一种湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法及装置与流程

本发明属于水环境污染控制领域，具体涉及一种湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法及装置。

背景技术：

湖泊污染尤其是氮磷输入量的增加引起的水体富营养化是我国湖泊治理面临的主要问题，目前对于富营养化水质的改善及修复多集中于减少外源负荷，而沉积物中氮磷的释放即内源氮磷释放却会延缓或抵消上述措施的实际效应，所以在外部污染源得到有效控制的前提下，沉积物内源释放的研究成为治理水体污染的关键，这就使得对沉积物氮磷释放风险的评估逐渐发展成为湖泊富营养化过程与机理研究的热点问题，而对于沉积物-水界面氮磷释放的控制则成为湖泊内源污染控制的重要途径。

原位覆盖技术是当前控制内源释放的有效措施之一，因其对内源污染控制效果好且对水体生态环境影响较小而受到了广泛关注。原位覆盖技术的核心是覆盖材料的选择，但即使对于同一覆盖材料而言，由于不同类型湖泊或者同一湖泊不同湖区沉积物的物理化学性质的不同，导致其氮磷赋存形态及释放特征也不尽一致，从而为覆盖材料的沉积物氮磷释放控制效果带来了诸多不确定因素，严重影响了覆盖材料的实际控制效果，致使在应用过程中并不能真正发挥覆盖材料的控释效果。

迄今为止，现有技术都只是针对模拟沉积物-水界面装置的研发及沉积物-水界面物质交换模拟系统的研制，这些装置及其工作方法并不能实现对湖泊不同区域不同类型沉积物氮磷释放风险的评估，因此也就无法对不同类型沉积物提出有针对性的控制措施。也即是，目前湖泊沉积物原位控制技术的瓶颈主要在于湖泊沉积物的高度异质性，不同湖区不同类型沉积物氮磷的释放机制不同，其释放量受沉积物的物理化学性质、氮磷形态及环境因子影响较大，从而导致现有控制技术的实施大打折扣，增加了社会经济成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有的湖泊沉积物原位控制技术在实际应用中控制效果差的缺陷，进而提供一种通过评估覆盖材料对不同湖区不同类型沉积物氮磷释放的控制效果以确保覆盖材料有效发挥其控制效果的湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法及装置。

为此，本发明实现上述目的的技术方案为：

一种湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法，包括如下步骤：

(1)采集湖泊中不少于10个采样点的柱状沉积物，同一采样点采集至少2个所述柱状沉积物，并将所述柱状沉积物的上覆水吸干，平整后备用；

(2)采集所述湖泊中对应于所述柱状沉积物的上覆水，过滤，备用；

(3)以所述湖泊中的沉积物为原料制备覆盖材料，备用；

(4)将所述覆盖材料铺设在步骤(1)得到的各采样点的其中一个所述柱状沉积物上，再在所述覆盖材料上方注入步骤(2)得到的上覆水，即为实验组；同时直接向与所述实验组的柱状沉积物属于同一采样点的另一柱状沉积物的上方注入步骤(2)得到的上覆水作为对照组；而后将所述实验组与所述对照组均放于室内避光培养；

(5)在步骤(4)的培养期间，分别测定所述实验组与所述对照组的上覆水和沉积物剖面间隙水中的营养盐浓度，根据沉积物-水界面营养盐扩散通量模型，评估所述实验组与所述对照组的柱状沉积物的营养盐释放的差异，进而得到所述覆盖材料对不同采样点沉积物营养盐释放的控制效果；

(6)选择步骤(5)中所述控制效果排名前50％的所述柱状沉积物，调控其上覆水的环境因子，模拟所述环境因子的变化对所述控制效果的影响，以评估所述覆盖材料的环境风险。

步骤(1)中，所述柱状沉积物为不同营养类型湖泊的沉积物或同一湖泊不同湖区的沉积物，同一采样点采集的所述柱状沉积物之间的距离不大于5m，所述柱状沉积物的采集深度不小于20cm。

步骤(1)还包括在平整后的柱状沉积物表层设置滤网的步骤。

步骤(2)中，所述上覆水与沉积物-水界面之间的距离在50cm以内；采用孔径为0.45μm的滤膜过滤。

步骤(3)中所述覆盖材料为控磷材料或控氮材料。

步骤(4)中所述覆盖材料的铺设量为5-20kg/m²。

步骤(4)中所述上覆水的深度为50-150cm。

步骤(6)中所述环境因子包括扰动强度、温度、ph值和/或do值。

一种利用上述湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法的装置，包括至少两组底部封口的柱状容器，每组所述柱状容器的个数均不少于10个，在每个所述柱状容器的侧壁上均设置有取水口，在其中一组所述柱状容器内由下至上依次设置有柱状沉积物、覆盖材料及上覆水，在另一组所述柱状容器内由下至上依次设置有柱状沉积物及上覆水，且每个所述柱状沉积物的高度均低于所述取水口的高度；

还包括与每个所述柱状容器配套设置的微电极观测系统、dgt探针及微流控芯片水质实时在线监测系统。

所述微流控芯片水质实时在线监测系统包括进样口、ph分析芯片、温度分析芯片、溶解氧分析芯片、eh分析芯片、硝氮分析芯片、亚硝氮分析芯片、氨氮分析芯片、磷分析芯片及数据图像传输系统；

还包括与部分所述柱状容器配套设置的扰动调控系统、ph调控系统和溶解氧调控系统。

在本发明中，术语“控氮材料”是指可控制沉积物释放氮的覆盖材料，术语“控磷材料”是指可控制沉积物释放磷的覆盖材料。

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下优点：

1、本发明所述的湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法，首创性地考虑到不同湖泊或同一湖泊不同湖区沉积物的物理化学性质及其中氮磷形态及释放特征的不同，故而在湖泊沉积物原位采样技术、沉积物-水界面氮磷释放覆盖控制技术的基础上，运用水质实时监测系统、微界面测定系统、环境因子调控系统和系统程序控制及数据传输等手段，对不同湖泊或同一湖泊不同湖区沉积物覆盖材料控制效果进行了评估，根据沉积物-水界面扩散通量模型评估覆盖材料对不同类型沉积物的控制效果，并且通过调控环境因子，评估覆盖材料的环境风险。根据评估结果，可对不同类型沉积物有针对性地提出相应的材料覆盖工程工艺措施，从而避免了工程实施的盲目性，不仅节约了社会经济成本，也降低了材料实施的环境风险。

2、本发明所述的湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法，通过利用柱状采泥器原位采集湖泊污染层沉积物，并利用原位采集的湖水开展现场模拟实验，从而最大限度地模拟了湖泊沉积物氮磷释放的原位控制条件，对实现湖泊沉积物原位控制工程措施提供了有力支撑。

本发明所述的湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法可应用于湖泊底泥污染控制领域，也适用于沉积物覆盖材料释放控制效果评估，还可适用于覆盖材料后沉积物环境风险评估、底泥环保疏浚后沉积物释放控制效果评估、以及不同类型湖泊沉积物释放风险评估等。

3、本发明所述的利用湖泊沉积物覆盖材料控制效果的评估方法的装置，通过为每个柱状容器配套设置微流控芯片水质实时在线监测系统，以利用微型化芯片取代常规化学分析检测仪器可较大程度的缩短反应时间和体积，整个系统通过电脑软件程序控制，信号无线传输，不仅可实现本发明装置的多处理同步研究，还能提高模拟条件的精确性、数据获取的准确性和及时性。传感器由多个采样进样口、多个分析芯片、控制和信号采集部分和数据传输部分组成，并由微处理器统一控制，采样进样口由采样管和微型液体泵和微型电磁阀组成，可设置不同深度泵入水样，进入分析芯片模块进行分析，芯片模块采集到的信号(电信号和光谱信号)传至微处理器(转为数字信号)后，由无线或有线传输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为沉积物原位覆盖材料模拟实验装置示意图；

图2为滇池不同湖区沉积物覆盖材料控制效果评估装置示意图；

图3为沉积物原位覆盖材料与水动力模拟实验装置示意图；

图4为不同扰动强度下沉积物覆盖材料控制效果评估装置示意图；

图5为ph和溶解氧(do)等环境因子影响模拟实验装置图；

图6为不同环境因子对洱海沉积物氮磷释放影响评估装置示意图；

图7为数据传输与控制系统的结构示意图；

上述图1-7中的附图标记如下：

1-底部密封塞；2-柱状沉积物；3-pvc滤网；4-覆盖材料；5-取水口；6-取水控制阀；7-上覆水；8-水位刻度线；9-顶部密封塞；10-通气孔；11-注水口；12-微电极探针；13-dgt探针；14-水质实时监测探针；15-有机玻璃管固定钢架；16-扰动叶轮；17-转轴；18-电机；19-电源线；20-ph调控器；21-溶解氧调控器；22-微电极测定系统；23-微流控芯片水质实时在线监测系统；24-扰动调控系统、25-ph调控系统；26-溶解氧调控系统；d1-d12为滇池不同湖区柱状沉积物；r0、r30、r60、r90、r120和r150分别代表扰动叶轮转速为0、30、60、90、120和150r/min；e1-e5为洱海不同湖区柱状沉积物；t1-t6分别为不同ph和do处理组合，其中，t1为ph＝6的好氧环境，t2为ph＝8的好氧环境，t3为ph＝10的好氧环境，t4为ph＝6的厌氧环境，t5为ph＝8的厌氧环境，t6为ph＝10的厌氧环境。

图8为滇池不同湖区柱状沉积物采样点的分布图；

图9为模拟条件下滇池不同湖区沉积物氮释放通量示意图；

图10为控氮材料对滇池不同湖区沉积物氮释放控制效果示意图；

图11为模拟条件下滇池不同湖区沉积物磷释放通量示意图；

图12为控磷材料对滇池不同湖区沉积物磷释放控制效果示意图；

图13为不同扰动强度下滇池沉积物氮释放通量示意图；

图14为不同扰动强度下材料覆盖沉积物氮释放控制效果示意图；

图15为洱海不同湖区柱状沉积物采样点分布图；

图16不同环境因子对洱海沉积物氮释放影响效果示意图；

图17不同环境因子对洱海沉积物磷释放影响效果示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在下述实施例中，可根据下述式(1)和式(2)分别计算营养盐释放通量及营养盐释放的控制效果：

沉积物-水界面氮磷营养盐平均释放通量计算方法：

式(1)中，fi为到第i天的平均释放通量，mg/(m²·d)；v为上覆水的体积；cn，cj-1，c0分别为第n天上覆水中氮磷营养盐的浓度，第j-1天上覆水中氮磷营养盐的浓度及初始状态下上覆水氮磷营养盐的浓度，mg/l；ca为补偿原水后体系中氮磷营养盐的浓度。vj-1为j-1次采样体积，此处为4.019l；s为沉积物-水界面面积，有机玻璃管内径底面积50.24cm²；t为培养时间d。

沉积物氮磷释放控制效果的计算方法如下：

式(2)中，为无材料对照处理沉积物氮磷的平均释放通量，为覆盖材料处理沉积物氮磷的平均释放通量，为材料覆盖对沉积物氮磷释放的控制效果。

实施例1

利用柱状采泥器采集滇池不同湖区12个采样点的柱状沉积物(采样点分布见图8)，每个采样点采集2个柱状沉积物，同一采样点的2个柱状样采样距离不超过5m。同时采集湖泊中对应于上述柱状沉积物的上覆水，并用0.45um的微孔滤膜过滤，备用。沉积物样品采集后利用切割法将柱状采泥器的有机玻璃管底部的部分样品去掉，然后用橡胶塞和防水胶带将有机玻璃管底部封住，使柱状沉积物保持原状不变，并且所有柱状沉积物高度均保持在20cm，然后将柱状沉积物样品运回实验室，采用虹吸法去掉柱状沉积物的上覆水，并立即在平整后的沉积物表层放置一个特定的薄层pvc滤网，使其水平覆盖在沉积物表层而又不对沉积物产生压实效果，分别在12个采样点采集的两个柱状沉积物中的一个柱状沉积物上方覆盖控氮材料(其制备方法参见中国专利文献cn106000283a)，材料厚度按15.2kg/m²量投放，再在控氮材料的上方注入过膜上覆水80cm高，作为实验组；同时直接向相对应采样点的另外12个样品上方注入过膜上覆水80cm高，作为对照组。

将上述实验组和对照组均放置在室内避光培养，在培养期内同时监测实验组和对照组的上覆水和沉积物剖面间隙水的水质变化，每隔2-10天监测1次，监测周期为160天，实验模拟装置见图1和图2。

由图9可见，对照组的滇池不同湖区沉积物氮释放通量变化在24.4-37.5mg·m^-2d^-1之间，实验组的沉积物氮释放通量变化在16.1-23.6mg·m^-2d^-1，160天的监测结果表明，覆盖材料显著削减了沉积物氮释放通量，但不同湖区覆盖材料对沉积物氮释放的控制效果差异较大(见图10)。覆盖材料对滇池外海北部和东部湖区柱状沉积物(d3-d8，d10)沉积物氮释放控制效果较好(33.5％-57.1％)，对滇池外海南部和西部湖区沉积物(d9、d11和d12)氮释放控制效果相对较差(14.1％-22.1％)，对滇池草海柱状沉积物(d1和d2)氮释放的控制效果最差(-0.3％-3.6％)。通过控氮材料对滇池不同湖区沉积物氮释放控制效果评估，确定沉积物控氮覆盖材料实施应选择在滇池外海北部和东部湖区，如d2-d8和d10站点所在的湖区。

在上述实验的基础上，选择实验组中控氮效果较好的采样点开展不同扰动强度下材料覆盖沉积物氮释放控制效果评估。依据上述研究结果，选择d6(n:102.76，e:24.83)作为扰动强度模拟样点，选点依据是：1)控氮材料在d6点对沉积物氮释放的控制效果较好；2)d6采样点在外海北部区域，属于开阔地带，长年风速在2-3m/s左右；3)d6采样点属于湖湾地带，淤泥堆积厚，沉积物氮释放量较高，对水质的影响较大。

扰动强度模拟风速对水动力的影响，按照r＝0r/min时相当于无风环境，r＝30r/min时相当于(1-2)m/s的风速，r＝60r/min相当于(2-3)m/s的风速，r＝90r/min相当于(3-4)m/s风速，当r>120r/min时相当于(6-7)m/s风速等多种情况设置。主要实施方式如下：

在d6采样点连续采集12个柱状沉积物样品，这些柱状样之间采样距离不超过10m，样品采集后利用切割法将有机玻璃管底部的部分样品去掉，然后用橡胶塞和防水胶带将有机玻璃管底部封住，使柱状沉积物保持原状不变，并且所有柱状沉积物高度均保持在20cm，然后将柱状沉积物样品运回实验室，虹吸法去掉柱状沉积物的上覆水，立即在沉积物表层放置一个特定的薄层pvc滤网，使其水平覆盖在沉积物表层而又不对沉积物产生压实效果，将其中6个柱状沉积物样品上方覆盖上述控氮材料，材料厚度按15.2kg/m²量投放，另外6个样品设为不覆盖材料的对照处理。将预先采集的湖水通过0.45um的微孔滤膜缓慢注入到上述柱状沉积物上方，使得上覆水高度为80cm，将样品放置在室内避光培养，分别针对覆盖材料沉积物和无材料对照沉积物设置r0＝0r/min、r30＝30r/min、r60＝60r/min、r90＝90r/min、r120＝120r/min和r150＝150r/min等6个扰动强度，同时监测柱状沉积物覆盖材料处理和对照处理上覆水和间隙水水质变化和环境条件变化，每隔3-10天监测1次，监测周期为56天。实验模拟装置见图3和图4。

由图13可见，无材料对照处理不同扰动强度下沉积物氮释放通量变化在49.9-127.94mg·m^-2d^-1之间，覆盖材料处理组不同扰动强度下沉积物氮释放通量变化在16.4-28.8mg·m^-2d^-1，56天的连续监测结果表明，不同扰动强度下覆盖材料均显著削减了沉积物氮释放通量，而且随着扰动强度的增大，覆盖材料对沉积物氮释放控制效果更明显(见图14)，本实验验证了覆盖材料对沉积物氮的控制效果受水动力条件影响较小，可在不同水动力环境中实用。

实施例2

按照与实施例1相同的方法，计算得到滇池不同湖区沉积物磷释放通量及磷释放控制效果，具体如图11所示，无材料对照处理滇池不同湖区沉积物磷释放通量变化在0.57-2.44mg·m^-2d^-1之间，覆盖材料沉积物磷释放通量变化在0.54-1.79mg·m^-2d^-1，60天的监测结果表明，覆盖材料显著削减了沉积物磷释放通量，但不同湖区覆盖材料对沉积物磷释放的控制效果差异较大(见图12)。与沉积物氮控制区域不同，覆盖材料对滇池草海沉积物(d1和d2)和外海东南部湖区沉积物(d8)磷释放的控制效果较好，变化在46.6％-72.1％之间，对外海东部湖区沉积物(d7)和南部湖区沉积物(d11和d12)磷释放控制效果相对较差，变化在12.4％-23.0％之间，对外海东北部湖区沉积物(d3-d6)和外海南部湖区沉积物(d9-d10)磷释放控制效果最差，甚至促进了磷的释放。通过控磷材料对滇池不同湖区沉积物磷释放控制效果评估，确定沉积物控磷覆盖材料实施应选择在滇池草海和外海东南岸湖湾，如d1、d2和d8站点所在的湖区。

在本实施例中，控磷材料的制备方法参见中国专利文献cn106311129a。

实施例3

利用柱状采泥器采集洱海不同湖区5个采样点的柱状沉积物(采样点分布见图15)。按照与实施例1相同的方法，研究不同ph和do影响下洱海不同湖区沉积物氮磷的释放风险。实验模拟装置请同时参见图5和图6。经计算得到洱海不同湖区沉积物氮磷释放通量，具体如图16和图17所示，洱海不同湖区不同ph和溶解氧处理条件下，沉积物氮释放通量变化在7.07-83.09mg·m^-2d^-1之间，沉积物磷释放通量变化在0.46-6.67mg·m^-2d^-1，60天的监测结果表明，弱酸性(ph＝6)和弱碱性(ph＝10)条件均显著提高了氮的释放，但不同湖区其影响差别较大，以有机质最高湖区(e2)沉积物氮释放通量较高，环境因子影响更为明显(见图16)。弱碱性(ph＝10)和厌氧条件下显著促进了沉积物磷的释放，有机质最低湖区(e3)沉积物磷释放通量较高，环境因子影响更为显著(见图17)。可见，本模拟试验可有效评估湖泊不同湖区沉积物氮磷释放风险，进而为湖泊底泥污染有效治理及氮磷释放控制提供支撑。

实施例4

上述实施例中用于评估湖泊沉积物覆盖材料控制效果的装置，请同时参见图1和图2，包括：

至少两组柱状容器，每组所述柱状容器的个数均不少于10个，每个所述柱状容器均包括底部密封塞1和顶部密封塞9，在每个所述柱状容器的侧壁上均设置有取水口5，其开或闭由取水控制阀6控制，柱状容器顶部设置有通气孔10、注水口11和水位刻度线8；在其中一组所述柱状容器内由下至上依次设置有湖泊原位采集的柱状沉积物2、pvc滤网3、覆盖材料4及上覆水7，在另一组所述柱状容器内由下至上依次设置有湖泊原位采集的柱状沉积物2、pvc滤网3及上覆水7，且每个所述柱状沉积物的高度均低于所述取水口的高度；

与每个所述柱状容器均配套设置有微电极探针12、dgt探针13、水质实时监测探针14；其中，微电极探针和dgt探针能够同步测定柱状沉积物剖面o2、ph和eh等微环境变化以及沉积物微界面fe²⁺、s和磷酸盐等离子浓度变化。

再请参见图3-6，本实施例的装置还包括与部分所述柱状容器配套设置的扰动调控器、ph调控器20、溶解氧调控器21，所述扰动调控器由扰动叶轮16、转轴17、电机18和电源线19组成，电机在电源线接电后通过控制转轴的旋转以带动扰动叶轮转动，从而达到扰动的目的。

在本实施例中，所述柱状容器为可与柱状采泥器配套使用的可拆卸的有机玻璃管，其内径均为8cm、长度可根据实验需要设置为120-200cm不等，玻璃管的底部用橡胶塞1和防水胶带密封，顶部安装固定架或密封塞；在有机玻璃管的顶部还设置有注水口9，上覆水通过注水口注入至玻璃管内，上覆水的高度以不超过玻璃管管壁上的水位刻度线8为准。本实施例中的两组玻璃管均有12个，每个玻璃管均由有机玻璃管固定钢架15固定。本实施例中的微电极探针和dgt探针均包括沉积物-水界面以下15cm和以上2cm部分；水质实时在线监测探针的进样口设置在沉积物-水界面以上5cm处；扰动调控器的叶轮、ph调控器和溶解氧调控器均设置在沉积物-水界面10cm以上。

上述微电极探针、水质实时在线监测探针、扰动调控器、ph调控器、溶解氧调控器还分别与样品传输管道、通气管道和数据传输电缆构成微电极测定系统22、微流控芯片水质实时在线监测系统23、扰动调控系统24、ph调控系统25和溶解氧调控系统26，整个系统通过电脑软件程序控制。其中，所述微流控芯片水质实时在线监测系统包括ph分析芯片、温度分析芯片、溶解氧分析芯片、eh分析芯片、硝氮分析芯片、亚硝氮分析芯片、氨氮分析芯片和磷分析芯片及数据图像传输系统。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。