流扰动影响沉积底泥吸附总磷的实验研究中并没有表现出来，需要更进一步的多因子实验来验证。

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（編辑：李 慧）

Abstract：

In order to ensure the safety of water utilization and accurately predict the change of water quality in water source areas，the impact of salinity and flow disturbance on the vertical transport of pollutants in overlying flow-sediment was studied by using the annular flume device.The results showed that the intensity of flow disturbance played an overall role in promoting the vertical transport coefficient of ammonia nitrogen factor，while the salinity had a fluctuating inhibitory effect on the vertical transport coefficient of ammonia nitrogen factor.Among them，the water flow disturbance played an important role in the mechanism of salinity on the concentration of ammonia nitrogen in overlying water.The flow disturbance improved the concentration of total phosphorus in overlying flow，and salinity had a segmented fluctuation relationship with the transport coefficient of total phosphorus.The increase of flow disturbance linearly and slightly promoted the adsorption of total phosphorus in sedimentary sediments.Nevertheless，the salinity first promoted and then inhibited the adsorption of total phosphorus in sediments.

Key words：

salinity； flow disturbance； ammonia nitrogen； total phosphorus； overlying flow-sediment； vertical transport； Yangtze River Estuary