扰动下底泥粒径对溶解性有机磷释放影响的水槽试验

赵刚　谭万春　孙士权

摘 要：本实验主要研究了两种沉积物粒径（35μm和130μm）对沉积物中溶解性有机磷释放的影响。选取了某浅水湖泊沉积物为研究对象，利用室内循环直流水槽模拟风生流，考察风生流持续扰动下，沉积物的不同粒径对溶解性有机磷释放的影响。实验结果表明：在20cm/s及38cm/s两种驱动流速条件下，130μm粒径沉积物试验组中有机磷释放速率均大于35μm试验组。驱动流速的提高使得达到平衡状态时的释放量略有提高，且对于较大的粒径，流速的提高更有利于平衡释放量的提高；此外，驱动流速的提高能够缩短达到平衡所需的时间。

关键词：水槽；沉积物；粒径；溶解性有机磷；释放

有机磷是湖泊营养物质循环和生命过程中的一个重要环节，在湖泊生态中的重要性日趋突出，对有机磷研究亟待加强[1]。发现强风作用可大大增加浅水湖泊沉积物再悬浮量，使上覆水总磷浓度增加数倍[2，3]。因而水动力作用下，浅水体沉积物有机磷尤其是溶解生物有效性有机磷释放特征的研究成为焦点。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择某浅水湖泊（113°E、28°11′N）沉积物为目标研究对象。依据《湖泊生态系统观测方法》进行样品采集处理后带回实验室阴干研碎并过筛，之后使用磷酸三丁酯溶液浸泡48h。本实验考虑不同粒径对沉积物释放有机磷的影响，因此实验用沉积物将筛分为沉积物I（粒径为130μm）与沉积物I（粒径为35μm）。依照《河流泥沙颗粒分析规程》，两种沉积物分别为粉沙（粒径范围4-62μm）及沙粒（粒径范围62-2000μm）。

1.2 装置和方法

试验装置为循环直流水槽（L×D×H=10000mm×400mm×500mm），并配有循环水泵和声学多普勒流速仪各1台。试验时将处置后的沉积物均匀铺于水槽底部并找平（厚度为70mm）。实验水深120mm，对距沉积物面0mm（泥水交界面）及60mm（中层水体）断面处采集水样，并记时为0时刻。取样间隔为：0-10h内，每隔0.5h取样一次；10-20h内，每隔1h取样一次；之后每隔6h取样一次。

1.3 分析方法

上覆水中有机磷浓度：上覆水样品经45μm滤膜过滤后，采集过滤液，参照钼锑抗分光光度法[4]测定溶解性总磷及无机磷浓度。其差值即为间隙水中溶解性有机磷浓度。驱动流流速通过水槽中固定的声学多普勒流速仪（ADV）流速仪检测。

2 分析与讨论

图1描述了20cm/s和38cm/s两种顶盖驱动流流速条件及35μm和130μm两种沉积物粒径条件下沉积物中溶解性有机磷释放的综合特征。两实验组有机磷释放量由平衡浓度表征，则[OP]1=0.44mg/L，[OP]2=0.49mg/L [OP]3=0.29mg/L，[OP]4=0.30mg/L（[OP]1为达到平衡状态时20cm/s、130μm试验组的有机磷释放量；[OP]2为38cm/s、130μm试验组的有机磷释放量；[OP]3为20cm/s、35μm试验组的有机磷释放量；[OP]4为38cm/s、35μm试验组的有机磷释放量）。

在35μm试验组中，流速的提高使得沉积物释放速率提高，在图表中表现为“更陡”，然而最终平衡浓度（相差0.01mg/L）基本持平；而在130μm试验组中，流速提高也使得试验初始阶段的图表变得“更陡”，即释放速率提高，并且在试验后期的平衡阶段，较高的流速造成了更高的有机磷平衡浓度（相差0.05mg/L）。可见，控制粒径时，驱动流速的提高使得达到平衡状态时的释放量提高，且对于较大的粒径，流速的提高更有利于平衡释放量的提高。驱动流速提高，使得近底水流的流速提高（驱动流速为20cm/s时，近底流速为7cm/s；驱动流速为38cm/s时，近底流速为14cm/s），从而使得近底水流作用在沉积物表面的粘性切应力提高。因而物理吸附的有机磷将在水流的扰动下释放至上覆水中，更强的剪切力使沉积物颗粒上更多的有机磷释放。

达到平衡所需的时间为：20cm/s驱动流速下，130μm试验组为32h左右，35μm试验组为10h左右；38cm/s驱动流速下，130μm试验组为10h左右，35μm试验组为5h左右；由此可见，当驱动流速一定时，较小的粒径能够更快地达到平衡；而当粒径一定时，驱动流速地提高能够缩短达到平衡的时间。

3 结束语

（1）20cm/s驱动水流扰动下，130μm粒径沉积物试验组中有机磷释放速率大于35μm试验组；130μm粒径沉积物试验组中吸附-释放平衡出现的时间为32h左右，而35μm试验组是10h。（2）控制粒径时，驱动流速的提高使得达到平衡状态时的释放量提高，且对于较小的粒径，流速的提高更有利于平衡释放量的提高；当控制流速时，较小的粒径表现出相对更大的释放量。（3）38cm/s驱动水流扰动下，35μm粒径沉积物试验组达到平衡的时间为10h，而130μm试验组则为5h。可见，流速的提高能够显著减少达到平衡所需的时间。

参考文献

[1]吴丰昌，金相灿，张润宇，等.论有机氮磷在湖泊水环境中的作用和重要性[J].湖泊科学，2010，22（1）：1-7.

[2]杨逢乐，吴文卫，陈建中，等.滇池沉积物中磷的释放行为研究[J].环境科学与技术，2009，32（11）：48-52.

[3]尹大强，谭秋荣.环境因子对五里湖沉积物磷释放的影响[J].湖泊科学，1994，6（3）：240-245.

[4]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法国家水质监测标准（第4版）[M].北京：中国环境科学出版社，2002.

作者简介：赵刚（1990-），男，汉族，河北人，在读硕士研究生，长沙理工大学，研究方向：水与废水处理理论与技术。