Dredging effects on nutrient release of the sediment in the long-term operational free water surface constructed wetland  

長期運(yùn)行的自由水面人工濕地中疏浚對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽釋放的影響  

來源：Journal of Environmental Management, 322 (2022) 116160

《環(huán)境管理雜志》第322卷 2022年 文章編號(hào)116160

 

摘要內(nèi)容  

摘要指出，沉積物是自由水面人工濕地（FWS）的關(guān)鍵組成部分，疏浚已成為長期管理中的常見措施。本研究通過室內(nèi)靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，分析了五年運(yùn)行期FWS沉積物的理化特性，比較了不同疏浚深度（0 cm、1 cm、10 cm、25 cm）和方法（機(jī)械挖掘 vs. 水力沖洗）對(duì)水體營養(yǎng)鹽釋放的影響。結(jié)果表明，0-10 cm沉積層受有機(jī)物和氮嚴(yán)重污染，表層形成的邊界層（0-1 cm）可抑制營養(yǎng)鹽釋放；25 cm疏浚深度為最優(yōu)選擇，機(jī)械挖掘法因殘留沉積物少且含水率低，對(duì)水質(zhì)改善效果更佳。  

 

研究目的  

探究長期運(yùn)行的FWS沉積物污染特征，確定最優(yōu)疏浚深度和方法，以抑制營養(yǎng)鹽釋放并提升濕地水質(zhì)凈化功能。  

 

研究思路  

沉積物特性分析：采集五年運(yùn)行期FWS沉積物巖芯（0-35 cm），分層測(cè)定理化指標(biāo)（圖1）。  

 

疏浚深度模擬：設(shè)計(jì)4組處理（未疏浚、疏浚1 cm、10 cm、25 cm），添加原水進(jìn)行55天靜態(tài)培養(yǎng)，監(jiān)測(cè)上覆水營養(yǎng)鹽濃度變化（圖2）。  

 

疏浚方法比較：對(duì)比機(jī)械挖掘法（MDR）與水力沖洗法（HDR）的現(xiàn)場(chǎng)疏浚效果，分析疏浚后沉積物特性及營養(yǎng)鹽擴(kuò)散通量（圖3）。  

 

數(shù)據(jù)驗(yàn)證：結(jié)合擴(kuò)散通量計(jì)算、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（t檢驗(yàn)、Pearson相關(guān)性）評(píng)估疏浚效果。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

沉積物剖面數(shù)據(jù)（圖1）  

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：DO、Eh、pH、粒徑分布、TP、TN、NH??-N、TOC的垂向分布。  

 

研究意義：揭示0-10 cm為污染核心層（TOC>3.02%, TN>0.23%），邊界層（0-1 cm）具高Eh（氧化性）和低營養(yǎng)鹽含量，證實(shí)其擴(kuò)散屏障作用。  

疏浚深度影響數(shù)據(jù)（圖2）  

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：不同疏浚深度下上覆水TP、SRP、TN、NH??-N、CODMn濃度變化。  

 

研究意義：25 cm疏浚深度顯著降低營養(yǎng)鹽擴(kuò)散通量（TP↓31.8%、TN↓30.7%），因徹底移除污染層；疏浚1 cm反而增加NH??-N釋放（邊界層破壞導(dǎo)致+0.07 mg/m2/d）。  

疏浚方法數(shù)據(jù)（圖3、表2）  

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：機(jī)械挖掘（MDR）與水力沖洗（HDR）后上覆水營養(yǎng)鹽濃度及擴(kuò)散通量。  

 

研究意義：MDR的沉積物含水率低（壓實(shí)度高），殘留少，營養(yǎng)鹽通量降幅更大（TP通量比HDR低27.1%），適合植物密集的淺水濕地。  

 

結(jié)論  

污染特征：0-10 cm沉積層受有機(jī)質(zhì)和氮重度污染，邊界層（0-1 cm）抑制營養(yǎng)鹽擴(kuò)散。  

 

最優(yōu)疏浚深度：25 cm深度可最大程度降低營養(yǎng)鹽釋放（TP通量↓31.8%，TN通量↓30.7%）。  

 

最優(yōu)疏浚方法：機(jī)械挖掘法優(yōu)于水力沖洗法，因殘留沉積物少且含水率低，更利于水質(zhì)穩(wěn)定。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義  

通過丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)定的沉積物DO、Eh、pH微剖面（圖1a-c）是揭示邊界層形成與擴(kuò)散抑制機(jī)制的關(guān)鍵：  

量化氧化還原梯度：Eh剖面顯示邊界層Eh急劇下降（斜率3.2→0.1），明確其強(qiáng)氧化特性（抑制還原態(tài)營養(yǎng)鹽擴(kuò)散）。  

 

驗(yàn)證氧滲透深度：DO剖面測(cè)得5 mm氧滲透深度（高于同類水體），解釋濕地淺水條件（0.4 m）促進(jìn)好氧層形成。  

 

關(guān)聯(lián)釋放動(dòng)力學(xué)：邊界層高Eh與低NH??-N含量顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.781），證實(shí)其通過吸附和氧化作用阻控營養(yǎng)鹽釋放。  

 

指導(dǎo)疏浚實(shí)踐：電極數(shù)據(jù)明確邊界層位置（0-1 cm），疏浚時(shí)需保留該層或徹底移除污染層（>10 cm），為25 cm疏浚深度選擇提供科學(xué)依據(jù)。