水体溶解氧含量是水环境质量的重要参数.本研究将室内模拟实验和疏浚工程相结合，探讨了疏浚对沉积物-水界面耗氧能力、微剖面溶解氧分布的环境效应.研究结果显示，疏浚具有降低溶解氧消耗能力的潜在长期效应，但是由于还原性物质的暴露，疏浚后新生表层沉积物短期耗氧能力很强；疏浚没有改变到氧气在沉积物-水界面中的传质深度.结果暗示疏浚可能显著提高重度富营养化湖泊夏季溶解氧含量。


水体溶解氧的含量是衡量水环境质量的重要参数，也可以指示人类活动对沉积物及水体的影响。沉积物-水界面是湖泊生态系统的重要界面，众多物质的迁移转化过程发生在该界面.该界面上的溶解氧会强烈地影响到湖泊中的地化循环过程.溶解氧可以介入铁、磷的耦合循环控制沉积物中磷的释放；溶解氧含量较高时水体中的氨氮较低；湖泊反硝化进程会受到界面溶解氧的抑制。


沉积物疏浚是一项重要的湖泊内源治理技术.沉积物疏浚对溶解氧的影响是疏浚的其他生态环境效应产生的基础.沉积物是湖泊溶解氧消耗的重要场所，其耗氧速率是评判湖泊耗氧能力的重要参数。湖泊沉积物是水体中物质的源和汇，也是微生物、底栖动物等生物的聚居地.湖泊疏浚去除了含有大量好氧污染物和生物的表层沉积物，但是也暴露出了含有大量还原物质的深层沉积物.这些还原物质可能消耗大量湖泊中的溶解氧.疏浚后新生表层沉积物耗氧能力有待开展实验进行研究.


沉积物中的微生物、孔隙率等环境条件都可能影响到溶解氧在沉积物－水界面的传质.由于疏浚强烈的改变了这些环境条件，溶解氧在沉积物－水界面的垂向分布也可能产生变化.研究疏浚对溶解氧在沉积物-水界面的垂向微观分布，有助于研究疏浚所产生环境效应的微观机理.但是普通的监测方法，破坏了沉积物-水界面，并且无法获得溶解氧在微观尺度的准确含量.微电极技术解决了这一问题.微电极可以测量环境参数在微尺度(微米级)空间上的数值，具有测量空间精度高、数据精度高、测定点无损等优点.


本研究将室内模拟实验和疏浚工程相结合，利用微电极技术和自制好氧动力学设备研究:1)疏浚对湖泊沉积物耗氧能力的影响及影响的时间尺度；2)疏浚对溶解氧在沉积物－水界面微空间尺度的垂向分布的影响.并依据实验结果，以溶解氧的变化为导向，探讨了疏浚工程实施中应该注意的问题.


1材料和方法


1.1室内实验样品采集


东钱湖位于位于浙江省宁波市鄞州区东南部(E 120°42′，N 29°49′).为了减轻内源污染，减缓富营养化进程，2009年7月至2013年1月对东钱湖实施了生态疏浚.疏浚范围涉及332万m2，疏浚总量为188.2万m3，疏浚深度30-80cm.


同期于东钱湖UDR采集10 L湖水，由便携式冰箱带回实验室.实验前在25℃对湖水曝气至溶解氧100%饱和。


1.2沉积物耗氧动力学研究


为研究疏浚后表层沉积物好氧潜力，表层沉积物再悬浮、疏浚淤泥泄露等情况对湖泊水体溶解氧的环境效应.采用自制的耗氧能力测定装置(图1)测定上述三个区域表层沉积物的耗氧能力.


测定中将反应瓶装满曝气后的湖水，按10 g/L(干重/体积)加入新鲜沉积物，开始搅拌并测定开始实验后70 min内溶解氧饱和度衰减情况.测定过程中前5 min每0.5 min读取一次溶解氧含量，5～10 min每1 min读取一次溶解氧含量，10～20 min每2.5 min读取一次溶解氧含量，20～30 min每5 min读取一次溶解氧含量，30～70 min每10 min读取一次溶解氧含量.测定温度为25℃.磁力搅拌器采用相同的功率.实验测定不加沉积物的空白实验.测定实验初始原水和实验结束时悬浊液中Eh和pH值。


由于FDR组在第13 min时溶解氧已经消耗完全，因此选用各组前13 min溶解氧量变化进行一级动力学模型拟合.并计算各组溶解氧半衰期(t1/2)和初始氧耗速率(r0)。实验重复2次，结果取平均值。

图1耗氧能力测定装置示意图


1.3沉积物—水界面溶解氧微剖面分布特征


为了研究疏浚对沉积物-水界面剖面分布特征及氧气传质深度的影响，探讨其可能原因.利用微电极分析仪(丹麦Unisense)，研究沉积物—水界面溶解氧微剖面分布特征.


利用UDR和PDR新鲜沉积物和湖水，构建两个区域的微生物抑制和不抑制微宇宙系统.共构建沉积物-水界面烧杯微宇宙系统共4组，各组两个平行.于25℃培养10 d后利用微电极系统分析沉积物—水界面溶解氧的垂直剖面的分布.设定微电极系统电极穿刺步距为500μm，主机响应时间为3 s。


微电极测定系统应用于湖泊沉积物疏浚耗氧动力学研究（一）

微电极测定系统应用于湖泊沉积物疏浚耗氧动力学研究（二）