南水北調(diào)泵站調(diào)節(jié)池表層沉積物氮形態(tài)分布特征及影響因素*

唐夢(mèng)園 邱春生,2# 田 豐 白金超 王晨晨,2 王少坡,2 孫力平,2

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,天津 300384;2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384;3.天津水務(wù)集團(tuán)有限公司,天津 300202)

沉積物是湖泊、水庫(kù)等生態(tài)系統(tǒng)中污染物質(zhì)的重要載體,在一定條件下,沉積物中的氮、磷和有機(jī)物等會(huì)通過擴(kuò)散、物理擾動(dòng)和生物代謝等作用進(jìn)入上覆水,造成水體的二次污染[1-2]。氮水平是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和影響供水安全的關(guān)鍵因素[3],沉積物中氮的含量和賦存形態(tài)對(duì)其環(huán)境地球化學(xué)行為和內(nèi)源釋放特征有直接影響。

根據(jù)氮形態(tài)與沉積物結(jié)合程度的不同,可將沉積物中的總氮(TN)分為可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)和非轉(zhuǎn)化態(tài)氮(NTN),TTN又分為離子交換態(tài)氮(IEF-N)、弱酸可浸取態(tài)氮(WAEF-N)、強(qiáng)堿可浸取態(tài)氮(SAEF-N)和強(qiáng)氧化劑可浸取態(tài)氮(SOEF-N)4類[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)沉積物中高占比的TTN可增大氮釋放的風(fēng)險(xiǎn),而且TTN中IEF-N含量對(duì)上覆水中的氮含量影響較大[6-7]。沉積物pH、有機(jī)質(zhì)含量和粒度分布等與氮形態(tài)分布有一定相關(guān)性[8]837,[9]30,上覆水水質(zhì)、人類活動(dòng)和地域特征等也會(huì)在一定程度上影響氮形態(tài)的分布[10-12]。沉積物中氮形態(tài)分布與影響因素研究對(duì)考察沉積物-上覆水界面間氮遷移轉(zhuǎn)化的過程有重要意義[8]837,[13]1-2。

南水北調(diào)工程沿途由于風(fēng)力、大氣干濕沉降及其他因素,水中攜帶一定量的泥沙和有機(jī)體等懸浮物[14-15]。承擔(dān)著給水廠供水任務(wù)的原水樞紐泵站是南水北調(diào)工程的最末端,調(diào)節(jié)池是泵站唯一取水調(diào)節(jié)設(shè)施和原水下游最終受水端。上游原水中的懸浮物進(jìn)入調(diào)節(jié)池后因水流減緩大量沉積,沉積物內(nèi)源污染物釋放會(huì)對(duì)供水安全產(chǎn)生潛在威脅。當(dāng)前對(duì)沉積物氮形態(tài)的研究主要集中在湖庫(kù)、城市河道和近海等水體沉積物,但調(diào)節(jié)池具有流速快、水力停留時(shí)間短和污染物來源單一等特點(diǎn),針對(duì)南水北調(diào)泵站調(diào)節(jié)池沉積物氮形態(tài)分布的研究鮮見報(bào)道。

本研究以天津市區(qū)兩個(gè)原水樞紐泵站調(diào)節(jié)池為研究對(duì)象,考察春、夏兩季調(diào)節(jié)池不同采樣點(diǎn)表層沉積物(以下簡(jiǎn)稱沉積物)理化特征,包括pH、TN、總磷(TP)、無機(jī)磷(IP)、有機(jī)質(zhì)含量以及粒度分布等;并采用分級(jí)浸提法分析沉積物中氮的形態(tài)分布,在此基礎(chǔ)上對(duì)沉積物中不同形態(tài)氮與其他指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析,為調(diào)節(jié)池沉積物內(nèi)源污染釋放控制和供水安全保障提供支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與預(yù)處理

南水入津后經(jīng)暗涵分為兩道,分別進(jìn)入A泵站調(diào)節(jié)池(池長(zhǎng)350 m,寬220 m,深度10.9 m,有效容積46.0萬m3)與B泵站調(diào)節(jié)池(總凈寬185 m,進(jìn)口導(dǎo)流段南北向長(zhǎng)335 m,其余部分南北向長(zhǎng)250 m,有效容積31.1萬m3)。根據(jù)調(diào)節(jié)池結(jié)構(gòu)、流向和實(shí)際淤積情況,A 泵站調(diào)節(jié)池設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)(XH1～XH5),B泵站調(diào)節(jié)池設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)(CZ1～CZ4)，具體見圖1。取樣時(shí)間分別為2021年4月23日和8月21日,現(xiàn)場(chǎng)采用抓泥斗采集沉積物樣品,混合均勻后立即裝入封口鋁箔袋置于保溫箱,2 h內(nèi)運(yùn)送回實(shí)驗(yàn)室。沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥處理,去除枝干等生物殘?bào)w,研磨后過100目篩,置于鋁箔袋4 ℃保存。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distributions of sediment sampling points

1.2 樣品的測(cè)定方法

沉積物樣品pH采用電極法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;TN采用過硫酸鹽消化法測(cè)定[16];TP和IP采用SMT法提取后用鉬酸鹽分光光度法測(cè)定[17];有機(jī)質(zhì)含量采用燒失量法測(cè)定[18];粒度經(jīng)預(yù)處理[19]后采用馬爾文Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)定;沉積物氮形態(tài)采用分級(jí)浸提法[8]838-839測(cè)定。所有沉積物樣品均平行測(cè)定3次。

1.3 沉積物污染評(píng)價(jià)

TN的單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式(見式(1))和污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)參照文獻(xiàn)[20]。

STN=CTN/CS

(1)

式中：STN為TN單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù);CTN為TN實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度,mg/kg;CS為TN污染程度標(biāo)準(zhǔn)限值,mg/kg，取440.00 mg/kg。

表1 TN污染程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Pollution degree evaluation criteria of TN

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)節(jié)池沉積物基本理化指標(biāo)

調(diào)節(jié)池沉積物基本理化性質(zhì)見表2。沉積物pH為6.75～7.32。春季調(diào)節(jié)池沉積物TP為255.68～408.76 mg/kg,均值為342.93 mg/kg,其中磷形態(tài)以IP為主,占比(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì),下同)為72.30%～84.97%;B泵站調(diào)節(jié)池進(jìn)水口(CZ1)沉積物TP和IP含量較高,可能與磷多負(fù)載于顆粒物易沉積有關(guān)[13]7-10;沉積物有機(jī)質(zhì)為8.22%～16.23%,均值為11.53%,進(jìn)水口(XH1、CZ1)沉積物有機(jī)質(zhì)含量高于其他采樣點(diǎn)。夏季調(diào)節(jié)池沉積物TP為318.25～400.97 mg/kg,均值為363.90 mg/kg,磷形態(tài)也以IP為主(占比54.37%～81.71%);有機(jī)質(zhì)為6.50%～10.04%,均值為8.48%,夏季調(diào)節(jié)池沉積物有機(jī)質(zhì)較春季略低,可能與夏季沿途雨水沖刷部分泥沙進(jìn)入水體有關(guān)[21]。調(diào)節(jié)池沉積物依據(jù)應(yīng)用較為廣泛的粒級(jí)劃分方法[22]可劃分為泥(<10 μm)、粉砂(10～<100 μm)、砂(100～1 000 μm)和礫(>1 000 μm)。兩個(gè)調(diào)節(jié)池不同采樣點(diǎn)沉積物粒徑分布存在差異,進(jìn)水口沉積物粒徑較大,距進(jìn)水口較遠(yuǎn)且流速較緩處小粒徑顆粒物占比較大,這與不同粒徑顆粒物的沉降速率和局部流速有關(guān),大顆粒沉積物沉降速度快易沉積在流速較大的采樣點(diǎn)[23];春、夏季同一采樣點(diǎn)沉積物的粒度組成也不同,春季沉積物粒徑較大,以砂為主,夏季以粉砂為主。

表2 沉積物基本理化性質(zhì)1)Table 2 General physicochemical properties of the sediments

2.2 沉積物TN分布特征

TN含量在很大程度上決定了沉積物內(nèi)源污染程度與釋放潛力[24]103。由圖2可知,兩個(gè)調(diào)節(jié)池春季TN為3 676.51～7 515.99 mg/kg,均值為5 504.48 mg/kg;夏季TN為1 924.12～3 615.93 mg/kg,均值為2 689.16 mg/kg。春季調(diào)節(jié)池STN=12.5,夏季STN=6.1,均屬于重度污染,且春季調(diào)節(jié)池沉積物氮營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度為夏季的2倍。由圖2可知,9個(gè)采樣點(diǎn)中,TN含量分布不均,差異明顯,季節(jié)變化也明顯,除XH5夏季未取到沉積物外,其他采樣點(diǎn)TN含量均為春季>夏季。春季兩個(gè)調(diào)節(jié)池進(jìn)水口沉積物TN含量最大,均高于其他采樣點(diǎn),可能是由于原水懸浮物進(jìn)入調(diào)節(jié)池后主要沉積在進(jìn)水口。夏季調(diào)節(jié)池沉積物TN含量較春季低,主要與夏季進(jìn)水泥和粉砂含量高(見表2)且夏季進(jìn)水懸浮物(29.25 mg/L)高于春季(11.75 mg/L)有關(guān),其次與夏季高溫下沉積物中的氮釋放速度較快有關(guān)[25-26]。

圖2 調(diào)節(jié)池沉積物TNFig.2 TN of the sediment in regulating reservoir

2.3 沉積物不同形態(tài)氮的含量和分布特征

2.3.1 沉積物TTN含量及分布

TTN是沉積物氮中可參與循環(huán)的部分,在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)可以釋放并重新參與循環(huán)[27]。圖3展示了春、夏季調(diào)節(jié)池各采樣點(diǎn)沉積物中TTN及其在TN中的占比(均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，下同)。春季調(diào)節(jié)池沉積物中的TTN為794.48～2 331.17 mg/kg,在TN中的占比為19.42%～38.54%;夏季TTN為854.68～1 372.16 mg/kg,在TN中的占比為24.46%～46.14%。與夏季相比,春季不同采樣點(diǎn)TTN含量差異較大,春季兩個(gè)調(diào)節(jié)池進(jìn)水口沉積物TTN含量均較其他采樣點(diǎn)高。雖然春季沉積物中TTN含量總體較夏季高,但夏季TTN在TN中的占比總體高于春季,這可能與夏季調(diào)節(jié)池沉積物中小粒徑顆粒物含量較高有關(guān)。呂曉霞等[28]研究不同粒級(jí)沉積物中TTN的含量表明,沉積物中小粒徑顆粒物的含量越高,沉積物中TTN占比越高;焦立新[29]32-35的研究結(jié)果也與此一致。夏季TTN在TN中的占比增大,表明沉積物中能夠釋放并且參與循環(huán)的氮含量增加,進(jìn)一步加大沉積物氮釋放風(fēng)險(xiǎn)[24]103。

圖3 不同采樣點(diǎn)TTN及其在TN中的占比Fig.3 TTN and its proportions in TN at different sampling points

2.3.2 沉積物不同氮形態(tài)的含量及分布

調(diào)節(jié)池沉積物春、夏兩季各形態(tài)氮在TTN中的占比見圖4。4種形態(tài)氮在TTN中的占比均值表現(xiàn)為IEF-N(47.48%)>SAEF-N(21.34%)>WAEF-N(15.85%)>SOEF-N(15.33%)。

圖4 春、夏季不同形態(tài)氮在TTN中的占比Fig.4 Proportions of different forms of nitrogen in TTN

IEF-N是與沉積物結(jié)合能力最弱的氮形態(tài),易釋放參與氮循環(huán)[30]。兩個(gè)調(diào)節(jié)池春、夏季各采樣點(diǎn)沉積物4種形態(tài)氮中IEF-N占比較高。研究顯示,IEF-N含量受到沉積物有機(jī)質(zhì)含量和粒度的影響,其在細(xì)軟的黏土質(zhì)軟泥和粉砂質(zhì)黏土等小顆粒中含量要高于較粗的砂質(zhì)地大顆粒沉積物[31-32]。春季進(jìn)水口沉積物IEF-N占比均大于其他采樣點(diǎn),與沉積物有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)。兩個(gè)調(diào)節(jié)池除進(jìn)水口外,其他采樣點(diǎn)夏季IEF-N占比均高于春季,可能與夏季沉積物中小粒徑顆粒物占比高有關(guān),沉積物粒徑越大其營(yíng)養(yǎng)鹽等交換越頻繁,不利于IEF-N沉積[33]。

表3 沉積物氮形態(tài)與其主要理化性質(zhì)的相關(guān)性分析1)Table 3 Correlation analysis between nitrogen forms and major physicochemical properties of sediments

SAEF-N是沉積物中與鐵錳氧化物結(jié)合的氮,也是無機(jī)氮的主要存在形式,還原環(huán)境有利于SAEF-N的釋放。各采樣點(diǎn)間SAEF-N占比變化不大,季節(jié)變化規(guī)律亦不明顯,可能是由于調(diào)節(jié)池水流量較大,各采樣點(diǎn)氧化還原環(huán)境類似。

SOEF-N主要是沉積物TTN中唯一存在的有機(jī)氮形態(tài),也是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中最難釋放的氮形態(tài)[37-38]。SOEF-N占比最低,且時(shí)空差異也不明顯。

2.4 沉積物氮形態(tài)影響因素分析

沉積物氮形態(tài)與其主要理化性質(zhì)的相關(guān)性見表3。TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N與TN之間的相關(guān)性表現(xiàn)為NTN>SAEF-N>TTN>WAEF-N>SOEF-N>IEF-N,所有形態(tài)氮均與TN呈極顯著相關(guān)性或顯著相關(guān)性,表明各形態(tài)氮的分布特征均與TN的分布特征類似,說明TN含量與分布特征在一定程度上能夠反映調(diào)節(jié)池沉積物氮內(nèi)源污染程度。IEF-N作為TTN重要的組成部分,與TTN間呈極顯著正相關(guān)性,說明IEF-N是TTN參與氮循環(huán)釋放的主要貢獻(xiàn)形態(tài)[29]24-28。TN、各形態(tài)氮與TP、IP間的相關(guān)性較弱,說明沉積物中的氮與磷的來源可能不同,同時(shí)磷含量對(duì)各形態(tài)氮的分布影響較小。TN、各形態(tài)氮與pH間表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性,可能是由于沉積物pH會(huì)影響氮循環(huán)中微生物的活性,從而影響硝化與反硝化過程,進(jìn)一步影響各形態(tài)氮的含量與分布。TN、各形態(tài)氮與有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性,說明調(diào)節(jié)池沉積物中氮可能主要來源于有機(jī)質(zhì),這與趙寶剛等[8]837,[9]35-36的研究結(jié)果一致,沉積物中有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響微生物的活性從而影響微生物對(duì)有機(jī)氮及SOEF-N的礦化程度,進(jìn)而影響了各形態(tài)氮的含量[39]。因此,有機(jī)質(zhì)含量是調(diào)節(jié)池沉積物中氮形態(tài)的影響因素。

TN、TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SOEF-N與泥、粉砂均呈不同程度正相關(guān)性,而與砂、礫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,這可能是因?yàn)榱捷^大的沉積物在環(huán)境劇烈變化時(shí)也不易破碎從而釋放氮,粒徑小的沉積物易受環(huán)境的影響使氮溶出[29]30-35,同時(shí)NTN更容易保存在粒徑較小的顆粒物中[9]36,因此粒徑較小的沉積物也是氮循環(huán)釋放的貢獻(xiàn)主體。SAEF-N與泥、粉砂均呈負(fù)相關(guān)性,而與砂、礫呈正相關(guān)性,這可能是因?yàn)檩^小粒徑顆粒物容易形成還原環(huán)境,有利于沉積物中SAEF-N的釋放[40]。因此,粒徑分布也是調(diào)節(jié)池沉積物中氮形態(tài)的影響因素。

3 結(jié) 語

A、B泵站調(diào)節(jié)池進(jìn)水口沉積物IP是TP的主要成分,進(jìn)水口有機(jī)質(zhì)均高于其他采樣點(diǎn)。沉積物在春季以砂為主,夏季以粉砂為主。調(diào)節(jié)池進(jìn)水口大顆粒沉積物占比較大,隨水流方向小粒徑沉積物占比升高。春季進(jìn)水口TN、NTN均高于其他采樣點(diǎn),調(diào)節(jié)池春、夏季TN均達(dá)到重度污染級(jí)別,沉積物內(nèi)源氮釋放的潛力較大。IEF-N是TTN的主要組成部分,春季沉積物TN、TTN含量總體高于夏季,但夏季TTN在TN中的占比及IEF-N在TTN中的占比基本高于春季。夏季溫度較高,TTN釋放潛力加大,氮元素向上覆水釋放增強(qiáng)。WAEF-N在TTN中占比較低,SAEF-N與SOEF-N在各采樣點(diǎn)間時(shí)空差異不明顯。沉積物各形態(tài)氮與TP、IP含量相關(guān)性較弱。沉積物中的各形態(tài)氮與有機(jī)質(zhì)間均呈極顯著相關(guān)性,有機(jī)質(zhì)的礦化作用會(huì)影響各形態(tài)氮的含量及組成。沉積物粒徑分布對(duì)氮形態(tài)的分布影響較為明顯,TN、TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SOEF-N的含量均與泥、粉砂占比存在正相關(guān)性。