一种底泥中氮磷污染物释放量的测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种污染物释放量的测定方法，尤其涉 及一种底泥中氮磷污染物释放量的测定方法。
【背景技术】
[0002] 底泥是指江河湖海的沉积物，是自然水域的重要组成部分，亦是水体中各种营养 物和污染物的主要蓄积场所。营养盐污染底泥则是氮、磷等营养元素通过各种途径进入水 体后沉积到底泥中，大部分年营养盐与水体保持动态平衡，当外源污染得到控制后，水中的 氮、磷可能主要来自于底泥。
[0003]目前定量测算河流湖泊污染底泥中氮磷释放规律的方法主要有柱状芯样模拟法、 间隙水浓度扩散模型估算法、原位箱式法、水槽实验法和质量衡算法等。
[0004] 其中，文威等对海河底泥氮磷营养物静态释放进行了模拟研究，其在分析了海河 外环河桥（淡水）、中心桥处水（接近海水）中全氮（TN)、全磷（TP)含量和表层底泥中有 机质、TN、TP含量的基础上，采用柱状模拟反应器模拟研究了静态条件下海河底泥N、P释放 规律（参见文威等，海河底泥氮磷营养物静态释放模拟研究，农业环境科学学报，第27卷第 1期，第295-300页，2008年1月20日）。范成新等进行了湖泊沉积物氮磷内源负荷模拟， 其在对骆马湖沉积物及其间隙水物化性质、空间分布等分析基础上，在实验室控制的恒温 静态条件下，模拟了软性富泥区柱状芯样在不同季节温度下的沉积物水界面氮、磷交换过 程（参见范成新等，湖泊沉积物氮磷内源负荷模拟，海洋与湖沼，第33卷第4期，第370-378 页，2002年7月30日）。朱广伟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)对太湖沉积物悬浮及N、P营 养盐释放的作用规律（参见朱广伟等，太湖底泥悬浮中营养盐释放的波浪水槽实验，湖泊 科学，第17卷第1期，第61-68页，2005年3月5日）。
[0005] 从目前来看，柱状芯样模拟法适用的环境条件多，操作简单、成本低，然而却存在 边壁效应；间隙水浓度扩散模型估算法，受生物扰动和底泥稳定性影响较大，需较高精度的 间隙水浓度梯度，以及形态离子的扩散参数，应用局限性较大；原位箱式法，在长时间实验 下，E0、DO、pH等环境条件难以维持恒定；水槽实验中，底泥难以维持原样，且易受扰动影 响。因此，相对而言，采用质量衡算方法可以更加直观地反映氮磷污染物的释放情况，尤其 在宏观测算时，通过解析污染物的进出总量、沉积量、降解量和大气降水补给量等参数迀移 转化特征，建立氮磷释放量衡算模型，能够较为便捷地得出内源污染程度，为污染底泥的治 理和修复提供技术研究基础。
[0006] 目前，荷兰为防治Grevelingen湖的富营养化问题，曾利用质量衡算模型对该湖 水体的总磷进行质量衡算（参见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为时间段初贮水量（m3)及总磷浓度（mg/L) ;L *Cl为时间段内地表径 流和废水量（m3/d)及其总磷浓度；1 · C1为时间段内入湖径流水量及其总磷浓度；V ^ 为 时间段末贮水量及其总磷浓度；u · Cu为时间段内出湖径流水量及其总磷浓度；F为时间段 内底泥磷的交换量（kg) ;At为选取的时间段。
[0010] 在我国利用质量衡算模型（参见黄绍基等，质量衡算模型计算太湖底泥磷的交换 置，环境科学，第13卷第1期，第83-84页，1992年）计算太湖得到1980年全年底泥磷的释 放量为205t，略低于外源性磷全年入湖量240t，占全年进人太湖水体总磷量的46. 2% ;其 中，湖面降水中总磷浓度Cn，是由（年降水总磷量/年降水量）求得；入湖径流的总磷浓度 C 1，是由（年入湖总磷量一年降水总磷量V(年入湖总水量一年降水总量）求得。
[0011] 然而，目前利用质量衡算模型进行测算的方法并未考虑污染物在水体中的沉降、 释放以及大气降水对污染物的补给情况，因此有必要研究一种能够综合考虑上述各因素的 新型污染底泥氮磷释放量衡算模型。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于提供一种污染物释放量的测定方法，特别提供了一种底泥中氮 磷污染物释放量的测定方法。本发明通过解析污染物的进出总量、沉积量、降解量和大气降 水补给量等参数迀移转化特征，基于质量守恒定律，建立了宏观的质量衡算模型，采用该模 型可以较为方便的得出区域河流、湖泊中污染底泥的氮磷对水体贡献量，从而实现对湖泊 水体中污染物总量构成的宏观分析。
[0013] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0014] 本发明提供了一种底泥中氮磷污染物释放量的测定方法，所述方法包括以下步 骤：
[0015] (1)采用流量计对出入湖泊河流的年均水量进行测定，并采用过硫酸钾消解法测 定污染物总磷浓度以及采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定污染物总氮浓度以确 定污染物地表径流年均进入量1和污染物地表径流年均产出量W。；
[0016] (2)对湖泊河流所在流域的年均降雨量进行分析以确定年均降雨体积R ;
[0017] (3)对湖泊河流底泥进行分层采样和同位素定年以确定湖泊河流中的污染物年均 滞留量S和底泥沉积总量P，并得出污染物的累积降解系数K ;
[0018] (4)测算水产养殖产生的氮磷的总量a ;
[0019] (5)根据式⑴或式（II)计算底泥中氮磷污染物的年均释放量：
[0020]
[0021] X = S-(R+Wfa) XK(II)
[0022] 其中，X为底泥污染年释放量（t) =W1S污染物地表径流年均进入量（t) ;W。为污染 物地表径流年均产出量（t) ;R为年均降雨体积（t) ;S为污染物年均滞留量（t) ;P为底泥 沉积总量（t) ;K为污染物的累积降解系数；a为水产养殖产生的氮磷的总量（t)。
[0023] 本发明采用流量计来测定出入湖泊河流的年均出入量，单位为m3/s。污染物总磷 (TP)浓度采用过硫酸钾消解法测定，单位为mg/L ;污染物总氮（TN)浓度采用碱性过硫酸钾 消解紫外分光光度法测定，单位为mg/L。其中涉及的过硫酸钾消解法和碱性过硫酸钾消解 紫外分光光度法均为本领域常用方法，不作特别限定。
[0024] 本发明中水产养殖产生的氮磷的总量a是根据《第一次全国污染源普查-水产养 殖业污染源产排污系数手册》，通过湖泊内水产养殖量，测算主要污染物排放量。本发明中， 步骤（2)所述年均降雨体积R是根据式（III)计算得到：
[0025] R = n*r*S*CR· IO3(III)
[0026] 其中，η为污染底泥沉积年数（a) 为年均降雨量（mm) ;S为污染物年均滞留量 (t) ;CR为雨中污染物浓度。
[0027] 本发明中的年均降雨量采用雨量筒进行测定，单位为mm。一般情况下，在应用时可 采用当地年均降雨数据，数据来源于水资源公报等。
[0028] 本发明通过对底泥进行分层采样，采用同位素定年的方法，来测算污染底泥沉积 年数。本发明中，步骤（3)所述污染物年均滞留量S是根据式（IV)计算得到：
[0029]
[0030] 其中，Gw为水体中污染物年平均浓度（mg/L) ;Q为计算水体的体积或库容（亿 m3) 〇
[0031] 本发明中，步骤（3)所述底泥沉积总量P是根据式（V)计算得到：
[0032]
[0033] 其中，Cp为底泥污染物平均浓度（mg/kg) ;s为整个水体的底泥面积（km2) ;h为污 染底泥深度（m) ; Φ为含水量（％ ) ; P为底泥干容重（g/cm3) ;n为污染底泥沉积年数（a)。
[0034] 本发明中，步骤（4)所述累积降解系数K是根据式（VI)计算得到：
[0035] K = exp (-kr Δ t) (VI)
[0036] 其中，K为累积降解系数（nd1) ;k'为日降解系数（d1) 为同位素定年得出的 沉积时间，与底泥沉积时间相同。
[0037] 本发明中，所述同位素定年为21°Pb定年或137Cs定年。沉积物中的 21°Pb，来自两部 分，一部分是由226Ra衰变并与之达到动态平衡的21°Pb，一部分是来自空气中的沉降物并且 浓度不断衰减的过剩 21°Pb (记作21°Pbex)。
[0038] 本发明中，所述21°Pb定年采用恒定补给速率模式（CRS model)计算平均沉积速 率。
[0039] 通过CRS模型计算获得底泥深度与底泥沉积年份的对应关系，并且通过底泥同位 素定年结果可表明测定区域的沉积速率。
[0040] 作为本发明优选的技术方案，本发明采用质量守恒测算方法，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污染物地表径流年均进入量（t) ;W。为污染物地表径流年均产出量（t); R为年均降雨体积（t) 年均降雨量（mm) ;s为整个水体的底泥面积（km2) ;CR为雨中污染 物浓度；S为污染物年均滞留量（t) 为水体中污染物年平均浓度（mg/L) ;Q为计算水体 的体积或库容（亿m3) ;U为年均可供降解污染物的总量（t) ;k'为降解系数（d 4 ;P为某年 段底泥沉积总量（t) ;CP为底泥污染物平均浓度（mg/kg) ;h为污染底泥深度（m) ;Φ为含水 量（％ ) ;Ρ为底泥干容重（g/cm3) ;η为污染底泥沉积年数（a) ;Χ为底泥污染物年释放量 (t) 为同位素定年得出的沉积时间（d)，与底泥沉积时间相同。
[0047] 若仅考虑湖泊水体的水力交换时间，则不考虑出水浓度（W。）和底泥沉积量（P)，公 式变形为：
[0048] X = S-(IHWfa)XK
[0049] 式中：a为水产养殖产生的氮磷的总量（t)。
[0050] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0051] 通过采用该模型可以较为方便的得出区域河流、湖泊中污染底泥的氮磷对水体贡 献量，计算得出湖泊底泥氮磷污染物的年均释放量及释放速率，从而实现了对湖泊水体中 污染物总量构成的宏观分析；通过该方法得出的结论基本符合客观规律并且该方法应用便 捷，可广泛用于现阶段湖泊的主要污染结构分析中。
【附图说明】
[0052] 图1是本发明中的底泥氮磷污染物释放量测定原理示意图。
[0053] 图2是本发明实施例1中的邛海底泥泥芯同位素定年拟合曲线。
【具体实施方式】
[0054]