一種底泥中氮磷污染物釋放量的測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種污染物釋放量的測(cè)定方法，尤其涉 及一種底泥中氮磷污染物釋放量的測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 底泥是指江河湖海的沉積物，是自然水域的重要組成部分，亦是水體中各種營(yíng)養(yǎng) 物和污染物的主要蓄積場(chǎng)所。營(yíng)養(yǎng)鹽污染底泥則是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素通過各種途徑進(jìn)入水 體后沉積到底泥中，大部分年?duì)I養(yǎng)鹽與水體保持動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)外源污染得到控制后，水中的 氮、磷可能主要來自于底泥。
[0003]目前定量測(cè)算河流湖泊污染底泥中氮磷釋放規(guī)律的方法主要有柱狀芯樣模擬法、 間隙水濃度擴(kuò)散模型估算法、原位箱式法、水槽實(shí)驗(yàn)法和質(zhì)量衡算法等。
[0004] 其中，文威等對(duì)海河底泥氮磷營(yíng)養(yǎng)物靜態(tài)釋放進(jìn)行了模擬研究，其在分析了海河 外環(huán)河橋（淡水）、中心橋處水（接近海水）中全氮（TN)、全磷（TP)含量和表層底泥中有 機(jī)質(zhì)、TN、TP含量的基礎(chǔ)上，采用柱狀模擬反應(yīng)器模擬研究了靜態(tài)條件下海河底泥N、P釋放 規(guī)律（參見文威等，海河底泥氮磷營(yíng)養(yǎng)物靜態(tài)釋放模擬研究，農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，第27卷第 1期，第295-300頁(yè)，2008年1月20日）。范成新等進(jìn)行了湖泊沉積物氮磷內(nèi)源負(fù)荷模擬， 其在對(duì)駱馬湖沉積物及其間隙水物化性質(zhì)、空間分布等分析基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室控制的恒溫 靜態(tài)條件下，模擬了軟性富泥區(qū)柱狀芯樣在不同季節(jié)溫度下的沉積物水界面氮、磷交換過 程（參見范成新等，湖泊沉積物氮磷內(nèi)源負(fù)荷模擬，海洋與湖沼，第33卷第4期，第370-378 頁(yè)，2002年7月30日）。朱廣偉等采用在波浪水槽中研究了小波掀沙（波高8. 77cm，波周 期0. 8s)和大波掀沙（波高12. 31cm和13. 29cm，波周期1.0 s)對(duì)太湖沉積物懸浮及N、P營(yíng) 養(yǎng)鹽釋放的作用規(guī)律（參見朱廣偉等，太湖底泥懸浮中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的波浪水槽實(shí)驗(yàn)，湖泊 科學(xué)，第17卷第1期，第61-68頁(yè)，2005年3月5日）。
[0005] 從目前來看，柱狀芯樣模擬法適用的環(huán)境條件多，操作簡(jiǎn)單、成本低，然而卻存在 邊壁效應(yīng)；間隙水濃度擴(kuò)散模型估算法，受生物擾動(dòng)和底泥穩(wěn)定性影響較大，需較高精度的 間隙水濃度梯度，以及形態(tài)離子的擴(kuò)散參數(shù)，應(yīng)用局限性較大；原位箱式法，在長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn) 下，E0、DO、pH等環(huán)境條件難以維持恒定；水槽實(shí)驗(yàn)中，底泥難以維持原樣，且易受擾動(dòng)影 響。因此，相對(duì)而言，采用質(zhì)量衡算方法可以更加直觀地反映氮磷污染物的釋放情況，尤其 在宏觀測(cè)算時(shí)，通過解析污染物的進(jìn)出總量、沉積量、降解量和大氣降水補(bǔ)給量等參數(shù)迀移 轉(zhuǎn)化特征，建立氮磷釋放量衡算模型，能夠較為便捷地得出內(nèi)源污染程度，為污染底泥的治 理和修復(fù)提供技術(shù)研究基礎(chǔ)。
[0006] 目前，荷蘭為防治Grevelingen湖的富營(yíng)養(yǎng)化問題，曾利用質(zhì)量衡算模型對(duì)該湖 水體的總磷進(jìn)行質(zhì)量衡算（參見Kelderman，P.，Neth.，J. Sea. Res.，14, 229 (1980))，公式 如下：
[0007] vb · cb+L · C1 · Λ t+1 · Ci · Λ t+N · cn · At
[0008] = ve · ce+u · cu · Λ t+F · Λ t
[0009] 式中，vb *cb為時(shí)間段初貯水量（m3)及總磷濃度（mg/L) ;L *Cl為時(shí)間段內(nèi)地表徑 流和廢水量（m3/d)及其總磷濃度；1 · C1為時(shí)間段內(nèi)入湖徑流水量及其總磷濃度；V ^ 為 時(shí)間段末貯水量及其總磷濃度；u · Cu為時(shí)間段內(nèi)出湖徑流水量及其總磷濃度；F為時(shí)間段 內(nèi)底泥磷的交換量（kg) ;At為選取的時(shí)間段。
[0010] 在我國(guó)利用質(zhì)量衡算模型（參見黃紹基等，質(zhì)量衡算模型計(jì)算太湖底泥磷的交換 置，環(huán)境科學(xué)，第13卷第1期，第83-84頁(yè)，1992年）計(jì)算太湖得到1980年全年底泥磷的釋 放量為205t，略低于外源性磷全年入湖量240t，占全年進(jìn)人太湖水體總磷量的46. 2% ;其 中，湖面降水中總磷濃度Cn，是由（年降水總磷量/年降水量）求得；入湖徑流的總磷濃度 C 1，是由（年入湖總磷量一年降水總磷量V(年入湖總水量一年降水總量）求得。
[0011] 然而，目前利用質(zhì)量衡算模型進(jìn)行測(cè)算的方法并未考慮污染物在水體中的沉降、 釋放以及大氣降水對(duì)污染物的補(bǔ)給情況，因此有必要研究一種能夠綜合考慮上述各因素的 新型污染底泥氮磷釋放量衡算模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提供一種污染物釋放量的測(cè)定方法，特別提供了一種底泥中氮 磷污染物釋放量的測(cè)定方法。本發(fā)明通過解析污染物的進(jìn)出總量、沉積量、降解量和大氣降 水補(bǔ)給量等參數(shù)迀移轉(zhuǎn)化特征，基于質(zhì)量守恒定律，建立了宏觀的質(zhì)量衡算模型，采用該模 型可以較為方便的得出區(qū)域河流、湖泊中污染底泥的氮磷對(duì)水體貢獻(xiàn)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)湖泊 水體中污染物總量構(gòu)成的宏觀分析。
[0013] 為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0014] 本發(fā)明提供了一種底泥中氮磷污染物釋放量的測(cè)定方法，所述方法包括以下步 驟：
[0015] (1)采用流量計(jì)對(duì)出入湖泊河流的年均水量進(jìn)行測(cè)定，并采用過硫酸鉀消解法測(cè) 定污染物總磷濃度以及采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定污染物總氮濃度以確 定污染物地表徑流年均進(jìn)入量1和污染物地表徑流年均產(chǎn)出量W。；
[0016] (2)對(duì)湖泊河流所在流域的年均降雨量進(jìn)行分析以確定年均降雨體積R ;
[0017] (3)對(duì)湖泊河流底泥進(jìn)行分層采樣和同位素定年以確定湖泊河流中的污染物年均 滯留量S和底泥沉積總量P，并得出污染物的累積降解系數(shù)K ;
[0018] (4)測(cè)算水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮磷的總量a ;
[0019] (5)根據(jù)式⑴或式（II)計(jì)算底泥中氮磷污染物的年均釋放量：
[0020]
[0021] X = S-(R+Wfa) XK(II)
[0022] 其中，X為底泥污染年釋放量（t) =W1S污染物地表徑流年均進(jìn)入量（t) ;W。為污染 物地表徑流年均產(chǎn)出量（t) ;R為年均降雨體積（t) ;S為污染物年均滯留量（t) ;P為底泥 沉積總量（t) ;K為污染物的累積降解系數(shù)；a為水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮磷的總量（t)。
[0023] 本發(fā)明采用流量計(jì)來測(cè)定出入湖泊河流的年均出入量，單位為m3/s。污染物總磷 (TP)濃度采用過硫酸鉀消解法測(cè)定，單位為mg/L ;污染物總氮（TN)濃度采用堿性過硫酸鉀 消解紫外分光光度法測(cè)定，單位為mg/L。其中涉及的過硫酸鉀消解法和堿性過硫酸鉀消解 紫外分光光度法均為本領(lǐng)域常用方法，不作特別限定。
[0024] 本發(fā)明中水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮磷的總量a是根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查-水產(chǎn)養(yǎng) 殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，通過湖泊內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖量，測(cè)算主要污染物排放量。本發(fā)明中， 步驟（2)所述年均降雨體積R是根據(jù)式（III)計(jì)算得到：
[0025] R = n*r*S*CR· IO3(III)
[0026] 其中，η為污染底泥沉積年數(shù)（a) 為年均降雨量（mm) ;S為污染物年均滯留量 (t) ;CR為雨中污染物濃度。
[0027] 本發(fā)明中的年均降雨量采用雨量筒進(jìn)行測(cè)定，單位為mm。一般情況下，在應(yīng)用時(shí)可 采用當(dāng)?shù)啬昃涤陻?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于水資源公報(bào)等。
[0028] 本發(fā)明通過對(duì)底泥進(jìn)行分層采樣，采用同位素定年的方法，來測(cè)算污染底泥沉積 年數(shù)。本發(fā)明中，步驟（3)所述污染物年均滯留量S是根據(jù)式（IV)計(jì)算得到：
[0029]
[0030] 其中，Gw為水體中污染物年平均濃度（mg/L) ;Q為計(jì)算水體的體積或庫(kù)容（億 m3) 〇
[0031] 本發(fā)明中，步驟（3)所述底泥沉積總量P是根據(jù)式（V)計(jì)算得到：
[0032]
[0033] 其中，Cp為底泥污染物平均濃度（mg/kg) ;s為整個(gè)水體的底泥面積（km2) ;h為污 染底泥深度（m) ; Φ為含水量（％ ) ; P為底泥干容重（g/cm3) ;n為污染底泥沉積年數(shù)（a)。
[0034] 本發(fā)明中，步驟（4)所述累積降解系數(shù)K是根據(jù)式（VI)計(jì)算得到：
[0035] K = exp (-kr Δ t) (VI)
[0036] 其中，K為累積降解系數(shù)（nd1) ;k'為日降解系數(shù)（d1) 為同位素定年得出的 沉積時(shí)間，與底泥沉積時(shí)間相同。
[0037] 本發(fā)明中，所述同位素定年為21°Pb定年或137Cs定年。沉積物中的 21°Pb，來自兩部 分，一部分是由226Ra衰變并與之達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的21°Pb，一部分是來自空氣中的沉降物并且 濃度不斷衰減的過剩 21°Pb (記作21°Pbex)。
[0038] 本發(fā)明中，所述21°Pb定年采用恒定補(bǔ)給速率模式（CRS model)計(jì)算平均沉積速 率。
[0039] 通過CRS模型計(jì)算獲得底泥深度與底泥沉積年份的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且通過底泥同位 素定年結(jié)果可表明測(cè)定區(qū)域的沉積速率。
[0040] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，本發(fā)明采用質(zhì)量守恒測(cè)算方法，建立公式如下：
[0041] W1-W0= S+U · K+D-X-R
[0042] 其中：尺=]1.1'.3.〇!.103;5二<^.,*(2父100;1] = 1?+父+^;
[0043]
[0044] 整理公式得出：
[0045]
[0046] 其中，W1S污染物地表徑流年均進(jìn)入量（t) ;W。為污染物地表徑流年均產(chǎn)出量（t); R為年均降雨體積（t) 年均降雨量（mm) ;s為整個(gè)水體的底泥面積（km2) ;CR為雨中污染 物濃度；S為污染物年均滯留量（t) 為水體中污染物年平均濃度（mg/L) ;Q為計(jì)算水體 的體積或庫(kù)容（億m3) ;U為年均可供降解污染物的總量（t) ;k'為降解系數(shù)（d 4 ;P為某年 段底泥沉積總量（t) ;CP為底泥污染物平均濃度（mg/kg) ;h為污染底泥深度（m) ;Φ為含水 量（％ ) ;Ρ為底泥干容重（g/cm3) ;η為污染底泥沉積年數(shù)（a) ;Χ為底泥污染物年釋放量 (t) 為同位素定年得出的沉積時(shí)間（d)，與底泥沉積時(shí)間相同。
[0047] 若僅考慮湖泊水體的水力交換時(shí)間，則不考慮出水濃度（W。）和底泥沉積量（P)，公 式變形為：
[0048] X = S-(IHWfa)XK
[0049] 式中：a為水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮磷的總量（t)。
[0050] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：
[0051] 通過采用該模型可以較為方便的得出區(qū)域河流、湖泊中污染底泥的氮磷對(duì)水體貢 獻(xiàn)量，計(jì)算得出湖泊底泥氮磷污染物的年均釋放量及釋放速率，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)湖泊水體中 污染物總量構(gòu)成的宏觀分析；通過該方法得出的結(jié)論基本符合客觀規(guī)律并且該方法應(yīng)用便 捷，可廣泛用于現(xiàn)階段湖泊的主要污染結(jié)構(gòu)分析中。
【附圖說明】
[0052] 圖1是本發(fā)明中的底泥氮磷污染物釋放量測(cè)定原理示意圖。
[0053] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中的邛海底泥泥芯同位素定年擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0054]