CN108645758A - 一种底泥污染物动态释放性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种底泥污染物动态释放性分析方法，能够检测和评价污染底泥在风浪等侵扰条件下污染物向上覆水体释放规律及其动态负荷变化。包括释放底泥采样点选择、底泥现场采集、底泥样的保存和运送、释放底泥样本的制备、试验水槽及造波装置安装、水槽上覆水体水样的采集及监测等实验步骤和内容。本发明可以用于研究底泥污染物、各种重金属以及各种有机物污染物等对上覆水体动态或静态的释放过程。为精准治理底泥污染提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种湖淀污染底泥在风浪等扰动下，底泥中所含污染物释放到上覆水体动态负荷的研究方法，具体涉及一种底泥污染物动态释放性分析方法。
背景技术
有研究及经验表明，污染湖淀的治理和生态修复，必须对外源和内源污染进行综合治理。随着外源污染控制力度持续加强，相反的是，内源负荷在总污染负荷中占比不断上升，已引起了人们的极大重视。显然，要解决湖淀污染问题，不仅要综合治理外源污染，也要查清和解决底泥内源污染问题。
研究表明，对于湖淀水质污染，无论外源状况如何，湖淀内长期沉积的污染底泥，都是十分重要的潜在污染源。即使在外源污染得到治理而减少的状况下，底泥中污染物的释放，仍然是湖淀水质恶化的重要因素。因此，模拟湖淀水不同季节温度变化时，在风浪往复作用或清淤时人为扰动下，底泥污染物的释放规律，对精准治理湖淀污染底泥对水质的影响显得尤为重要。
在正常情况下，大风对湖面以及泥水界面的剪切和冲击作用强烈。大风天气下表层悬浮质含量和水体营养盐浓度含量在短时间内可以增加数倍甚至数十倍。在风浪作用下的底泥产生动态内源负荷问题更为突出。显然对动态负荷的研究与静态负荷研究同样重要。本发明为湖淀污染底泥在风浪等扰动条件下，研究污染物释放特征和上覆水体动态污染负荷变化提供了一种可行的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够检测和评价污染底泥在风浪侵扰等条件下污染物向上覆水体释放规律和水体动态负荷变化过程的研究方法。
本发明的技术方案：
一种底泥污染物动态释放性分析方法，包括下述步骤：
步骤一：采集污染区域内的底泥样本和上覆水体样本，记录采样信息；所述记录的采样信息包括：采样点坐标、天气、气温、水温、底泥颜色、气味、状态、底泥温度、取样人和取样时间；
步骤二：将采集的底泥样本和上覆水体样本密封避光、编号和拍照，冷藏保存和运输；从取样起24小时内完成底泥、上覆水体样本的各项指标检测；
步骤三：准备实验水槽，所述实验水槽安装在恒温箱内，实验水槽上方安装有造波机；将准备好的底泥样本铺放在实验水槽底部，48小时内完成从取样到底泥铺设，所述实验水槽底部铺设底泥厚度为10cm，控制误差≤±0.01mm；将上覆水体样本注入至实验水槽中，启动造波机，造波机根据实验拟定的波谱、波长和每天造波时长进行造波；
步骤四：从实验水槽中取水样，检测上覆水体中各项污染物的含量，取水样前应关闭造波机，让上覆水体的水静止4小时后开始取样，取样点位置在水面以下20cm处，取样完毕后再次开启造波机继续造波；
步骤五：获取取样时刻上覆水体中各种污染物的含量，从而分析其底泥向上覆水体释放污染物的变化过程；
步骤六：统计分析面向上覆水体中各种污染物的含量随时间的变化过程，即为底泥污染物的释放过程；按公式（1）和（2）计算底泥的释放速率和释放量；
第n天底泥的释放速率：
（1）
式中：为第n天底泥的释放速率，mg/(m2·d)；d为天；
为实验水槽的初始水量，L；
为第n天前从实验水槽中取出的全部水样的水量体积之和，L；n=1,2,3,…,n；一组实验累计取水样量控制在原水体积的5%以内；
为第n天实验水槽水质某一污染物的浓度差， ， 、分别为第n天实验水槽某一污染物含量和上一次同一污染物含量，mg/L；当时，取=0，此时认为底泥吸纳水中的污染物，不释放；
为时间差，，d；d为天；
为泥、水接触面的水平投影面积，m2；
第n天底泥污染物的释放量： （2）
Qn单位，mg。
优选的，在不同温度环境、不同风浪作用、不同厌氧状态、各种上覆水体水质和不同pH值条件下，重复步骤三-步骤六，得出不同条件下上覆水体水质变化系列值，分别计算底泥的释放速率和释放量，拟合底泥污染物释放过程的数学表达式，绘制出图表。
优选的，在间歇性扰动条件下，监测底泥沉积物营养物质及重金属污染物质向上覆水介质释放速率和释放量，判断污染底泥对水质的影响程度；水槽实验结束后，再次检测泥样中TN、TP、NH4 +-N和重金属污染物的含量，开展面向底泥的污染物“源-汇”分析，并与面向水体的底泥污染物释放过程进行对比分析。
优选的，所述取样时刻一般设定为第0天、第1天、第3天、第5天、第10天、第15天、第20天、第30天；当上覆水体污染物含量第30天仍未趋于稳定或呈下降低趋势，则将取样时间延长至60 天止，所述的第0天为初始状态。
优选的，步骤四中造波机每天造波时间12-18小时，根据湖淀区风速和风向资料，统计分析并确定风荷作用于上覆水体的时长。
优选的，步骤二中各项指标检测获取底泥样本中的pH值、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr和重金属原始指标；步骤二中各项指标检测获取上覆水体样本中的pH值、SS、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr和重金属原始指标；造波机作用后，底泥中的污染物不断地向上覆水体释放，获取取样时刻上覆水体中各种污染物的含量，包括：pH值、SS、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr以及重金属指标随时间的变化情况。
优选的，步骤二底泥样本和上覆水体样本保存和运送的温度为4℃，控制误差≤±1 C°；所述步骤三中的恒温箱温度按照实验模拟的温度设定， 一般冬季5℃、春秋季15℃、夏季30℃，恒温箱温度控制误差≤±1 C°。
优选的，步骤三所述实验水槽长105cm、宽30cm、高100cm，所述注入上覆水体样本的高度为60cm。
优选的，底泥和上覆水体为两个生态系统，按上覆水体水质分析得到的底泥释放过程和释放量，与按底泥“源-汇”分析得到的底泥释放过程及释放量存在差异，这时按上覆水体水质分析得到的底泥释放过程和释放量作为底泥释放对上覆水体水质的影响过程。
优选的，所述重金属主要包括Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、As、Hg和Ni。
本发明有益效果：
本发明可以模拟污染底泥在风浪等侵扰条件下，底泥内在污染物向上覆水体的释放过程。在模拟动态释放实验条件下，通过对实验前后水介质中或底泥中污染物量的变化来精准测算底泥向水体释放的污染物效应，相比单纯的静态释放实验更接近真实的底泥释放环境，用其数据分析评价污染底泥对水质的释放危害更客观。
附图说明
图 1 为本发明实验装置结构示意图；
图 2 为15℃水槽内上覆水体中TP含量随时间的变化过程图；
附图中，1波高仪，2波浪信号传感器A/D，3模拟波谱型，4模拟波列，5计算机，6造波机调频、调速传感器A/D，7电动造波机，8曲柄轴，9滑轨，10滑动轮，11推波板，12推波板滑动幅度调节器，13水槽，14底泥。
具体实施方式
（1）试验准备
1）如图1所示，准备一套鉴定有效的计量设备、现场取样设备、保存运输恒温设备；实验用恒温箱、水槽、造波机、波高仪、波浪信号传感器、计算机以及试验用的其它辅助器材等，对所有容器等均应进行清洁处理，做好标识，供释放试验专用；
2) 试验前应提前开启恒温设备，调至设计工作温度，连续试运行不小于24h，运行过程中用温度计量测恒温设备的实际工作温度，24h内量测次数不少于1次；
3）有避光要求的，均应进行蔽光处置，保证泥样在运、储以及整个试验过程中不受外界光源影响；
4）采用纯净水（蒸馏水）替代湖淀内原水作为底泥释放水体介质的，还应准备足够的纯净水；纯净水应根据试验设计温度保存。
（2）现场采样
选取代表性较强的典型区域的底泥作为实验样本。现场采样一般采用干水作业法，在不大于0.5m2范围内，采集表层0.1m厚度底泥扰动样，采样不少于45kg（应满足一种实验工况条件一个实验水槽的用量）。对于深水底泥也可采用潜水作业法取样。
取某典型淀区底泥样本，在采样点打入φ80cm（断面积约0.5 m2）钢桶进行围封，嵌入底泥足够深度，保证其渗流稳定。静止2h后开始抽排钢桶内的地表水，直至浮泥层顶停止。采用平铲集取表层0.1m深度内的底泥，混合均匀，装入储藏箱。同时取淀区中层水作为原水样本，一般不少于250kg（应满足一种实验工况条件一个实验水槽的用量），装入储藏箱。
对底泥、淀区中层水样本，详细记录采样点坐标、天气、气温、水温、底泥颜色、气味、状态、底泥温度、取样人和取样时间等信息。
（3）底泥样的保管及运送
对底泥、淀区中层水样本密封、避光，2～4°C冷藏保存。采样后要求在24小时内送到实验室，保存时间最长不超过48小时。
（4）试样制备
底泥样本送到实验室后，将泥水分离的底泥重新和匀。将混合均匀的底泥均匀摊铺到预先准备好的释放水槽内，底泥摊铺厚度0.1m，同时称量其重量，计算泥样质量。摊铺底泥宜采用导管或漏斗法，避免槽壁沾泥，保证底泥厚度准确。
底泥铺设后，在水槽上方均匀注入与设计实验温度相同的上覆水体（淀区中层水或纯净水），至实验水位控制线，如60cm线。
检测底泥样本中TN、TP、NH4 +-N、重金属（Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、As、Hg、Ni）等污染物的初始含量。
检测上覆水样pH值、SS、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr、重金属（Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、As、Hg、Ni）等污染物的初始含量。
（5）造波机安装
水槽上方安装一造波机，水槽内安装波高仪、波浪信号传感器等，确保造波控制器等信号线与计算机接线联接无误。
（6）释放过程及释放水样采集
在设定的实验温度下，启动造波机，开始计时，通过计算机给定模拟波谱型式、波列等造波信号。恒温箱内温度控制误差≤±1 C°。
采集水样时应在关闭造波机4h后进行，每次操作时长不宜超过5min。采集距水面下20cm处的水溶液，经0.45μm玻璃纤维滤膜过滤后有效水量150ml左右（满足水质检测实验用即可）。填写释放水体样本取样记录表并编号。
从实验水槽中采集水样的时间一般设定为第0天（初始状态）、第1天、第3天、第5天、第10天、第15天、第20天、第30天；当上覆水体污染物含量第30d仍未趋于稳定或呈下降低趋势，则将取样时间延长至60 天止。
（7）水样检测
水样采集后应密封取样瓶并在设计温度下保存，及时送实验室检测。做到随取随检，确保实验数据的准确性。水样检测项目包括：pH值、SS、NH4 +-N、TN、TP、重金属（Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、As、Hg等8项）、BOD5和CODcr等指标。
如果底泥的原始样本和上覆水体的原始样本中，均未检到某一污染物或其含量极低（检出限值以下），在以后的水样检测时可不要求检测该项指标，以便减少取样水量。
（8）底泥释放后检测
释放实验结束后，再次对水槽底部的底泥进行检测，检测项目与原检测项目相同。
（9）试样数据分析计算
对动态释放实验数据进行整理分析，应按底泥、上覆水体两个不同的生态系统进行，分析不同条件下、不同时段的释放速度和释放量，拟合底泥污染物释放过程数学表达式，绘制出各种图表等成果。
图2给出某淀区污染底泥在不同温度条件下，水槽内上覆水体中TP随时间的变化过程，即污染底泥向上覆水体的释放过程。
按上覆水体水质分析得到的底泥释放过程和释放量，与按底泥“源-汇”分析得到的底泥释放过程和释放量常常会存在一定差异，一般不会完全一样，应取前者作为底泥释放对上覆水体水质的影响过程。在最不利条件下制定水质保护措施，实现水体的最佳保护效果。
下面结合实例进一步说明本发明动态性释放实验成果分析方法。
实施例1 一种浅水淀泊污染底泥的动态性释放实验成果分析如下：
某浅水淀泊，在风浪作用下底部底泥受到波浪水流的水力冲切作用，底泥中的污染物不断地向上覆水体释放，致使淀泊水体污染严重，采用本发明分析淀泊污染底泥的动态性释放过程，以便开展精准治污工作。
采用干水作业法，在不大于0.5m2范围内，采集表层0.1m厚度底泥扰动样本45.00kg，采集淀泊中层水样本250.00kg，分别装入已备好的恒温储藏箱内，编号并记录采样信息，及时送往实验室进行释放性实验。恒温箱内温度4C°，控制误差≤±1 C°
将取来的底泥样本铺放在已备好的实验水槽底部，铺设厚度10cm，控制误差小于±0.01mm；将取来的水样缓慢注入底泥上部水槽至60cm刻度线，误差不大于±0.01mm。启动造波机，模拟风浪作用。同时，完成底泥样本中的pH值、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr和重金属等指标检测、完成上覆水体样本中的pH值、SS、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr和重金属等指标检测，分别作为底泥的初始指标和第0天水体的水质指标即初始值。
本实验采用水槽长105cm、宽30cm、高100cm，平稳放置在15℃的恒温箱内，恒温箱温度控制误差≤±1 C°。水槽上方安装一台智能型造波机，通过与计算机联接能够准确模拟风荷作用下水体波浪的往复运动。
为保证实验的准确性、可靠性，从取样起应在48小时内完成底泥和水体样本的检测，完成底泥样本在实验水槽铺设、上覆水体注水等操作过程，并开始启动造波机模拟风浪作用。如果采用纯净水作为实验水槽的上覆水体，也应对纯净水进行PH值检测。
为说明步骤六，统计分析面向上覆水体中各种污染物的含量随时间的变化过程，即为底泥污染物的释放过程；按公式（1）计算底泥的释放速率和释放量。本实验在避光、厌氧状态、环境温度设定为春秋季15℃，每天连续造波时间为18小时，设定的取样时间为第0天（初始数据）、第1天、第3天、第5天、第10天、第15天、第20天、第30天，当上覆水体污染物含量第30天仍未趋于稳定或呈下降低趋势，则将取样时间延长至60 天止。
则有：实验水槽的初始水量=105×30×50/1000=157.5 L；
泥、水接触面的水平投影面积=1.05×0.3=0.315 m2；
每次从水槽中取出的水样200ml（满足水质检测要求用量即可），检测上覆水体样本中的pH值、SS、TN、TP、NH4 +-N及重金属等含量。水样中TP含量随时间的变化情况如表1所示，计算得30天底泥的加权平均释放速率为769.16 mg/m2•d ，底泥30天TP释放量为7674.74mg，具体计算详见表1；15℃的恒温环境下，本案浅水淀泊在风浪作用下，底部底泥受到波浪水流的水力冲切作用时，底泥中的污染物向上覆水体释放过程如图2所示。
表1 水样中TP含量随时间的变化情况
由上表不难分析计算得（不限于）：
底泥释放速率（加权平均值）：前10天最大值为（430×1+112.36×2+680.77×2+4190.48×5）÷（1+2+2+5）=2296.9 mg/m2•d；
底泥释放速率（加权平均值）：30天最大值为（430×1+112.36×2+680.77×2+4190.48×5+0×5+21.36×5+0×10）÷（1+2+2+5+5+5+10）=769.16 mg/m2•d；
底泥释放速率：最大值为4190.48 mg/m2•d；
底泥30天TP释放量为7674.74mg。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种底泥污染物动态释放性分析方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：采集污染区域内的底泥样本和上覆水体样本，记录采样信息；所述记录的采样信息包括：采样点坐标、天气、气温、水温、底泥颜色、气味、状态、底泥温度、取样人和取样时间；
步骤二：将采集的底泥样本和上覆水体样本密封避光、编号和拍照，冷藏保存和运输；从取样起24小时内完成底泥、上覆水体样本的各项指标检测；
步骤三：准备实验水槽，所述实验水槽安装在恒温箱内，实验水槽上方安装有造波机；将准备好的底泥样本铺放在实验水槽底部，48小时内完成从取样到底泥铺设，所述实验水槽底部铺设底泥厚度为10cm，控制误差≤±0.01mm；将上覆水体样本注入至实验水槽中，启动造波机，造波机根据实验拟定的波谱、波长和每天造波时长进行造波；
步骤四：从实验水槽中取水样，检测上覆水体中各项污染物的含量，取水样前应关闭造波机，让上覆水体的水静止4小时后开始取样，取样点位置在水面以下20cm处，取样完毕后再次开启造波机继续造波；
步骤五：获取取样时刻上覆水体中各种污染物的含量，从而分析其底泥向上覆水体释放污染物的变化过程；
步骤六：统计分析面向上覆水体中各种污染物的含量随时间的变化过程，即为底泥污染物的释放过程；按公式（1）和（2）计算底泥的释放速率和释放量；
第n天底泥的释放速率：
（1）
式中：为第n天底泥的释放速率，mg/(m2·d)；d为天；
为实验水槽的初始水量，L；
为第n天前从实验水槽中取出的全部水样的水量体积之和，L；n=1,2,3,…,n；一组实验累计取水样量控制在原水体积的5%以内；
为第n天实验水槽水质某一污染物的浓度差， ， 、分别为第n天实验水槽某一污染物含量和上一次同一污染物含量，mg/L；当时，取=0，此时认为底泥吸纳水中的污染物，不释放；
为时间差，，d；d为天；
为泥、水接触面的水平投影面积，m2；
第n天底泥污染物的释放量： （2）
Qn单位，mg。
2.根据权利要求1所述的一种底泥污染物动态释放性分析方法，其特征在于，在不同温度环境、不同风浪作用、不同厌氧状态、各种上覆水体水质和不同pH值条件下，重复步骤三-步骤六，得出不同条件下上覆水体水质变化系列值，分别计算底泥的释放速率和释放量，拟合底泥污染物释放过程的数学表达式，绘制出图表。
3.根据权利要求2所述的一种底泥污染物动态释放性实验方法，其特征在于，在间歇性扰动条件下，监测底泥沉积物营养物质及重金属污染物质向上覆水介质释放速率和释放量，判断污染底泥对水质的影响程度；水槽实验结束后，再次检测泥样中TN、TP、NH4 +-N和重金属污染物的含量，开展面向底泥的污染物“源-汇”分析，并与面向水体的底泥污染物释放过程进行对比分析。
4.根据权利要求1所述的一种底泥污染物动态释放性实验方法，其特征在于，所述取样时刻一般设定为第0天、第1天、第3天、第5天、第10天、第15天、第20天、第30天；当上覆水体污染物含量第30天仍未趋于稳定或呈下降低趋势，则将取样时间延长至60 天止，所述的第0天为初始状态。
5.根据权利要求1所述的一种底泥污染物动态释放性实验方法，其特征在于，步骤四中造波机每天造波时间12-18小时，根据湖淀区风速和风向资料，统计分析并确定风荷作用于上覆水体的时长。
6.根据权利要求1所述的一种底泥污染物动态释放性分析方法，其特征在于，步骤二中各项指标检测获取底泥样本中的pH值、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr和重金属原始指标；步骤二中各项指标检测获取上覆水体样本中的pH值、SS、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr和重金属原始指标；造波机作用后，底泥中的污染物不断地向上覆水体释放，获取取样时刻上覆水体中各种污染物的含量，包括：pH值、SS、TN、TP、NH4 +-N、BOD5、CODcr以及重金属指标随时间的变化情况。
7.根据权利要求1所述的一种底泥污染物动态释放性分析方法，其特征在于，步骤二底泥样本和上覆水体样本保存和运送的温度为4℃，控制误差≤±1 C°；所述步骤三中的恒温箱温度按照实验模拟的温度设定， 一般冬季5℃、春秋季15℃、夏季30℃，恒温箱温度控制误差≤±1 C°。
8.根据权利要求1所述的一种底泥污染物动态释放性分析方法，其特征在于，步骤三所述实验水槽长105cm、宽30cm、高100cm，所述注入上覆水体样本的高度为60cm。
9.根据权利要求1-8所述的一种底泥污染物动态释放性实验方法，其特征在于，底泥和上覆水体为两个生态系统，按上覆水体水质分析得到的底泥释放过程和释放量，与按底泥“源-汇”分析得到的底泥释放过程及释放量存在差异，这时按上覆水体水质分析得到的底泥释放过程和释放量作为底泥释放对上覆水体水质的影响过程。
10.根据权利要求1-8所述的一种底泥污染物动态释放性实验方法，其特征在于，所述重金属主要包括Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、As、Hg和Ni。
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