長江口細(xì)顆粒泥沙絮凝主要影響因子及其環(huán)境效應(yīng)研究.pdf

1、河口海岸水域環(huán)境中細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降是引起河口、海岸泥沙沉積的主要影響因素之一。由于徑流和潮流的相互作用，及鹽淡水交匯等因素的影響，河口區(qū)細(xì)顆粒泥沙發(fā)生絮凝(吸附)－沉降－再懸?。庑?解吸)－擴(kuò)散－沉積等復(fù)雜的變化過程。由此對河口泥沙的聚集和輸移、河槽和淺灘的發(fā)育演變等有著重要的影響。在河口生物地球化學(xué)過程中對許多重金屬元素和有機(jī)物的化學(xué)行為、遷移和歸宿等也有顯著影響。因此，河口區(qū)細(xì)顆粒泥沙的絮凝研究，對揭示河口“過濾器”本質(zhì)和闡明

2、河口沉積動力學(xué)過程具有重大的科學(xué)意義。作為國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)第六核心計(jì)劃(海岸帶陸地一海洋相互作用計(jì)劃LOICZ)中的基礎(chǔ)性科學(xué)問題之一，河口區(qū)細(xì)顆粒泥沙的絮凝和其影響因子及環(huán)境效應(yīng)的研究引起了廣泛關(guān)注。盡管已有的大量研究揭示了鹽度在絮凝中的重要作用，但國內(nèi)外一些研究者認(rèn)為：實(shí)際河口環(huán)境中有機(jī)物的影響可能比鹽度影響大得多。由于河口泥沙絮凝受到多種因素的影響，內(nèi)在機(jī)理十分復(fù)雜。鑒于在理論上和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的某些局限，直到目前人們對

3、此問題認(rèn)識還不夠清楚，河口界面化學(xué)的發(fā)展以及先進(jìn)的現(xiàn)場觀測儀器的應(yīng)用為解決這一問題提供了契機(jī)。 在國際LOICZ計(jì)劃中已將長江河口列為專門的調(diào)查區(qū)域(LOICZ No．72)，以研究其在全球陸海相互作用所扮演的角色。長江河口細(xì)顆粒泥沙中有機(jī)性顆粒占總顆粒的60％～75％，細(xì)顆粒物質(zhì)主要為粘土礦物，粗顆粒物質(zhì)(>8μm)主要為有有機(jī)附著或具有有機(jī)裹層的粘土礦物集合體。同時(shí)由于河口的特殊地理位置，鹽度的變化由口內(nèi)徑流至口外近海逐漸

4、增加，各種陽離子濃度也出現(xiàn)相同的變化趨勢。河口區(qū)豐富的有機(jī)質(zhì)和離子濃度變化對泥沙絮凝都會產(chǎn)生較大影響。因此有必要將它們結(jié)合起來綜合研究河口泥沙絮凝機(jī)理。 本論文依托國家自然科學(xué)基金(No．50579021)資助項(xiàng)目和973國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2002CB412405)，利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的現(xiàn)場觀測儀器及室內(nèi)測試分析方法，分別于2006年2月(枯季)和8月(洪季)進(jìn)行了二次現(xiàn)場觀測，主要觀測項(xiàng)目有水體含沙量、流速、

5、流向、水溫、鹽度、pH值、絮凝顆粒粒徑、浮泥層容重、浮泥層厚度等。同時(shí)定時(shí)分層次取水樣，現(xiàn)場過濾分離，冷凍保存，用來測定水相和懸沙中金屬離子和有機(jī)碳等化學(xué)元素以及懸沙顆粒粒徑等，定時(shí)采取河床浮泥和沉積物樣，用于化學(xué)元素和粒徑分析。二次現(xiàn)場觀測目的性較強(qiáng)，使用的儀器較先進(jìn)，取得了一批質(zhì)量較好的原始數(shù)據(jù)和樣品，為本論文深入地研究絮凝機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)對各種金屬陽離子以及有機(jī)質(zhì)等絮凝影響因子作了詳細(xì)的室內(nèi)絮凝實(shí)驗(yàn)分析研究，依據(jù)絮團(tuán)粒徑、電位

6、和絮凝率等參數(shù)變化以及電鏡分析其微觀機(jī)構(gòu)研究了各絮凝影響因子對細(xì)顆粒泥沙不同的絮凝機(jī)理。通過現(xiàn)場觀測和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，揭示了長江口C-P-OM(C代表粘土，P代表陽離子，OM代表有機(jī)化合物)復(fù)合絮凝形成過程及變化機(jī)理，并對顆粒態(tài)金屬污染物在細(xì)顆粒泥沙作用下的分布規(guī)律作了詳細(xì)探討。 (1)長江河口實(shí)測期間絮凝顆粒粒徑均值為63.2μm，是分散單顆粒粒徑的10倍多，實(shí)測最小絮凝顆粒粒徑為27.4μm，最大為107μm；在鹽水入侵上界線

7、區(qū)域徐六涇實(shí)測絮凝顆粒粒徑相對較小，均值為42.5-60.4μm，而南槽、北槽最大渾濁帶區(qū)域絮凝顆粒粒徑最大，均值為57.3-79.2μm，這種差值是與區(qū)域間不同鹽度值對細(xì)顆粒泥沙絮凝的貢獻(xiàn)率有關(guān)；洪季實(shí)測絮凝顆粒粒徑比枯季大，洪季均值為60.4-79.2μm，枯季均值為42.5-66.6μm，這與洪枯季泥沙來源和顆粒粒徑的差異有關(guān)。同時(shí)周期性變化的水流流速對細(xì)顆粒泥沙絮凝的影響作用顯得更直接明朗，而且最大絮凝顆粒粒徑均出現(xiàn)在0.4-0

8、.7 m/s的中等流速時(shí)段。 (2)總陽離子含量由口內(nèi)至口門遞增，南港附近垂向分布不太明顯，而南槽、北槽存在明顯的垂向分布，底層濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表層。長江口陽離子濃度受長江徑流和潮流的共同影響，在南槽和北槽的最大渾濁帶附近，洪季總陽離子濃度變化范圍在40mmol/L-110mmol/L，枯季總陽離子濃度變化范圍在150mmol/L-260mmol/L。在鹽淡水體混合過程中，各主要陽離子濃度隨著鹽度增加而線性增加，且正相關(guān)性較好，屬

9、于典型的保守組分。陽離子絮凝能力(FA)由口內(nèi)至口門遞增，南支和南港附近垂向分布不太明顯，而南槽、北槽存在明顯的垂向分布，底層FA遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表層。在南港洪季和枯季陽離子絮凝能力相差不大，洪季稍??；而南槽、北槽附近，由于枯季徑流較小，鹽水對該水域影響較大，陽離子絮凝能力較洪季強(qiáng)。 (3)DOC含量由口內(nèi)至口門有遞減趨勢，垂向分布不太明顯。在浮泥容易生成的最大渾濁帶河槽段，枯季DOC含量較高，而且隨著漲落潮變化較大，落潮含量稍高于漲

10、潮。洪季DOC含量較低，隨漲落潮變化并不明顯；POC含量由口內(nèi)至口門有遞增趨勢，垂向分布十分明顯，表層、中層、底層依次增高?？菁綪OC含量較低，而且隨著漲落潮變化較小，而洪季POC含量較高，隨漲落潮變化非常明顯?？傮w而言，落潮POC含量要大于漲潮，落急時(shí)刻的含量最高。南槽POC含量高于北槽。POC％垂向分布明顯，隨著深度的增加而下降，底泥中含量最低。POC％落潮時(shí)較大，北槽比南槽含量稍高，洪季大于枯季。無論南槽、北槽底泥中POC％在枯季

11、的含量都要小于洪季。無論洪季、枯季，DOC、POC、POC％與鹽度(s)變化具有一定的相關(guān)性。其中DOC-S的相關(guān)性較差，而POC濃度與鹽度成正相關(guān)，POC％與鹽度負(fù)相關(guān)。DOC、POC、POC％與懸浮物質(zhì)含量(TSS)具有一定的相關(guān)性。其中DOC-TSS關(guān)系不明顯，而POC濃度與懸浮物質(zhì)濃度成正相關(guān)，POC％與其負(fù)相關(guān)?？菁鞠嚓P(guān)性更好，POC-TSS的R<'2>可以達(dá)到0.97，而洪季可以分為兩部分，當(dāng)懸浮物質(zhì)含量小于1g/L時(shí)，相關(guān)

12、性較好，R<'2>可以達(dá)到0.89，當(dāng)超過1g/L時(shí)，相關(guān)性較差，而且斜率變小。 (4)室內(nèi)絮凝實(shí)驗(yàn)表明，隨著金屬離子濃度增大細(xì)顆粒泥沙絮凝率逐漸增大，絮凝體粒徑增大，電位絕對值變小。本試驗(yàn)pH范圍內(nèi)，鋁離子對細(xì)顆粒泥沙絮凝影響最為顯著，這主要與Al(OH)<,3>的卷掃絮凝作用有關(guān)。隨著腐殖酸濃度增大細(xì)顆粒泥沙絮凝率降低，絮凝體粒徑增大，電位絕對值增大。這主要是有機(jī)裹層的存在使絮凝體的電負(fù)性增大，增加了絮凝體的穩(wěn)定性。作為影響絮凝的主

13、要因子，腐殖酸和鹽度的共同作用使細(xì)顆粒泥沙可以形成較大絮凝體。腐殖酸等有機(jī)質(zhì)的存在使得泥沙顆粒較易粘連在一起，形成較大粒徑的疏松絮凝體：鹽度的作用機(jī)制是在提供電解質(zhì)，壓縮雙電層形成密實(shí)絮凝體的同時(shí)，高濃度的陽離子可以連接多個(gè)荷負(fù)電的絮團(tuán)，形成更大絮凝體?？梢姼餍跄齽﹩为?dú)存在時(shí)的絮凝機(jī)理與多組分共同作用機(jī)理有明顯不同，C-P-OM復(fù)合絮凝模式可以較好的解釋長江口高濁度區(qū)細(xì)顆粒泥沙絮凝體的形成機(jī)制。 (5)懸沙中各種金屬的百分含量

14、在長江口的沿程分布雖有差異，但總體上由河口內(nèi)向口門出現(xiàn)降低趨勢，南槽、北槽最大渾濁帶出現(xiàn)較高值。并且在一個(gè)潮周期內(nèi)都出現(xiàn)了急流時(shí)顆粒態(tài)金屬含量小于憩流時(shí)金屬含量；沉積物中的金屬含量沿程分布趨勢比較復(fù)雜，總體上也出現(xiàn)了降低趨勢，但在南槽、北槽出現(xiàn)高值區(qū)。顆粒態(tài)金屬含量垂向分布十分明顯，由水體表層的懸沙至底層直至底泥顆粒態(tài)金屬含量逐漸減少。長江口懸沙中金屬含量與有機(jī)質(zhì)百分含量正相關(guān)，與鹽度呈負(fù)相關(guān)；多數(shù)金屬含量與懸沙濃度呈負(fù)相關(guān)，與細(xì)顆粒泥

15、沙(<32μm)在懸沙中的百分含量呈正相關(guān)，金屬的轉(zhuǎn)移過程明顯的受懸浮物中的Fe-Mn氧化物和有機(jī)質(zhì)所控制。在長江口最大渾濁帶區(qū)域，由于細(xì)顆粒泥沙較多，絮凝沉降占優(yōu)勢，甚至有浮泥層出現(xiàn)，吸附在細(xì)顆粒泥沙表面的金屬隨絮團(tuán)沉降在河床，因此底泥中金屬含量在最大渾濁帶區(qū)域出現(xiàn)高值區(qū)。浮泥層中的金屬含量更高，接近底層懸沙中金屬含量：而枯季由于來沙量較少，泥沙再懸浮占優(yōu)勢，金屬被釋放至水體，同時(shí)底泥中的泥沙顆粒逐漸粗化，對金屬的吸附能力降低，導(dǎo)致枯