福州第二饮用水水源地——山仔水库底泥中磷释放研究
前言
在国内外许多湖泊水库等水体，采用了污染截流以后，水质没有明显好转，经研究得出底泥中营养物质释放是水质恶化的另一主要原因。山仔水库在2001年底污染完全截流以后，通过2003年7、8、10、11月份的监测数据和富营养化评价均表明，水质没有明显改善，有些指标呈现上升趋势。因此，对水库底泥进行采样，研究底泥中营养盐在静态时的释放，从而得出水库的内源负荷量，为山仔水库富营养化治理提供理论依据。
水库底泥中的磷释放是一相当复杂的动态过程，释放量的大小会受到水库底层中溶解氧的状况、温度、pH值、生物活性、风浪扰动等多种因素的影响。由汪家权等对安徽巢湖、隋少峰等对武汉东湖、侯立军等对苏州河和吴根福等对杭州西湖等浅水中影响底泥营养元素释放的环境因子研究，得出了以下结论：在厌氧条件下，底泥中的磷向水体释放，且释放强度随pH值的升高而升高，好氧条件下，底泥非但没有向水体释放磷，反而从水体中吸附磷，呈“负释放”状态，厌氧条件下底泥释磷量是好氧条件下的30倍，且pH值越低，“负释放强度”越大。升高水温、降低溶解氧和扰动上覆水均能加速磷释放，而且最大释放强度随温度的升高而提前。但是福州第二饮用水水源地—山仔水库属于深水水库，通过便携式溶解氧仪测定水库底部的溶解氧平均值为2.1mg/L，因此，本实验主要考虑在切断外污染源情况下，仅考虑厌氧环境和温度影响的情况下，底泥中营养元素的释放速率，从而计算出水体静态情况下底泥-水界面污染负荷。
1 实验方法
1.1样品的采集和分析方法
对山仔水库的底泥进行了充分调查的基础上，底泥采样采用开闭式不锈钢柱状底泥采样器（准60×600mm）进行底泥的采集，样品采集后立即避光保存。水样采集与底泥采集同步，水样采集采用中科院武汉水生所研制的采水器，并用超声波测深仪测出相应点位的水深。具体采样点位见图1。总磷测定采用酸性消解/钼锑抗分光光度法。
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1.2上覆水样处理
用于模拟实验的上覆水样采集与底泥采集同步，并带回室内后立即经纤维滤膜(0.45μｍ)过滤，然后放入冰柜中冷藏备用。
1.3沉积物界面磷释放实验
在室内将柱状样中原有上覆水用虹吸法抽去，再用虹吸法沿壁小心滴注已过滤的原采样点水样，至液面距沉积物表面某一高度，并标记下这一刻度。下端用皮塞塞紧，所有柱状样品均垂直放入已恒定在指定温度下的生化恒温培养箱中，避光培养。第一次灌入的水样作为起始样。水样用注射器抽取，每次取样60mL，取样后补充上覆水至同样的高度，然后立即在针眼处涂硅橡胶密封。紧接着排出柱状样上部的空气，一边充入N2时，另一边通过导管排出空气，时间约为5分钟。其中需要注意的是充氮气的导管尽可能的接近水面，而空气排出管尽可能与管口对齐，以便内部原有的空气尽可能的排出后，这样能充分的保证该柱状样处在厌氧的环境中，具体见图2。取样时间为每两天一次，并对所取水样进行指标分析，全部实验为24天结束。随时间的增加，实验水柱中浓度有所变化，这时某营养物的释放强度可按下式计算：
式中，R为释放强度（mg/m2）；V为柱中上覆水体积(L)；Cn、C0、Cj-1为第n次、初始和j-1次采样时某物质含量(mg/L)；Ca为添加水样中的物质含量(mg/L)；j-1为第j-1次采样体积(L)；r为释放速度[mg/（m2·d）]；t为释放时间（d）；A为柱状样中水-沉积物接触面积(m2)，A=0.002827 m2，每次采样后得出的释放速度平均后即得到释放速度，试验的释放速度是考虑底泥的释放和沉降后的净释放速度，即表观速度。由于山仔水库常年年平均水温变化在21～22℃之间，夏季（6～8）平均水温在29.5℃左右，其余三个季节平均水温在19℃左右，在本研究中取15℃代表春、秋和冬三季底部的水温，25℃代表稳定热分层时水库底部的水温。
2 结果与讨论
2.1磷的释放
根据模拟实验结果并用式（1）计算，结果见图3。
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从图3中可以看出，山仔水库底泥有较明显的磷释放现象发生，整体上在两个温度下的总磷的释放强度是随着时间的延长而逐渐增长的。对于同一地点的柱状样样品，不同的温度对底泥中磷释放也会产生很大的影响，本实验模拟在15℃，25℃温度条件下，底泥中磷的释放，图3中可以看出，在25℃时，底泥中磷的释放较15℃快，这是因为升高温度能增加底泥中微生物和生物体活性，进而消耗O2也增多，从而使底泥中发生Fe3+→Fe2+的化学反应，致使Fe结合态中的磷释放出来。另外，微生物的活动还可以使沉积物中的有机态磷转化为无机态磷酸盐而得以释放，总体上温度上升与磷释放程度有正相关关系。
2.2 底泥中的磷的释放速率
结合（2）式可以计算出各点的释放速率和年平均释放量，具体见表1。
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从表1中可以看出，山仔水库底泥中各个采样点磷在15℃下释放速度为0.501～3.530 mg/m2·d，25℃下为1.645～4.176 mg/m2·d之间， 15℃和25℃表观总磷释放速度的平均值分别为1.996 mg/m2·d和2.873 mg/m2·d，总体是夏季释放速度大于其它月份。
3 小 结
通过对底泥进行营养元素释放实验，得出底泥中的磷在深水中的释放规律，并对其释放强度进行计算，实验表明：
在厌氧条件下，磷有较明显释放现象发生，而且温度的升高促进了底泥中磷的释放。水库三个底泥样品中总磷在15℃下释放速度平均值为1.996mg/m2·d，25℃下平均值为2.873mg/m2·d，说明水库底泥中大量的磷的释放是水体富营养化又一个重要原因。
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