渭河河床底泥氮磷释放机理研究方案设计

渭河河床底泥氮磷释放机理研究方案设计目录第一章前言1.1研究的目的和意义1.2研究区概况1.3本设计的主要研究内容第二章河床底泥氮磷释放研究现状2.1河床底泥氮释放研究现状2.2河床底泥磷释放研究现状2.3前人的研究程度与存在问题第三章工作部署3.1技术路线和工作部署原则3.2实施方案3.3进度计划第四章技术要求4.1资料收集及整理4.2野外调查4.3室内实验方案4.4资料整理第五章拟采取的实验方案及可行性分析5.1拟采取的实验方案5.2可行性分析第六章预期成果第七章经费预算7.1经费预算7.2经费合理性分析7.3经费使用计划参考文献第一章前言1.1研究的目的与意义众所周知，在外源营养负荷得到控制的情况下，二次富营养化的产生主要是底质中氮和磷向水体释放达到某个营养水平造成的。在一般的静水水体中，底质接纳了大量的污染物，一方面，这大大缓解了富营养化进程，如果没有底质磷的缓冲，藻华的发生将更为频繁，所以，底质是污染汇，而不是污染源；另一方面，富营养化水体底质又有很高的磷吸附容量，可以暂时吸附水中的磷，然后将其释放出来(Jensen&Anderson1992,Ramm和Scheps1997)。研究表明，底质中的磷循环在很大程度上影响着水体富营养化的进程Carpenter&Capone(1983)，Pomeroyetal(1965)指出，底质营养物质的释放使上覆水中营养物质的浓度维持在足以满足大量藻类生长需要的高水平。由此可见，底质营养物质的释放成了导致水体富营养化的一个重要因子。图1-1.水体和底质中磷素循环自20世纪70年代初以来，我国学者对水体沉积污染问题进行了较为广泛的研究，但是，大多数工作集中在研究沉积物中的重金属的吸附以及表面络合方面，对沉积物中营养盐的释放过程、机制研究较少。直至90年代起，在这一方面的研究才相对多了起来。韩伟明(1991年)通过实验室研究和模拟研究，考察了pH、温度等环境因素对底质磷的释放量和释放速度的影响。其研究表明，在较高或较低pH值时，底质释磷量倍增。同时，升高水温也能增加磷的释放速度。伊大强(1994年)研究了环境因子(pH、温度和沉积物中微生物作用)对太湖五里湖区沉积物磷释放的影响，结果表明，温度、pH均能不同程度地对底质磷的释放产生作用，其中尤以pH值的改变影响较大；另外，结果还显示，微生物在底质磷释放过程中有着重要作用@对于绝大多数外源磷得到控制的水体来说，底质磷素的释放对长期维持藻类生长，促使富营养化的发生具有及其重要的作用。水体底部存在的活性有机碎屑层，在大量微生物的作用下，释放出浓度较高的PO43-，从而驱使PO43-向沉积物中扩散，在表层沉积物间隙水中形成高于水体浓度的PO43-浓度。一般来说，当下层水体以正磷酸盐的形式存在的磷的浓度比较高，达到1~2mg·L-1时，底质就会吸收水体中的磷素；低于1mg·L-1时，在厌氧情况下底质释放磷，在好氧情况下底质吸收磷。从字面看“水体富营养化”（eutrophication）的意思是“喂养状态变好的过程”，一般而言，广义的水体富营养化是指湖泊、水库、缓慢流动的河流以及某些近海等水体中，营养物质（一般指氮、磷的化合物）过量，引起植物过量繁殖（尤其是藻类）从而引起水质恶化、味和嗅变坏，溶解氧耗竭，透明度降低，渔业减产，死鱼，阻塞航道，对人和动物等产生毒性[1]。水体富营养化是河流湖泊分类与演化的一个过程，是水体衰老的一种表现，是世界各地河流湖泊与水库普遍发生的一种污染现象。河流湖泊富营养化发生具备的三方面的基本条件：TP、TN等营养盐相对比较充足、缓慢的水流流态，适宜的气候条件（包括水温、光照条件）等条件。国际上一般认为当水体中总磷和总氮的浓度分别达到0.02mg/L和0.2mg/L时，从营养盐单因子考虑，就有可能发生藻类疯长的“水华”现象。水是人类赖以生存的宝贵资源，但是，近年来，世界范围的水体环境不同程度地受到破坏和污染，其中的水体富营养化已成为当代多国家最为关注的环境问题之一[1-4,613-15,64,73]。早在1972年，美国的水污染控制法就是把水质富营养化当作水体污染的主要问题；在日本，最大的淡水湖泊由于水质营养化，从1977年开始发生淡水水华：另据联合国环境规划署的一项调查，在全球范围内，30%~40%的湖泊和水库遭受到不同程度富营养化的影响。特别是在气候干旱半干旱地区，水源以人工或半人工的方式蓄积起来，营养化情况更为严重。比如，在西班牙的800座水库中，至少有三分之一的水库是高度富营养化的[14]。目前，对于水体的富营养化的研究，主要集中在湖泊，水库，近海水域以及城市公园等封闭、半封闭水体上，而对于河流的研究未见报道。本文对渭河水体的营养状况（主要是以氮磷为主）作以调查与研究。1.2研究区概况渭河发源于甘肃省渭源乌鼠山，由西向东流经甘肃省的渭源、陇西、武山、甘谷、天水等县和陕西省的宝鸡、眉县、周至、咸阳、西安、临潼、渭南、华县、华阴等市县，在潼关汇入黄河，全818km[1-4]，陕西境内502km，流域面积约13.5万km2，年径流量75.7亿m3，是黄河的一条大支流[5-7]。图1-2渭河流域陕西段示意图1.2.1地形地貌渭河流域地形特点为西高东低，西部最高处高程3495m，自西向东，地势逐渐变缓，河谷变宽，入黄口高程与最高处高程相差3000m以上。主要山脉北有六盘山、陇山、子午岭、黄龙山，南有秦岭，最高峰太白山，海拔3767m。流域北部为黄士高原，南部为秦岭山区，地貌主要有黄土丘陵区、黄土塬区、土石山区、黄土阶地区、河谷冲积平原区等。1.2.2河流水系渭河水系呈扇状分布。集水面积1000km2以上的支流有14条，北岸有咸河、散渡河、葫芦河、牛头河、千河、漆水河、石川河、泾河、北洛河；南岸有榜沙河、石头河、黑河、沣河、灞河。北岸支流多发源于黄土丘陵和黄土高原，相对源远流长，比降较小，含沙量大；南岸支流均发源于秦岭山区，源短流急，谷狭坡陡，径流较丰，含沙量小。1.2.3水资源（一）降水与蒸发渭河流域处于干旱地区和湿润地区的过渡地带，多年平均降水量572mm（1956年~2000年系列，下同）。降水量变化趋势是南多北少，山区多而盆地河谷少。秦岭山区降水量达到800mm以上，西部太白山、东部华山山区达到900mm以上，而渭北地区平均54lmm，局部地区不足400mm。降水量年际变化较大，Cv值0.21~0.29，最大月降水量多发生在7、8月份，最小月降水量多发生在1、12月份。7月~10月份降水量占年降水总量的60%左右。流域内多年平均水面蒸发量660mm～1600mm，其中渭北地区一般1000mm～1600mm，西部660mm～900mm，东部1000mm～1200mm，南部700mm～900mm。年内最小蒸发量多发生在12月份，最大蒸发量多发生在6、7月份，7月～10月份蒸发量可占年蒸发量的46%～58%。流域内多年平均陆地蒸发量500mm左右，高山区小于平原区，秦岭山区一般小于400mm，而关中平原大于500mm（二）天然径流量按照1956年～2000年45年系列计算，渭河流域多年平均天然径流量100.40亿m3，占黄河流域天然径流量580亿m3的17.3%。其中渭河干流林家村以上25.25亿m3，咸阳以上54.05亿m3，华县以上88.09亿m3；支流泾河张家山以上17.23亿m3，北洛河氵状头以上9.96亿m3。河川径流地区分布不均匀，渭河南岸来水量占渭河流域来水量的48%以上，而集水面积仅占渭河流域面积的20%。南岸径流系数平均0.26，是北岸的3倍左右。天然径流量年际变化大，Cv值0.30～0.60，最大年径流量218亿m3（1964年）是最小年径流量43亿m3（1995年）的5倍以上。75％偏枯水年份和95％枯水年份流域天然径流量分别为73.54亿m3和50.34亿m3。径流年内分配不均匀，汛期7月～10月份来水量约占全年的60％，其中8月份来水量最多，一般占全年的14%～25%；1月份来水量最少，一般仅占全年的1.6%～3.1%。（三）浅层地下水资源量流域多年平均地下水资源量为69.88亿m3，其中山丘区35.95亿m3，平原区42.29亿m3，山丘区与平原区重复计算量8.36亿m3。流域多年平均地下水可开采量为35.71亿m3，其中山丘区2.57亿m3，平原区33.14亿m3。流域地下水资源主要分布在渭河干流地区，占地下水总量的82.1%。地下水可开采量与地下水资源量分布情况相似，渭河干流地区地下水可开采量最多，占总量的91.9％。（四）水资源总量流域多年平均水资源总量110.56亿m3，其中天然径流量100.4亿m3，地下水资源量69.88亿m3，扣除二者之间重复量后，天然径流量与地下水资源量之间不重复量10.16亿m3。75％偏枯水年份和95％枯水年份水资源总量分别为83.7亿m3和60.5亿m3。渭河是陕西的“母亲河”、“生命河”[8,9]。渭河的主要社会功能是农业灌溉，也是沿岸大中城市如西安、宝鸡、咸阳、渭南饮用水的主要补给源，沿岸工业企业重要的水源；同时也是流域内大量污水、废水的最终出路，承担着供水和纳污的双重社会功能。渭河又是自然之河，具有养育水体生物、保持生态平衡，搬运泥沙、维持河道泥沙侵蚀搬运与沉积平衡、防止出现地上悬河，保持适当径流量和良好的水质、与潜层地下水相互补给、形成水循环动态平衡等自然功能[10]1.3本设计的主要研究内容（1）渭河泥磷的形态分析（2）用等温吸附试验测定研究底泥磷的溶解性（3）底泥中生物有效磷的测定（4）底泥有效磷的测定（5）用吸附动力学实验测定底泥中磷的释放（6）PH对底泥磷释放的影响第二章河床底泥氮磷释放研究现状2.1河床底泥氮释放的研究现状2.1.1沉积物氮吸附与释放（1）氮吸附与释放机制广义地讲，沉积物中的N包括两大体系，即沉积物间隙水体系和沉积物（颗粒）本身沉积物中的N分为有机和无机两类，沉积物中无机氮主要为NH4+，其吸附方式有两种:可交换吸附及形成晶格的吸附。通常认为N元素在泥—水界面之间的转换是以不同氮化合物形态的形式进行的@，底泥对于不同的氮化合物形态，其释放量不同，释放量主要取决于上覆水体中Do的含量水平，同时还与总氮浓度通量、水动力条件等因素有关。(2)氮吸附与释放影响因素由于沉积物—水界面无机氮的交换行为受到不同环境因子的影响，随着季节更替，氮的界面交换行为有较大的差异。一方面，河岸地区的沉积物对水体的氮有着良好的去除能力，是水体中硝氮、氨氮的汇;另一方面，由于河口岸边生态系统是一个脆弱的并且处于动态变化的系统，随着外界条件的变化，河口沉积物—水界面的物质交换会受到很大的影响，有可能从营养盐的汇转化为营养盐的源，对水体造成二次污染。研究揭示:生物活动、温度、溶解氧等环境因子在沉积物—水界面氮的季节交换行为中作用明显，而盐度、Eh等因子的作用是次要的@。1）pH的影响pH是影响生源要素迁移和转化的重要因子，是反映水体酸碱性的一个指标。但研究发现，炒炭沉积物释放的NH4+—N随着pH的变化不大，这可能是因为潮滩沉积物的缓冲性较好；而硝化细菌对潮滩环境pH的变化十分敏感，故而NO3—N的释放要明显@。2）温度的影响温度的变化，直接或间接地影响着沉积物中氮元素含量、有机物矿化速率、硝化、反硝化速率@，影响着沉积物—水界面N的交换行为。Ndewell等@认为，夏季较浅的氧化层抑制了硝化反应的进行。沉积物主要释放出NH4+;在冬季，氧气渗透深度大，沉积物—水界面硝化、反硝化速率加快，沉积物中主要释放出NO3-，因此低温有利于硝化反应的进行，而且也可与上覆水体较高的NO3-含量对应@;有研究表明温度从21℃降到15℃对NO3-的交换率没有显著影响，然而当温度从20℃升高到25℃时，NO3-从沉积物释放到水中，温度控制着沉积物中可利用的氧气含量@。熊辉等@对鸭绿江口无机氮的研究发现主要以硝酸盐形式存在;赵夕旦等@对胶州湾进行研究发现河口营养盐含量最高，其中溶解无机氮中秋季以NO3-—N含量为最高，这可能来源于有机物的矿化分解，而其余三个季节NH