海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统试验研究

麻常雷 ，王项南 ，陈江麟 ，徐俊臣

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.国家海洋局北海计量中心，山东 青岛 266033）

海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统试验研究

麻常雷1，王项南1，陈江麟2，徐俊臣1

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.国家海洋局北海计量中心，山东 青岛 266033）

研发的海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统，通过原位无扰动采样，能够更加真实地获取沉积物-水界面处水样，经过实验室分析计算进一步得到该界面处的污染通量。系统样机海上现场试验的成功完成，充分验证了该课题实施方案的可行性。试验结果表明：样机实现了沉积物-水界面处重金属通量及营养要素通量的有效监测，真实地量化了污染物的迁移规律。

沉积物-海水界面；污染通量；自动采样；监测；试验

随着人类活动在沿海地区的日益密集，海洋生态环境持续恶化，90%以上的入海污染物最终进入到海洋沉积物及相关海洋生态系统中。海洋沉积物已经成为海洋水体环境中持久性的、有毒的化学污染物的主要存贮地。尤其是在近岸水体，受到诸如海上运输、航道疏浚、港口建设等经济活动，甚或潮汐、风浪等自然活动的影响，受污染的海底沉积物又会对海水造成二次污染。沉积物的“健康状况”无疑关系到水生生态系统的健康，进而通过食物链影响到人类自身。因此，监测沉积物-海水界面的污染状况具有非常重要的意义。

在国家高技术研究发展计划（863）的资助下，我们研发的海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统，通过连续、现场、自动地测量该界面的污染通量，可较大程度地量化海洋沉积物－水界面污染物通量、扩散方向与速率。

本文在介绍该系统整体研发的基础上，重点介绍了该系统试验样机的海上现场试验情况以及水样分析和数据处理结果。

1 沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统

1.1 系统组成

该系统主要由通量采样舱、真空采样瓶组、水路分配舱、多参数水质监测仪、氧气供给舱、水循环舱、控制舱、电池舱、声学释放浮筒等组成。按功能可分为采样单元、水样循环及监测单元、数据采集和系统控制单元、布放和回收单元等四部分。系统样机如图1所示。

1.2 系统工作原理

系统下放至海底后，通量采样舱上盖自动关闭，控制系统值班电路启动。水质仪定期监测通量舱内水体环境参数，决定适时开关供氧系统，以控制舱内溶解氧水平接近外部环境；水样循环系统定期工作，以保证舱内水体的流动性及水体监测参数的真实性；按预设时间采集舱内水样，用于重金属及营养要素分析。系统工作周期完成后，通过释放回收单元进行系统回收。

2 试验样机海试情况

系统样机完成后，课题组对其进行了严格的实验室联调测试以及水槽环境试验，针对发现的问题进行了有效改进后，择机进行了海上现场试验。

2.1 样机空白试验

由于海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统所采集的水样主要用于痕量重金属以及营养盐同量分析，采样过程中即使出现极其微小的外界污染或系统交叉污染，都会影响到监测数据的真实性。因此，课题组首先开展了样机的空白测试实验，以验证样机所采用的八位一通电磁阀、取样管路（主管及支管）及采样舱体是否会对水样造成污染。

分析结果表明：“各样品瓶中所取样品的重金属和营养盐浓度均很低，与实验所用的纯水的浓度没有显著差异，可以证明系统样机不会对水样造成污染。”

2.2 海上现场试验

2010年11—12月，课题组选择在天津港东突堤码头附近海域（国家海洋局塘沽海洋站东侧100 m处，底质沉积类型为粉砂质粘土）进行了两次海上现场试验，最终取得了符合要求的连续水样及完整的背景数据。

3 样分析及数据处理

由于每次采样都从通量采样舱内每取出一定量的水样，就会有相同量的孔隙水从采样舱底部补充进来。这样就造成了所测样品浓度并不等于那一时刻采样舱内污染物的真实浓度，两者之间有一定的误差，需要进行浓度校正，校正后的采样舱内污染物浓度计算公式如下：

式中：F为交换通量；m为浓度-时间拟合曲线的斜率；V是采样舱体积；A为采样舱的底面积。

3.1 重金属沉积物-水界面交换通量

第二次海上试验中，重金属浓度-时间拟合曲线如图2所示。

式中：[C]为校正后的浓度；[S]为测量的样品浓度；n为样品序号（1～8）；v 为样品体积；V 为采样舱体积；[S0]为初始水样的浓度。

交换通量计算公式为：

图2 实验期间重金属浓度-时间拟合曲线

从图2可以看出，在该试验区域内，不同重金属元素表现出不同的行为特性，铅和镉的浓度随时间下降，表现为吸附，即铅和镉从海水中进入沉积物；铬、铜、锌的浓度随时间增加，表现为解吸，即铬、铜、锌从沉积物中进入海水；锰和镍则没有明显的变化趋势。

经计算，该区域沉积物中各重金属元素的交换通量如图3所示。

从图 3 可以看出：锌的释放通量最高，达 612.8 μg/（m3·d），铜、铬的释放通量较低；铅、镉的通量值为负，说明水体中的铅、镉被沉积物所吸附。

图3 实验期间各重金属元素的交换通量

图4 实验期间营养盐的浓度-时间拟合曲线

图5 实验期间营养盐的交换通量

3.2 沉积物-水界面营养盐交换通量

第二次海上试验中，该区域营养盐浓度-时间拟合曲线如图4所示：硅酸盐、磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮均表现为从沉积物释放到水体。

经计算，沉积物各营养盐的交换通量如图5所示。

从图5中可以看出：营养盐的释放通量以硅酸盐、硝酸盐最高，磷酸盐最低，这可能与颗粒物的性质和水体营养盐含量有关。

通过本次试验可以发现：海试区域周边海域水体和沉积物环境质量总体较好，从历史数据来看，营养盐（无机氮）浓度较高，水体富营养化现象明显，沉积物重金属含量呈增高趋势；根据连续采集的样品分析计算，锌、铬、铜的通量为正，为从沉积物释放到水体中，其中以锌的通量最高，铅、镉的通量为负，说明水体中的铅、镉被颗粒物所吸附，锰、镍的浓度与时间的拟合曲线相关系数很低，没有显著的变化规律；硅酸盐、磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮均表现为从沉积物释放到水体，其中硅酸盐、硝酸盐的通量较高。

4 结论

系统样机经过海上现场试验表明，多参数水质仪记录的压力（深度）、温度、pH，DO等数据说明试验处于受控状态，采样舱密封性良好，舱内溶解氧含量与自然状态相一致。

海试结果表明：样机可在水下（最大深度10 m）连续、稳定、无故障地工作4 d，样机各组成单元的工作状态良好；样机能根据预先设定的时间间隔，在4 d内自动完成对海底沉积物上覆水层的8个水样无污染采集，并可连续、实时获取上覆水层的温盐、pH、溶解氧等水质参数。样机整体技术性能达到了有关设计要求。通过样机可对沉积物污染（重金属和营养盐）的现场、原位、连续时间序列采样、测量，更好地研究、揭示海底沉积物污染状况和扩散趋势。

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In situ Trial of Automated Sampling and Monitoring System for Measuring Contaminant Flux across Sediment–water Interface

MA Chang-lei1,WANG Xiang-nan1,CHEN Jiang-lin2,XU Jun-chen1
（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.North China Sea Standard and Metrology Center,SOA,Qingdao Shandong 266033,China）

The automated sampling and monitoring system for measuring contaminant flux across sediment-water interface is developed to collect water samples directly,which are almost isolated in a benthic flux chamber.The samples are analyzed for increase or decrease in toxicant concentration.The prototype is tested in Tianjin Harbor successfully.The quality of water samples collected by the prototype is good enough for determining the flux across sediment–water interface.The logistical and economic resources necessary to operate the prototype are also evaluated.

sediment–water interface;contaminant flux;automated sampling;monitoring;trial

P714+.4

B

1003-2029（2011）02-0046-04

2011-02-18

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2007AA09Z107）