2. 江苏省环境演变与生态修复重点实验室, 南京 210046
2. Jiangsu Key Laboratory of Environmental Change & Ecological Construction, Nanjing 210046, China
水资源调度,即利用水利工程来实现水资源时空的重新分配,从而满足供水保障、 防洪抗旱和生态改善的要求[1]. 水资源调度包括供水调度、 防洪调度、 水库调度、 水沙调度和环境调度[2]. 长江三角洲东部平原河网区为典型感潮河网地区,区域内河道纵横、 水系发达,过境水量充沛且水质较好,再加之潮汐自然涨落水动力优势为开展水资源调度工作提供了有利条件[3]. 水资源调度已经成为该区域保障生活生产和生态用水,改善水体环境质量,不可缺少且长期有效的水资源利用和水环境保护重要措施[4].
城市河道氮素超标已经成为城市水环境面临的一个突出问题. 沉积物作为排入河道中各类污染物主要的归宿场所之一,累积了大量的污染物质. 富集于沉积物中的污染物质在一定条件下重新释放,成为二次污染源[5, 6]. 研究表明,内源氮已成为河道氮素污染的重要贡献者[7]. 氮作为水生生态系统中一种重要的生源要素,其迁移转化受到许多环境因子的影响[8, 9]. 水资源调度过程中随着水量的调换,会改变上覆水的基本组成和理化性质,水位在短期内也会出现急剧变动,这些改变对河道氮的迁移转化过程必然会产生深刻影响. 目前关于水资源调度对河道氮素迁移转化的影响研究,还只是包含在水资源调度对水环境总体质量研究之中[10, 11, 12],还未见基于水资源调度的城市河道水体氮素迁移转化相对系统研究. 因此,研究污染河道水体环境特征在水资源调度下的变化过程,深入揭示水资源调度过程中氮形态迁移转化过程,探讨沉积物内源氮释放行为对水资源调度的响应机制,对于有效解决平原河网区污染河道氮污染问题具有十分重要的现实意义. 本文以南通市主城区东部水洗为研究对象,通过野外实地观测,分析水资源调度过程中沿调水路径城市河道水文特征变化,探讨水资源调度的基本过程; 通过分析上覆水理化指标,探讨基于水资源调度的平原河网区城市河道氮素形态与组成; 在实验模拟条件下,不考虑外源污染,研究基于水资源调度的城市河道沉积物NH+4-N释放过程,探讨基于水资源调度的平原河网区城市河道氮素迁移转化机制,以期为平原河网区城市污染河道氮污染治理提供理论支撑. 1 材料与方法 1.1 研究区概况
南通市位于江苏省东南部,滨江临海,分属长江和淮河两大流域,水系较独立,为典型感潮平原河网区,具有得天独厚的水资源开发利用优势. 南通市每年要从长江引调大量的水满足工农业生产及防汛抗旱的需要. 随着南通市经济社会的快速发展,城市内河的水环境质量问题日趋突出,迫切需要通过水利工程设施,加大引江调水力度,增加供水能力,以增强河道自净和调蓄能力有效改善河道水质,维持河流的健康生态. 2009年开始,南通市针对生态换水制定专门的引江调水方案,通过引江调水改善境内河道水质已成为南通市水环境保护的常态化工作.
南通市主城区东片水系水资源调度主要通过通吕运河的节制闸自长江引水,经通吕运河3个闸泵站(图 1中①、 ②、 ③)向南部城区的城市内河输水,即共有3条引江调水路径,见图 1. 本研究选择该区域其中一条引江调水路径作为研究河段,即由郭里头河闸及泵站自引或抽引通吕运河水,通过郭里头河、 濠东河、 通甲河到海港引河,经小姚港涵闸入江. 郭里头河闸平水时关,关闸后提水泵站全力运行向内河引水. 沿调水路径,从通吕运河沿引水的水流方向至海港引河设置不同的采样断面,见图 1.
![]() | 图 1 采样点示意Fig. 1 Map of Nantong City showing sampling stations |
选择龙王桥(LW)断面和通京大道(TJ)断面进行为期一个月的水深观测(2013年7月7日~8月7日),现场同时测定DO(YSI 550,美国)、 pH(YSI 100,美国)温度和水温.
7月18日(农历十一)、 7月24日(农历十七)和8月5日(农历二十九),沿引江调水的水流方向分别在设置断面现场测定DO、 pH和温度、 水温,另采集水样1000 mL,送回实验室测定水样高锰酸盐指数、 DTN(可溶性总氮)、 NH+4-N、 NO-3-N和NO-2-N. 1.3 沉积物NH+4-N释放模拟
在JW断面采集上覆水,水样经0.45 μm滤膜过滤作为实验用水,过滤水样放入冰箱,4℃蔽光保存. 在龙王桥(LW)断面,用自制柱状采样器(有机玻璃,φ50 mm×500 mm)采集河道表层沉积物约15 cm的柱状样若干. 采集样品迅速送至实验室. 任意取出3根柱状样进行沉积物及间隙水理化性质分析. 其余柱状样保留表层沉积物10 cm,用虹吸法排出原有上覆水后加入经抽滤的实验用水(加至约30 cm高,相当于LW断面平均水深,即1.30 m,见2.1节). 将处理后柱状样分为2组,每组3根. 其中1组水深保持不变,作为对照组(C组); 另外1组(S组),根据LW断面观测的水深(7月23~30日)变化,按照容器30 cm高相当于野外1.30 m水深的比例加减实验系统的水量以模拟野外观测到水深变化过程. 记录每次加入或抽取水量. C组中,每日早晚从各柱状样设置的采样口采集水样20 mL,后补充实验用水20 mL. S组中,根据水深变化,在保证20 mL水质分析水样的基础上进行水量调整. 采集(抽取)水样和加入水样同时进行DTN(可溶性总氮)、 NH+4-N、 NO-3-N和NO-2-N分析. 实验期间通过水浴使实验系统温度为28~29℃,与野外相似.
沉积物NH+4-N释放量计算见式(1).
将采集的柱状样排干上覆水后用上顶法分层研究沉积物,用离心法(4000 r ·min-1,20 min)获得间隙水. 把取得的上覆水和间隙水用 0.45 μm 的醋酸纤维滤膜过滤,过滤后的水样采用标准方法进行DTN(可溶性总氮)、 NH+4-N、 NO-3-N和NO-2-N分析[13],TIN(总无机氮)为NH+4-N、 NO-3-N和NO-2-N之和. 每天分时段监测DO和pH. 水中的高锰酸盐指数采用标准方法测定[13].
沉积物有机质含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定[14]. 沉积物NH+4-N和NO-3-N浓度测定:称取相当于10 g干样的新鲜沉积物,用2mol ·L-1的KCl溶液浸提(液 ∶土=5 ∶1),振荡 30 min,过滤后比色法(波长为210 nm)测定浸提液中 NO-3-N浓度; 纳氏比色法(波长为420 nm)测定浸提液中NH+4-N浓度[15]. TN的测定为碱性过硫酸钾消解后在波长210 nm比色测定[14]. 2 结果与讨论 2.1 内河水深变化过程
监测到的水深变化如图 2所示. 两个观测点位于通甲河的上下游,LW和TJ断面的水深变化显著相关(P<0.01,t-test). LW和TJ断面最大及最小水深分别为1.75 m、 0.81 m和2.00 m、 0.45 m,平均水深分别为1.30 m(以LW断面的平均水深作为室内释放模拟参考水深单位)和1.47 m. 在水资源调度的作用下,内河水深存在明显的日变化过程,LW和TJ断面每12 h水深变化平均为0.18 m和0.23 m,每12 h最大水深变化分别为0.55 m和0.85 m.
![]() | 图 2 水深变化过程Fig. 2 Variation of water depth |
内河水深主要由引水和排水两个环节决定,当地水利部门根据每月长江潮汛变化、 长江来水量、 内河水质和当地降水状况及防旱、 防汛需要适时调整引水和排水过程,调控内河水体置换过程,保证内河水环境质量[16]. 引水分为自流引水和动力提水两种类型,自流引水基本是依靠长江潮汐动力,在高潮时引水,低潮时排水,水体置换效果往往受到时间和长江潮位的限制; 为了保持内河良好水环境质量水平,在自流换水基础上必须采用动力提水实现调水引流. 研究河段郭里头泵站,在平水时全力运行即是按此原则设置. 在引入源水能得到保障的基础上适时开闸排水以达到换水目的. 观测发现,研究区内河水体置换分两种方式. 一是“轻度置换”,在长江非大潮汛阶段,利用长江不规则半日潮规律在每天涨潮时全力开闸引水,平水时通过泵站引水,通过汇入河道(海港引河)的水位来控制引水路径中河道水深,水深日变化幅度不大,水量置换力度较小,能保证内河水体缓慢流动,水力停留时间长; 农历初六(7月13日)到农历十四(7月21日)、 农历十八(7月25日)到农历二十一(7月28日)以及农历二十三(7月30日)到农历二十八(8月4日)阶段的水深变化反映了上述过程,见图 2. 二是“深度置换”,在长江大潮汛(农历初一、 十五)到来之前1~2 d内于每天退潮阶段尽可能开闸(小姚港涵闸)排水,排出水质较差的内河水,农历十五前(7月22日)和农历初一(7月8日)前水深变化反映了这一过程; 接着在大潮汛期间(2~3 d内)尽可能利用潮汐动力加速换水过程,水量置换力度大,水体流速快,水力停留时间短,见农历初二(7月9日)到农历初五(7月12日)以及农历十五(7月22日)到农历十八(7月25日)的水深变化过程. 另外,在非潮汛时段,在引入源水得到保障的基础上可以利用深度置换方式来满足内河水质和防汛需要,如农历二十二(7月29日)前后的水深变化. 2.2 沿调水路径水中DO与高锰酸盐指数变化
沿调水路径水流方向,各监测断面DO变化如图 3所示. 不难发现,沿水流方向DO存在明显的空间差异,即在HB断面以下,水体DO迅速降低,这一现象在流速较缓、 水力停留时间长的轻度置换阶段更为明显. 沿程各监测断面高锰酸盐指数变化见图 4. 通过高锰酸盐指数与DO相关性分析发现,在轻度置换阶段二者呈极显著负相关(见表 1),表明沿程DO下降与高锰酸盐指数增高有关. 实地考察发现,从HB断面到TJ断面河流经的主要是居民生活区. 造成监测断面高锰酸盐指数增高的原因一是由于“雨污分流”还未能完全实施,周围可能有部分生活污水排入,导致水中耗氧污染物增多; 另外一个原因是该河段的沉积物富集了大量耗氧污染物质,内源污染严重(见表 2),加剧了水中DO的消耗.
![]() | 图 3 各采样点DO值Fig. 3 Variation of DO concentration in sampling stations |
![]() | 图 4 各采样点高锰酸盐指数Fig. 4 Variation of permanganate index concentration in sampling stations |
沿引江调水路径,河道无机氮(IN)组成与浓度变化见图 5. 从3次调查数据来看,引入内河的源水(JW断面)氮素浓度及组成变化不大. 引入内河的源水中TIN浓度为2.73 mg ·L-1±0.13mg ·L-1,其中以NO-3-N为主,占总TIN的77.6%以上,其次是NH+4-N,而NO-2-N浓度均很低,这与长江河口和相关地区的IN组成相似[17, 18]. 沿调水路径,内河水中TIN浓度及组成变化与内河水资源调度阶段有关. 由图 2可知,7月18日和8月5日处于轻度置换阶段. 引入的源水在经郭里头泵站引入内河后,沿水流方向各监测断面氮素组成发生了明显的变化,主要表现为随着水流流向TIN浓度增加,NO-3-N浓度明显下降,NH+4-N浓度显著升高. 监测断面中TIN最大浓度分别出现在DS断面和TJ断面,均为引入内河源水(JW断面)的1.94倍; NH+4-N的最大浓度分别为4.24 mg ·L-1±0.08mg ·L-1(DS断面)和4.40 mg ·L-1±0.10mg ·L-1(TJ断面),分别为引入内河源水(JW断面)的9.93倍和8.78倍; NO-3-N最小浓度分别为引入内河源水(JW断面)的11.7%(TJ断面)和10.1%(TJ断面). 根据图 2,7月24日为深度置换阶段,沿调水路径各监测断面的TIN浓度变化不大,NO-3-N浓度有所下降,NO-3-N最小浓度为1.11 mg ·L-1±0.08mg ·L-1(TJ断面),为JW断面的50%; 沿程NH+4-N浓度有所上升,NH+4-N浓度最大浓度1.77 mg ·L-1±0.04mg ·L-1(TJ断面),为JW断面的2.78倍.
![]() | 图 5 各采样点无机氮浓度Fig. 5 Variation of inorganic nitrogen concentration in sampling stations |
水生生态系统中NO-3-N可被生物吸收或经反硝化作用去除[19],DO是控制水生生态系统反硝化过程的一个关键因素[20, 21]. 自然条件下河流为动态流动水流,虽然存在反硝化细菌,但一般溶解氧较高,多处于氧化环境,因此氮在河流中的反硝化作用可能并不明显[22]. 可是在水流较为稳定的时期,在一定条件下会发生明显的反硝化过程[23]. 在HB断面以下,在深度置换阶段由于水流较快,水力停留时间短,各断面NO-3-N浓度下降趋势不明显; 在轻度置换阶段各断面NO-3-N浓度有下降趋势显著. 可见,在轻度置换阶段反硝化作用可以削减源水中部分的NO-3-N,但是由于NH+4-N浓度显著升高抵消了对总氮去除的效果. 研究河段沿水流方向DO存在明显的空间差异,在轻度置换阶段,HB断面以下水体DO迅速降低(见图 3). 随着DO 降低,各断面NO-3-N浓度有明显下降的过程. 通过对DO与各形态无机氮的相关性分析(见表 1),结果发现DO和NO-3-N呈极显著相关关系(P<0.01),表明DO控制的反硝化过程是影响沿程NO-3-N浓度的一个重要因素.
HB断面以下水中NH+4-N浓度明显升高,主要是由于有新的NH+4-N输入. 研究河段水中NH+4-N一方面有可能来源于外源输入,即生活污水注入,生活污水中NH+4-N含量一般较高[24]. 由表 1发现在轻度置换阶段,高锰酸盐指数与NH+4-N极显著正相关关系,表明生活污水中耗氧污染物增加可能伴有NH+4-N的注入. 另一方面,水中的NH+4-N可能来自于沉积物的内源NH+4-N释放. 研究河段间隙水中含有很高浓度的NH+4-N(见表 2). 在水力停留时间较长、 DO水平较低[6]、 水温较高的条件下[25, 26]会快速向上覆水释放. 较低DO水平同时会抑制水中氮的硝化作用[19, 27, 28],使NH+4-N在上覆水中累积,导致上覆水中NH+4-N浓度增高. DO与NH+4-N呈极显著负相关关系(见表 1),说明DO是影响水中NH+4-N浓度的一个重要因素. 在流速缓慢,水力停留时间长的轻度置换阶段,在内、 外源的作用下,沿 程水体中高锰酸盐指数增高及DO下降,控制着河道的硝化和反硝化过程及沉积物-水界面氮迁移转化过程,进而影响水体氮素组成和浓度.
![]() | 表 1 DO、 高锰酸盐指数与无机氮Pearson相关关系1)(n=13)Table 1 Pearson correlation between DO,permanganate index and inorganic nitrogen |
在野外采样分析的基础上,发现HB至TJ断面的沉积物及间隙水理化组成具有相似性(数据未给出). 基于此并根据调水路径中各断面的氮形态组成,选择LW断面为沉积物氨氮释放的研究断面. 该断面沉积物及间隙水的理化特征见表 2. 从中不难发现,该河段沉积物富含有机质(OM),表层沉积物(0~10 cm)OM含量平均达到6.06%±0.09%,大致是太湖表沉沉积物OM含量的1.41~4.02倍[29, 30]. 间隙水中的耗氧物质含量较高,高锰酸盐指数的平均值达到60.44 mg ·L-1±0.80 mg ·L-1. 由此可见,表层沉积物及间隙水具有很大的耗氧潜力. 这可能是导致上覆水DO下降和高锰酸盐指数升高的一个主要原因. 表层沉积物的间隙水中氮素组成以NH+4-N为主,平均占TDN的91.44%,平均浓度达到48.65 mg ·L-1±4.67 mg ·L-1. 由于长期处于低DO环境,表层沉积物及间隙水中NO-3-N含量(浓度)很低.
![]() | 表 2 表层沉积物及间隙水主要理化指标1) Table 2 Physico-chemical characteristics of sediment and porewater in study sites |
在不考虑到外源污染的基础上,使用引江调水的源头水(JW断面采集并经抽滤)作为实验用水,进行沉积物NH+4-N释放模拟实验. 在实验室条件下,上覆水NO-3-N和NO-2-N浓度很低(数据未给出),表明实验系统中硝化过程不明显. 进行模拟实验阶段各组上覆水NH+4-N浓度和水深变化见图 6. 从2组上覆水NH+4-N浓度上升过程,不难发现沉积物NH+4-N释放过程很明显. 对照组(C组)上覆水中NH+4-N最大浓度为11.38 mg ·L-1±0.12 mg ·L-1,为初始NH+4-N浓度的46.21倍. 模拟水位变化组(S组)上覆水中NH+4-N最大浓度为8.04 mg ·L-1±0.13 mg ·L-1. 在实验过程,C组NH+4-N浓度始终高于S组,2组的NH+4-N浓度存在极显著差异(P<0.01,t-test). S组上覆水中NH+4-N浓度与水深存在显著负相关性(P<0.05).
![]() | 图 6 上覆水NH+4-N浓度和模拟水深Fig. 6 Variation of ammonium concentration and water depth in overlying water |
实验系统中上覆水NH+4-N的浓度变化过程,证明了沉积物内源NH+4-N释放是造成HB断面以下NH+4-N浓度逐渐升高一个主要原因. 间隙水中NH+4-N通过扩散作用进入上覆水是内源NH+4-N释放的主要途径[31]. 研究河段间隙水中NH+4-N浓度高(表 1),与上覆水NH+4-N存在很大的浓度差,表明研究河段沉积物具有很高的NH+4-N释放潜力[25]. 相关研究表明,在缺氧环境中,沉积物及间隙水中无机氮以NH+4-N形式向上覆水中释放[6],并会在水中累积[32, 33]. 实验过程中C组DO平均值0.09 mg ·L-1±0.01 mg ·L-1,最大值为0.14 mg ·L-1±0.01 mg ·L-1; S组DO平均值0.21 mg ·L-1±0.03 mg ·L-1,最大值为0.90 mg ·L-1±0.08 mg ·L-1,2组均处在缺氧环境. 可见,由于沉积物富含耗氧物质形成的缺氧环境则是实验系统沉积物内源NH+4-N加速释放并在上覆水累积的一个重要因素.
各实验组上覆水NH+4-N累积释放量如图 7所示. 实验过程中,C组NH+4-N累积释放量数值上要大于S组. 实验结束时,C组NH+4-N总累积释放量为4195.73 mg ·m-2±16.35mg ·m-2,是S组的1.29倍. 但是,2组NH+4-N累积释放量差异性却并不显著(P>0.05,t-test). 利用一级动力学方程对2组的NH+4-N累积释放量进行拟合,精度较高(r为0.949和0.941). C组和S组NH+4-N最大累积释放量分别为3656.20 mg ·m-2±111.05mg ·m-2和3236.88 mg ·m-2±155.00 mg ·m-2. 从拟合趋势上看,二者NH+4-N累积释放量的差异也不显著(P>0.05,t-test). 表明一定的频率换水并没有显著改变沉积物NH+4-N释放量.
![]() | 图 7 NH+4-N累积释放量Fig. 7 Amount of cumulative ammonium released from sediments |
通过比较2个实验组NH+4-N净累积释放量(释放的NH+4-N保留在实验系统内的部分,用NS和NC表示),发现NS和NC存在极显著差异(P<0.01,t-test),见图 7. 实验结束时S组的NH+4-N净累积释放量为1029.00 mg ·m-2±31.97 mg ·m-2,为NH+4-N总累积释放量的31.63%. C组NH+4-N净累积释放量是S组的2.63倍,占C组NH+4-N总累积释放量的64.44%. 由此可见,水量调换虽然对沉积物NH+4-N总量影响不显著,但是随着水量调换还是将释放的NH+4-N脱离了原系统,降低了原处上覆水中的NH+4-N污染负荷,这一过程在水力停留时间段的深度置换阶段则更为明显. 3 结论
(1)水资源调度深刻影响城市内河的水文特征,研究河段在引江调水作用下水深日变化过程明显. 按照农历月为单位,可以将水资源调度分为轻度置换阶段和深度置换阶段. 轻度置换阶段,水流缓慢,水力停留时间长; 深度置换阶段,水流较快,水力停留时间短. 沿调水路径内河上覆水DO有下降趋势,高锰酸盐指数则呈现升高趋势.
(2)沿调水路径内河上覆水中氮素组成变化与水资源调度有关. 在轻度置换阶段,沿调水路径上覆水的TIN浓度升高,NO-3-N浓度逐渐减少,NH+4-N浓度显著升高,反硝化作用削减了源水中部分的NO-3-N; 在深度置换阶段,沿调水路径上覆水的TIN浓度变化不显著,NO-3-N浓度有下降趋势,NH+4-N浓度升高. 沿调水路径,上覆水NO-3-N和NH+4-N浓度的变化受DO与高锰酸盐指数影响.
(3)内河河段沉积物具有很大的耗氧潜力,间隙水水中NH+4-N浓度较高; 沉积物内源NH+4-N释放是上覆水NH+4-N的一个重要来源; 由沉积物富含耗氧物质形成的缺氧环境是沉积物内源NH+4-N加速释放并在上覆水累积的一个重要因素.
(4)水资源调度对沉积物内源NH+4-N的释放影响不显著; 通过水量置换可以带走沉积物释放到上覆水中的部分NH+4-N,从而降低上覆水NH+4-N浓度,根据实际情况适当增加深度置换频率可以削减河道氮素污染负荷. 从区域氮污染控制来看,在通过水资源调度减轻上覆水氮污染负荷的同时,还应加强流经河道的内源污染治理工作.
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