渭河河床底泥氮磷释放机理研究方案设计.doc

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1、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

2、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&Anderson 1992,Ramm和Scheps 1997)。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)，Pomeroy et al(196

3、5)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

4、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12 m

5、gL-1时，底质就会吸收水体中的磷素；低于1 mgL-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

6、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

7、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818km1-4，

8、陕西境内502 km，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 3000 m 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 3767 m 。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 1000 km 2 以上的支流有 14 条，北岸有咸河、散渡河、葫芦河

9、、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

10、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660mm1600mm，其中渭北地区一般1000mm1600mm，西部660mm900mm，东部1000 mm1200mm，南部700mm900mm。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

11、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0.300.60，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

12、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

13、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，

14、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101.3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

15、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

16、、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NO3N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

17、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NH4+N是DIN的主要形式，冬、夏两季溶解态有机氮含量分别占总氮的69%和66%;高效江等对上海滨岸潮滩水沉积物中的无机氮进行了季节性变化的研究

18、，发现上覆水以硝酸盐含量为主，水体中铵盐季节性变化不大，而硝酸盐和亚硝酸盐的季节性变化明显，冬季含量明显降低。3）Eh和DO的影响沉积物中02的多少直接或间接地控制着硝化和反硝化的进行，而硝化和反硝化作用是影响沉积物水界面氮迁移和交换的主要过程，从而影响不同形态N的交换速率和通量Seztiniger对淡水和滨岸海洋系统中的反硝化作用进行了综述，发现反硝化速率最高值出现在富营养沉积物中，氧气含量是主要控制因素，反硝化速率的季节性变化模式是由溶解氧浓度变化引起的。白晓慧等对城市河道污染沉积物在污染修复中对上覆水质的影响及其控制研究表明通过引水或充氧使河道保持一定的溶解氧，可有效抑制沉积物中有机物、

19、氨氮等污染物的释放；否则由于底泥缺氧释放，氨氮明显回升，而有机物不会很快上升，而因反硝化消耗碳源继续有所下降。硝化反应消耗02，当沉积物中02的浓度增加时，硝化反应的速率增加，此时NH4+N的交换速率减小而NO3-N和NO2- N的交换速率增加。在夏秋季节，当沉积物变为还原环境时，NH4+ N的交换通量是春、冬季交换通量3倍根据底泥及上覆水体中总氮浓度通量来推断，无论溶解氧水平如何，底泥中的总氮都会向上覆水体进行释放，但不同氮化合物形态在不同溶解氧水平下，呈现出了不同的变化规律在高溶解氧水平下(DO5.omg/L)，水体呈现出好氧状态，硝化细菌能够进行硝化作用，将水体中大部分氨氮转化为硝态氮，

20、使得底泥向上覆水体释放氨氮的作用受到一定的抵消，水体中氨氮浓度的升高不明显，在硝化作用强烈时会出现水体中氨氮浓度反而大幅下降的情况。硝化作用的另一个结果使水体中硝态氮浓度升高，同时底泥也会向上覆水体释放硝态氮下(DO5.omg/L时，水体中的氨氮浓度升高不明显，硝态氮浓度呈现持续增长的趋势;硝化作用强烈时，氨氮浓度则大幅度下降。DO 1. 0mg/L时，氨氮浓度升高，硝态氮浓度降低。周贤兵等的研究表明，TN的净释放量随pH的增大而增大。刘培芳等对长江口潮滩沉积物进行模拟实验研究表明，随盐度和温度的上升，沉积物中NH4+ N释放量都显著增加;由于潮滩沉积物缓冲性能较好，pH影响不太明显;且NH4

21、+ N的释放与沉积物类型有关。第三章 工作部署3.1 技术路线和工程部署原则3.1.1技术路线以充分研究和利用前人已有调查资料为基础，以查明渭河底泥氮磷释放的特性研究作为目标，分别在陕西石头河下游，宝鸡陈仓区、咸阳铁桥、泾河下游、石川河上游、石川河下游、渭南表层沉积物、渭南漫滩、咸阳漫滩进行采样。然后结合水分析化学等室内试验的研究，并做出科学评价，重点研究氮磷释放造成水体富营养化问题，提出氮磷释放研究的初步方案。3.1.2工程部署原则 根据研究区域内水文地质条件、前人已有的工作程度及本次调查目标，3.2实施方案3.3进度计划此次实验周期为3个月，总体可分为三个阶段：1、 3月份：收集资料、野外

22、踏勘、野外采样、资料整理、编写设计3、 4月份 ：磨土过筛，配置实验仪器、配制实验所需试剂；4、 5月份：室内实验、整理数据、编写报告、得出结论 表 工作进度表时间安排3月4月4月5月5月底31至3.103.11至3.203.21至4.54.5至4.124.13至4.284.28至5.205.20至5.31工作内容收集资料；野外踏勘、野外采样资料整理、编写设计磨土过筛（200目）；配置实验仪器、配制实验所需试剂室内试验整理数据、编写报告得出结论第四章 技术要求4.1 资料收集及整理本区以往工作研究程度较少，收集区内已有的各类相关资料是本次工作的基础，按照项目工作的总体思路，需要收集的资料有：

23、1、渭河概况资料渭河概况资料主要收集渭河的地质地貌，河流水系，水资源以及周边环境的资料。2、氮磷研究方法 河床底泥氮磷释放的研究现状及方法，前人研究程度及存在问题。3、氮磷以往研究成果氮磷释放研究成果及水体富营养化资料及相关信息。4.2 野外调查在充分搜集、研究区内已有成果资料的基础上，以路线调查控制全区，着重在九个重点地段开展深入的解剖工作，对所有重金属污染不同程度的地点调查，用GPS野外定点并标绘于图上。调查内容包括区域水质污染程度、当地污水排放、受污水质及其影响范围内的生态环境变化等。具体要求如下：1.查明河水的来源以及汇流去向，绘制测点水文地质剖面图或示意图，测定水温、流量、ph值、电

24、导率、氧化还原电位，了解地表水的动态变化、利用情况，对有代表意义的地点进行监测取样。2.查明地区的地貌单元、河床剖面，了解当地用水量、用水类型、水质情况。3.调查附近工厂污水排放、生活污水排放前后水质的变化，以及重金属引起的化学污染影响范围和程度，以及产生的生态环境问题。 2011年3月份，分别在渭南以及咸阳段渭河河床底部，暂时没有水的地方（枯水期），淤泥外露，用土钻取020cm的底质（BC4、5、17、18、19、），每个样品大约取2kg左右，咸阳漫滩、咸阳表层沉积物、渭南漫滩以及渭南表层沉积物土样分别去10kg左右。重复四次，弃去其中的石块，动植物残体以及塑料等杂物，用聚乙烯袋装好，写好标

25、签，带回实验室。4.3 室内实验方案4.3.1样品的处理 底质带回实验室后，在阴凉通风，晾干，除去水分，将半干的样品扑在塑料膜上，用玻璃瓶碾碎，除去杂物，常翻动，在阴凉通风处风干。风干后的样品用玻璃瓶磨细，过200目日筛，用保鲜袋装好贴好标签，以备用。4.3.2 室内试验方案 表 室内试验方案初步设计表分析项目分析方法底泥磷形态分析六种不同的萃取剂提取钼锑抗比色法测定等温吸附解吸测定溶解性磷酸盐（SPR）振荡离心过滤钼锑抗比色法测定吸附动力学实验水土25:1，振荡离心过滤，钼锑抗比色法测定PH对底泥释磷的影响静置加水调PH，每天取样，钼锑抗比色法测定生物有效磷（BAP）的测定NaOH溶液浸提法

26、，钼锑抗比色法测定磷吸持指数（PSI）的测定NaHCO3浸提法，钼锑抗比色法测定4.4 资料整理1、各类记录卡（本）：包括采样记录卡（本）、野外调查记录本（表）等；2、各类图件。包括各类样点图（手图、清图）、生态环境调查手图等；3、各类质量检查记录本；4、样品分析测试的各类资料；5、收集的各类资料。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5.1.1底质磷的形态分析采取六种不同的萃取剂提取样品。由于提取的流程过长，而且为了保证各步的提取效率，实验中每一级提取后残渣用饱和氯化钠溶液和二次蒸馏水各洗一次。每次提取后，以2500r/min，离心分离25分钟，分离固相液，离心液用钼锑

27、抗比色法测定其中磷的含量，残渣进入下一步提取。在一定酸性条件下，取20ml提取液加入钼锑抗试剂，在30。C水浴中显色30min后，在可见分光光度计用1cm比色皿个，波长在710nm处测定。每个样品平行测定三次，数据用其测定的平均结果表示。各步骤见下表51。表51 底泥磷形态分析提取步骤形 态代 码提 取 方 法可交换态磷ExP0.5000g沉积物中加入30ml1.0mol/L的MgCl2溶液（PH=8.0），振荡40min离心分离测定铝结合态磷AlP加入30ml0.5mol/L的NH2F溶液（PH=8.2），振荡1h离心分离测定铁结合态磷FeP加入27ml0.1mol/LNaOH和3ml 0.

28、5mol/L NaCO3混合溶液，振荡4h离心分离测定闭蓄态磷OP加入22.5ml0.3mol/L柠檬酸钠，1.0 mol/L NaHCO3及0.675g Na2S2O4配置成的混合提取剂CDB（PH=7.6）。搅拌15min后加入3ml0.5mol/LNaOH，振荡8h离心分离测定钙结合态磷CaP加入30ml0.5mol/L的HAcNaAc（PH=4.0）的混合溶液，振荡6h离心分离测定，残渣用30ml0.25mol/L的H2SO4提取之后再用30ml二次水提取一次，合并提取液，稀释后测定吸光度有机磷P将残渣转移到5.1.2等温吸附解吸实验（1）吸附实验：称取已经磨细过筛的风干底泥（共九个土

29、样）样品1g于离心管中，按水土比25:1，水指以0.01mol/l的KCl溶液为背景溶液，添加p的浓度分别为0,10,20,50,100,150,250mg/L-1，然后在25.c左右水浴振荡，2小时达到平衡后，于2500rpm离心30min。然后经1.45um纤维滤膜过滤后，用钼锑抗比色法测定溶解性磷酸盐（SPR）。（2）解吸实验：底泥残留物的解吸实验在吸附试验后立即进行，吸附实验的底泥残留物中加入25ml0.01mol/L的KCl，在25.c左右振荡2小时，然后离心，上清液过0.45um的纤维滤膜，用钼锑抗比色法测定溶解性磷酸盐（SRP）。吸附和释放磷的差值被认为是底泥对磷的稳定持有量，即

30、Pr（又叫可吸持磷）。底泥磷的吸持率f为可吸持磷与初始吸附磷的比值。5.1.3 吸附动力学实验称取磨细过筛的风干底泥（共九个土样）样品1g于150ml的锥形瓶中（每个平行三次），加入50mg/L的p溶液15ml和10ml0.01mol/L的KCl，使其中的磷的浓度为30mg/L，在25.c水浴中振荡，10min，30min，1h，3h，5h，8h，12h，16h，24h取样，离心过滤，钼锑抗比色法测定溶液中的SPR。5.1.4 pH对底泥释磷的影响称取80g咸阳和渭南表层沉积物，加入800ml自来水，用1mol/L的NaOH和HCl溶液调节PH至5.0,8.0,10.0,12.0，每组做两个平行，每次取样100ml，整个实验周期为一周，也就是取七次。每次补充等体积且PH相同的原实验水样。钼锑抗比色法测定总溶解磷。注意每次添