密云水库底泥释放与内源污染负荷估算的探讨（关卓今,刘操,胡秀琳）

时间：2021-01-17 08:04:08　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：根据底泥释放的基本原理, 利用密云水岸内湖独特的水域特点, 通过对水质的监刚, 结合水体净化能力, 实地推算出底泥的释放能力和不同情况的内源污染负荷, 这种估算得出的底泥释放值要比实验室中得出的有更高的可信度。

关键词：底泥释放内源污染密云水库污染负荷

1 概述

水体污染已经是当前全社会面临的最严重的环境问题。由于水体外源污染的不断升级导致水体底泥污染物的大量积累, 从而成为二次污染的内源污染源, 这种情况尤其突出地表现在水体的富营养化底泥问题上。

底泥在一定条件之下不断地向水体释放污染物质,对于水体富营养化底泥释放的动力学原理普遍认为是受到以下一些因素的作用, 主要有：① 扰动的影响：在底泥受到扰动时, 底泥间隙水中的营养物质被释放出来；
② 氧化还原条件的影响：会影响微生物的活动和物质的溶解性；
③ 微生物代谢活动的影响：一些环境条件会影响微生物的活动从而影响底泥中有机质的分解、营养物质的转换和释放；
④ 局部PH条件：也会改变营养物质的溶解性以及微生物的活动性, 从而改变底泥的释放。

对于底泥释放的研究现在主要是将底泥从原地取回在室内进行“离体” 试验, 这将在很大程度上改变底泥的状态而难以说明“释放” 的真实性。对于湖泊或水库, 底泥对水体系统二次污染的影响现在还仅仅处于主观估测,而缺少直接的试验依据, 而实际上这种影响是受到多种因素的作用, 情况是复杂的, 而且对于不同的水体系统和不同污染程度的水体系统也是不同的。所以得出的底泥处理措施也将是难以确定是否使用恰当。

就一般来讲, 底泥处理的工程措施有以下一些方式方法：

（1）底泥疏浚：对于这种措施仍存在不同的看法, 一般认为, 由于受污水体的脱氧系数较高, 极易引起水体缺氧而导致水质恶化；
疏浚使得泥-水界面间原有的稳定状态被破坏；
若疏浚深度不足以疏浚掉大部分受污底泥, 则疏浚对于抑制底泥向上覆水体释放的作用是微乎其微甚至是相反的, 而且这种情况是很容易发生的；
疏浚能够在一定程度上改善上覆水体的特征值, 但是底泥向上搜水体的释放量仍然较大, 不容忽视。所以, 需要建立完善的生态系统才能达到水体水质的彻底改善, 而疏俊只能是其中的一个手段, 而且要考虑一定的时机。而生态疏俊还只是一种新的提法, 还没有完善的系统措施。

（2）污染底泥覆盖：是利用一些具有好的阻隔作用的物质材料覆盖于污染底泥之上, 将底泥中的污染物与上扭水分隔, 以阻止底泥和水的营养物质交换, 防止污染底泥中的污染物对水体的污染。这方面的工作现在还主要是工程技术上的进展, 而这方面的研究也并不很成熟, 另外由于投资费用高、工程效果无法保证, 还难以在大规模的应用上实施。

（3）污染底泥固化：利用对污染物具有固化作用的人工或自然试剂, 将底泥中污染物固化或惰性化, 使之相对稳定于底泥中, 大大减少底泥中污染物对水体的释放, 达到阻隔作用。就其固化本身和对周围环境的影响是十分复杂的, 所以其应用还是具有局限性。

另外, 封固底泥的方法虽能暂时缓解营养盐的释放,但并不能从根本上控制底泥营养盐释放, 而且以后还会出现反弹, 效果只是在时间上推迟了底泥营养盐的释放, 而在量上并没有减少。并且会由于封固起到厌氧效果, 加快底泥中的厌氧反应, 反而促使底泥中部分物质被还原而释放。同时封固会影响生态系统结构的破坏, 对水体的自然净化作用发生影响。然而通过水生植物来降解或削减污染物或营养盐, 把污染物带走或转化, 从根本上削减底泥中的污染, 是解决底泥污染的根本而有效的途径, 也是近来富营养化治理技术发展的主要方面之一。

人们之所以企图采用许多方法来试着控制底泥, 其中很重要的原因是我们对底泥的作用的认识还只是刚刚起步、对于底泥作用的评价还不能够很好地指导我们的实践工作, 所以还需要做进一步的工作。内源污染负荷在水体富营养化污染中所占的比重应该有多大, 是一个应该了解的基本评价因素。在这方面, 本研究设法从水体生态系统基本原理和整体规模出发对密云水库内源污染负荷进行估算探讨。

2 密云水库内源污染负荷计算原理

2.1 底泥释放基本原理

在本研究中, 对于水体系统, 由于总氮的释放和净化规律较为清楚, 所以只选择总氮作为营养污染物质的研究对象。

底泥的释放量是与释放能力和面积成比例的, 并受到底泥释放规律的制约。经试验研究, 底泥在总氮达到一定浓度稳定的覆水中, 其氮的释放速率随着时间的变化呈现一个较低的稳定值。从这一原理出发, 底泥释放氮素的特点是受到上履水的含氮浓度的影响, 浓度较低时释放速度加快, 浓度较高时释放速度变慢, 在多种因素的作用下水体总氮浓度趋于一个相对稳定的水平。

由于水体系统存在着水生植物对营养盐吸收利用的净化作用, 所以底泥释放的营养物质浓度在植物生活旺盛季节常为下降趋势, 或为低浓度状态。对于一个只有底泥营养污染物来源和自净作用的水体, 可以认为, 现状浓度是二者之差。当植物处于停止活动的季节——冬季, 视净化作用为近于零, 这时水体完全由于底泥释放达到一个浓度相对稳定的水平。

2.2 研究区选择

密云水库的内湖是一个理想的研究底泥释放和内源负荷的场所。内湖在水库水位高的时候与总库相连, 水位低的时候与总库分隔成为一个独立的湖区, 这时便可以不受外源入库的营养物质的干扰, 营养污染物质只有底泥的释放和水体的净化能力了。

在这项研究中, 我们选择了密云水库内湖2000年的情况作为一个没有外源污染输入的相对封闭的研究体系。内湖的基本水利条件：水位138m,库容0.161亿m3,面积2.168km2。

2.3 研究区水质影响的主要过程

在内湖中, 与富营养化物质负荷有关的过程主要为两个, 一是底泥的释放, 二是水体的净化。底泥的释放是一个较为复杂的过程, 底泥释放量受到底泥释放速度的影响,而释放速度又要受到季节温度变化、水体已有富营养物质浓度、底泥现有浓度等的影响, 所以底泥释放在一年中间可能的变化较大。而水体的净化能力主要受到光合作用和季节温度变化的影响, 水体净化是一个相比已知的过程。

在温暖季节, 水体对富营养化物质的净化作用与底泥的释放作用同时进行, 它们与水体富营养化物质浓度之间存在着如下的关系：

设水体的净化能力D为每天每平方米净化营养物质的量, 底泥释放能力R为每天单位面积释放营养物质的量,C为水体营养物质的浓度, Cm为水体一年中的最高浓度,Cn为水体一年中的最低浓度,V为水体体积, S为水体面积,那么, 底泥释放量为年净化能力与视在净化量之差, 即

R=ΕD-(Cm-Cn)·ΕV/ΕS

认为, 水体在一年中最高和最低浓度时的体积相当,为V；
研究区水体总体积为ΕV, 即当年水位状态下的库容；
同样水体的总面积ΕS变化与体积一致, 为当年水位状态下的面积；
ΕD为年净化能力, 由于由实验测得水体总氮净化能力D为每天、每平方米净化187.5mg, 合每平方米年总氮的净化量或可迁移量为33.75g, 并且同时认为不同类型库滨带的水相带净化能力基本一致。

内湖底泥TN释放在一年中可达到的相对平衡状态, 即当净化能力达到最低时期的冬季, 浓度可达到相对最大,为释放平衡浓度, 为1.36mg/L。

3 内源污染负荷估算

3.1 无外源营养污染物质输入的底泥释放

对于具体的内湖水体系统, 考察1998-2002年的平均水质变化,Cm=1.36mg/L,Cn=0.74mg/L,水位为138m,ΕV=0.161亿m3,ΕS=2.168km2。

另外, 可考察底泥的释放情况。从1-7月份,水体中由于存在着净化能力, 底泥释放的富营养化物质全部被净化了之外, 还有水体的一部分营养物质也被净化,而使得水体水质浓度逐渐降低, 到7月份达到最低, 并在以后的6个月在基本同样的净化过程下又恢复到原有最高营养水平, 所以一年的可视净化量是前6个月的2倍。那么总的净化量去掉视在净化量就是一年的底泥释放能力了, 即

R(g)=33.75-(1.36-0.74)×0.161/2.168×100×2

=33.75-9.21

=24.5(g)

也就是, 内湖水体底泥年释放能力为单位面积每平方米总氮释放24.5g。

3.2 有外源营养污染物质输入的底泥释放

由于外源营养物质的输入, 提高了水体的营养物质浓度, 水体的浓度将更接近底泥释放达到的饱和点, 从而使底泥的释放速度和总释放量降低。如果不断输入的外源水体浓度较高, 就会极大地抑制底泥的释放, 而使水体的净化作用主要作用于输入的营养物质, 使底泥的总释放处于一个较低的水平。

在外源污染输入的条件下, 由于底泥的释放是一种补充的作用, 受到污染进入量、净化量的影响, 是一种不稳定的过程, 所以具体的年释放量大小是难以确定的。但是在底泥释放的补充下, 年内水体营养污染浓度趋于一个相对稳定的最大值。

3.3 内源污染负荷

密云水库内源负荷, 是年内水体具有的营养物质和底泥释放量的共同作用。如果用内湖的水体系统特点来表现密云水库的内源负荷, 则其年内水体总氮可能的最大浓度为1.36mg/L, 并将此值作为年内密云水库无外源污染输入的仅有底泥释放产生的浓度。将此浓度通过内湖有关参数再合算为密云水库底泥的年释放能力（称为“合算释放”能力）, 再根据库区底泥释放面积就可求得水体内源营养物质的总量。则所“合算的” 底泥释放能力和计算过程为：

（1）求内湖总营养物质量。当内湖138m高程时, 内湖总氮营养物质为0.161×1.36=21.9t, 为可达到的最低“合算释放”存在量。

（2）求单位面积释放量（释放能力）。由于年释放能力是在面积上的表现, 并且可以通过“合算的”年释放能力再求得密云水库整个水体面积的年“合算”释放量即为内源污染负荷。

在138m高程时内湖的水面面积为2.168km2, 所以单位面积总氮为21.9/2.168=10.1g/m2, 即作为库区“合算” 释放能力。

由合算释放能力与库区释放水面面积求积, 便可求得库区的内源营养物负荷。

总之, 采用内湖合算内源污染负荷的方法计算密云水库库区的内源污染负荷可以增强库区污染负荷计算的一致性, 并计算简便。

4 分析与讨论

通过对密云水库底泥释放和内源污染的研究, 可以对密云水库富营养化有关的一些问题有更进一步的认识。

（1）密云水库底泥释放与水库自净作用相比, 底泥释放受季节影响较小, 所以可以看到进入生长季节时底泥释放小于自净能力, 进入寒冷季节时底泥释放大于自净能力。年内总的底泥的释放规模仍然小于净化能力, 如果没有外源营养污染物质输入时, 密云水库营养水平将是一个向降低发展的趋势。

（2）密云水库富营养化发展的主导原因仍然是外源污染,内源作用仍然处于自净范围之内, 仍然是生态系统的正常范围。现阶段不需要采取人工措施对底泥进行专项治理或干扰。

（3）底泥的释放范围大约在10.1—24.5g/m2之内。

（4）底泥释放与面积有关, 对于密云水库, 在不同水位时面积不同, 底泥的释放也就不同, 因此底泥的释放和内源污染负荷与水库水位变化相关。

（5）通过底泥释放的了解, 可以进一步认识水库内源污染负荷和污染负荷所占比例, 并可再与水体净化能力、外源污染监测结合, 全面了解水库污染负荷的情况, 从而可更为准确地模拟、预测水体的富营养化发展进程, 为密云水库水质改善、水体保护等管理决策提供可靠的技术支撑。