人工河流沉积物中磷的分布特...其形态研究：以肇兰新河为例_张殿伟.pdf

文章栏目：流域水环境整治与修复DOI10.12030/j.cjee.202212093中图分类号X522;X524文献标识码A张殿伟,李思敏,卞宏辰,等.人工河流沉积物中磷的分布特征及其形态研究：以肇兰新河为例J.环境工程学报，2023,17(6):2015-2026.ZHANGDianwei,LISimin,BIANHongchen,etal.Phosphorusdistributioncharacteristicsandformsinsedimentsoftypicalartificialrivers:AcasestudyoftheZhaolanNewRiverJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):2015-2026.人工河流沉积物中磷的分布特征及其形态研究：以肇兰新河为例张殿伟1，2，李思敏1，卞宏辰2，张文强2，单保庆21.河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸056038；2.中国科学院生态环境研究中心，环境水质学国家重点实验室，北京100085摘要以黑龙江省肇兰新河流域为研究对象，在调查区域水质和沉积物基本理化性质的基础上，采用 SMT 化学提取方法分析流域内表层、柱状沉积物中磷形态及含量，明确了人工河流沉积物各形态磷的空间分布特征。结合上覆水与沉积物理化性质，探讨了影响人工河流沉积物磷形态及释放因素。结果表明，肇兰新河流域内水体 TP 均值为 2.61mgL1，属于劣 V 类水体。沉积物的 TP 为 692.912197.87mgkg1，整体处于中度污染水平。沉积物中 Fe/Al-P 含量占比较高。通过相关性分析发现，上覆水中 ORP 是影响 OP、Fe/Al-P 迁移的重要环境因子，沉积物中 TC、OM、Fe 含量是影响 OP 含量的重要因素。作为一条典型人工河流，肇兰新河流域磷污染负荷严重，相比自然河流形态结构单一，缓冲能力和纳污能力较弱。本研究可为了解人工河流沉积物磷形态及其含量，并进行流域污染防控提供参考。关键词人工河流；沉积物；磷形态；分布特征河流是人类文明的摇篮，对人类社会经济发展至关重要1-2。河流分为自然形成和人工挖掘两类。为保障人民生命财产安全和生产生活需要，我国自古以来修建了大量人工河流3。人工河流具有内河航运、防汛排涝、引水调度、水景观等重要功能，对生态、经济和社会发展具有重要作用4。与天然河流相比，人工河流河道形态较为单一、生态系统结构简单、水量不足、缓冲能力和纳污能力相对较弱2,5。在面临城市各类污水排放、农业面源污染、径流污染时，人工河流水质和水生态功能受到的威胁比自然河流更为严重。磷是水生生态系统中不可或缺的营养元素之一。磷的过量输入会引起藻类等水生生物大量繁殖，破坏生态平衡，造成水体富营养化6。沉积物作为磷的“源”与“汇”，是控制沉积物-水界面磷循环的重要场所7。河流中溶解态磷会以吸附方式聚积于沉积物中，颗粒态磷在水流扰动较少的情况下沉淀，又可在洪水期、丰水期被水流携带向下游输送。相比湖泊而言，由于受水文条件影响，河流沉积物中的磷更易迁移至下游水体6,8。以往研究对沉积物各形态磷和释放风险多集中在自然河流6-7,9-10，而对于水文条件复杂、水土流失严重、河道形态单一的人工河流中沉积物磷的形态含量和空间变化特征研究较少5,11。收稿日期：2022-12-20；录用日期：2023-02-22基金项目：中国科学院青年创新促进会项目(2018058)第一作者：张殿伟(1997)，男，硕士研究生，；通信作者：张文强(1982)，男，博士，副研究员，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074作为黑龙江省腹地安达闭流区的重要泄洪排涝河流，肇兰新河挖掘于 1966 年12。肇兰新河开挖之初，主要功能为泄洪排涝，可解决松嫩平原闭流区域洪涝灾害问题。随着流域经济社会的发展，肇兰新河逐步演变成一条接纳沿途污水的河流。河流水质逐步下降，部分河段甚至出现黑臭现象13-14。肇兰新河为人工开挖的泄洪渠，其水系发育不成熟15，流域自然径流补给量小。这表明肇兰新河的河流环境容量低，水体自净能力差，纳污能力不足，局部河段水质较差16，影响了区域生态环境质量的提升。本研究以肇兰新河沉积物中的磷为对象，通过探究肇兰新河流域表层沉积物和柱状样中磷的形态特征及分布，分析不同形态磷与沉积物理化性质间的关系，揭示人工河流沉积物中磷的形态分布特征及影响因素，为实施肇兰新河等人工河流河道生态清淤等工程治理措施提供参考。1材料与方法1.1研究区域概况肇兰新河为典型的干支流结构河流，源头为青肯泡滞洪区。肇兰新河为人工开凿河流，流域面积共计 5210km215。肇兰新河全长 103.8km，起始于青肯泡滞洪区泄洪闸。肇东境内河段长度70km，呼兰境内 23km。青肯泡占地面积 123km2，湖面长约 19km，宽约 6.5km，平均水深仅1m。青肯泡原为平原洼地积水湖泡，出水泄入肇兰新河17。查阅历史资料发现，在 20 世纪 80 年代，为解决大庆石化公司废水排放问题，青肯泡被划分为南北两部分。其中，南部区域作为大庆石化废水排放地，称为污水库；北部区域现作为养鱼基地，称为清水库。流域属寒温带大陆季风气候，春季多风少雨、夏季酷热多雨，秋季凉爽、冬季寒冷干燥；流域平均温度 3.4，近年来最高气温 39.4，最低气温42.3。年平均降雨量在 293656mm。全流域封冻期 56 个月13。肇兰新河流域土地利用类型主要包括草地、耕地、建设用地、交通运输用地、林地、水域湿地、园地等。全流域耕地面积占比最大，2020 年统计数据中耕地面积为 1766.06km2，面积占比达到全流域面积的 65.76%；其次为草地，面积为 633.68km2，占比 23.59%；林地、建设用地与交通运输用地面积占比分别为 4.95%、3.40%和 1.14%。水域湿地、园地和其他土地面积占比较小，均不足 1%。1.2研究方法1.2.1点位布设为了解流域内沉积物磷的空间分布特征、人类生产生活、青肯泡出水、排干流水对干流沉积物磷形态特征的影响，依据水环境监测规范中的布点原则，肇兰新河干支流、青肯泡共布设14 个采样点。在肇兰新河干流下游(GL1、GL2)、中游(GL3)和上游段(GL4、GL5)布设 5 个点位，肇兰新河支流(GL6)布设 1 个点位。为了解生产生活方式对沉积物磷形态特征的影响，南区污水库与北区清水库各布设 4 个采样点位。研究区域概况、各采样点位地理位置情况如图 1 所示。1.2.2样品采集此次样品采集主要包含上覆水、表层沉积物和柱状沉积物样品。其中，14 个点位采集上覆水和表层沉积物样品，GL2、GL4、QK3 和 QK7 处采集柱状沉积物样品。使用 DR-801F2 采样杆采集1L 河流上覆水，DS-800 有机玻璃采水器采集 1L 湖泊上覆水。水样保存、运输参考国家地表水环境质量监测网监测任务作业指导书(试行)。沉积物样品包含表层沉积物与柱状沉积物两部分。使用不锈钢式抓泥斗(HYDRO-BIOS，Germany)采集表层沉积物样品，表层沉积物样品放入自封袋内密封保存。使用 CN-200 型活塞式柱状采泥器采集干流点位 020cm 柱状沉积物，利用自重力柱状采泥器(Corer60，Uwitec,Austria)采集湖泊 020cm 柱状沉积物。柱状沉积物样品现场按2cm 厚度分层，分层样品装入自封带内密封保存。沉积物样品的保存与运输方法参照湖泊沉积2016环境工程学报第17卷物调查规范。1.2.3样品分析上覆水测定包括现场指标(温度、氧化还原电位、pH)与实验室分析指标(COD 悬浮物、总磷、铁、铝、钙)。使用便携式水质分析仪(ProfessionalPlus，YSI，USA)现场测定水样温度(T)、氧化还原电位(ORP)、pH；通过钼锑抗分光光度法测定水样中总磷。取 2mLL 水样于哈希预制重铬酸盐指数 TNT 试剂管中，采用数字式反应器(DRB200，HACH，USA)消解，使用便携式分光光度计(DR3900，HACH，USA)测定 COD。参照国家标准水质悬浮物的测定-重量法(GB1190189)测定水质悬浮物。采取电感耦合等离子体质谱法测定水样中铁、铝、钙单位质量浓度(gL1)18。表层、柱状沉积物测定指标包含 pH、粒度、含水率、有机质、总碳、总氮、铁、铝、钙及SMT 化学分级法中各形态磷(总磷、无机磷、有机磷、铁铝结合态磷、钙结合态磷)。采用玻璃电极法测定 pH19，灼烧减量法测定沉积物有机质(organicmatter，OM)质量分数20。使用元素分析仪(VarioEL，Elementar，Germany)测定总碳(TC)、总氮(TN)，激光粒度分析仪(Mstersizer2000，Malvern，USA)测定粒径。采用电感耦合等离子体法测定沉积物中铁、铝、钙单位质量浓度(mgkg1)。沉积物中磷形态及其含量分析参照欧洲标准测试委员会框架下发展的 SMT 分级方法，该方法具有操作简单、准确度高等特点21-22。SMT 方法主要通过强酸、强碱提取沉积物中不同磷形态，通过 SMT 方法可分别测得总磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、铁铝结合态磷(Fe/Al-P)和钙结合态磷(Ca-P)5 种不同磷的含量。SMT 方法中测定的 Ca-P 含量的标准偏差约为 20%，其余形态磷相对标准偏差约为 5%。测定结果中：TP 含量IP 含量OP 含量，IP 含量Fe/Al-PCa-P。具体提取方法步骤如下。1)样品处理。首先将采集的沉积物冷冻干燥，研磨过 100 目筛，称取 3 份 0.2g 处理好的沉积物样品，分别提取不同形态磷。2)Fe/Al-P 和 Ca-P 的提取分析。将一份样品置于 50mL 螺口离心管中，加入 1molL1的46300北46300北4600北12600东12600东4600北清水库污水库QK6QK5GL5GL6GL4GL3GL2GL1QK8QK7QK4QK3QK2QK1幸福排干肇 兰 新 河 干 流01020kmNWES图例肇东市布置点位肇兰新河支流肇兰新河干流及幸福排干青肯泡流域边界注：白洋淀落位图来自Arcgis10.6中地理数据库File Geodatabase，图号为CGCS2000。图1研究区域及点位示意图Fig.1Schematicdiagramofstudyareaandstation第6期张殿伟等：人工河流沉积物中磷的分布特征及其形态研究：以肇兰新河为例2017NaOH 溶液 20mL，室温下 200rmin1振荡 16h，离心机以 4000rmin1高速离心 20min，倒出上清液，取 10mL，加入 4mL 盐酸溶液(3.5molL1)，混匀后静置 16h，钼锑抗比色法测定磷含量，即为 Fe/Al-P。随后向装有残渣的离心管中加入 1molL1的盐酸溶液 20mL，200rmin1振荡 16h，4000rmin1离心 20min，钼锑抗比色法测定上清液即为 Ca-P。3)IP 和 OP 提取分析。将第二份样品置于 50mL 螺口离心管中，加入 1molL1盐酸溶液20mL，室温下 200rmin1振荡 16h，4000rmin1高速离心 20min，钼锑抗比色法测定其上清液即为 IP。随后将残渣用去离子水洗涤 23 次，放入 80 烘箱烘干，将烘干后残渣移入坩埚，置于马弗炉以 450 灼烧 3.5h，灼烧完成后将残渣移入离心管中，加入 1molL1盐酸 溶 液 20mL，200rmin1振 荡 16h，4000rmin1离心 20min，倒出上清液按钼锑抗比色法测定即为 OP。4)TP 分析：将第 3 份样品置于坩埚中，在马弗炉中 450 灼烧 3.5h，将残渣移入离心管中，加入 3.5molL1盐酸溶液 20mL，室温