水库沉积物中磷释放的原位评估：对富营养化控制与水质管理的意义

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：In-situ Assessment of Phosphorus Release from Reservoir Sediments: Implications for Eutrophication Control and Water Quality Management

本研究通过设计新型原位沉积反应器，揭示周村水库沉积物中NaOH可提取磷主导释放机制，发现季节性分层导致红ox交替条件促进磷沉淀-活化循环，并证实铁、锰、硫化物与磷的耦合释放。提出原位增氧可有效控制内源磷负荷，提升分层饮用水水库水质。

　　

陈王|孙贤鹏|孙阳|孙子怡|黄廷林|施建超

烟台大学土木工程学院，中国烟台市清泉路30号，264005

摘要

水库沉积物既是磷（P）的汇也是潜在的来源，在内部养分循环和富营养化过程中起着关键作用。本研究全面调查了位于中国东部的代表性水源地——周村水库（ZCR）沉积物中磷的释放动态和空间分布。为了捕捉原位沉积物-水交换过程，设计并部署了一种新型原位沉积物反应器，能够在接近自然条件下实时监测沉积物污染物的释放情况。野外调查和实验室分析表明，可被NaOH提取的磷是主要磷形态，表明其具有较高的内部释放潜力。季节性分层导致的交替厌氧-好氧条件促进了磷的反复沉淀-迁移循环，并导致表层磷浓度显著升高。此外，观察到磷、铁、锰和硫化物（S2?）的释放之间存在强烈的耦合关系，表明这些对氧化还原反应敏感的元素共同调节着沉积物中的磷动态。这些发现突显了水库沉积物的高磷释放潜力，并阐明了在氧化还原环境变化下磷再迁移的机制。基于这些认识，提出原位充氧作为一种有效的管理策略，以减轻沉积物中磷的释放并改善分层饮用水水库的水质。

引言

水库建设对人类发展做出了重大贡献，但也破坏了自然河流的水文状况——由于大坝建设，全球超过一半的河流出现了支流断流的现象[1]。这种断流减少了水流连通性，改变了沉积物输送过程，并加速了水生系统中的养分积累[2][3]。因此，许多水库现在面临着严重的富营养化和频繁的季节性藻类爆发[4][5][6]。磷（P）是一种重要的养分，通常是富营养化的限制因素，大量储存在水库沉积物中，在适宜条件下会释放到水中，引发过度藻类生长[7][8][9][10]。因此，阐明控制沉积物中磷释放的机制对于控制内部养分负荷和制定有效的饮用水水源保护策略至关重要。

沉积物中磷的释放是一个多步骤过程，首先磷从沉积物中迁移进入孔隙水，然后通过浓度梯度、物理扰动和氧化还原动态在沉积物-水界面（SWI）扩散[11][12][13][14]。与浅水湖泊相比，深水水库具有不同的水动力特征和较低的沉积物再悬浮现象，这可能改变磷的释放途径和强度[15][16][17]。全面理解这些过程对于准确评估内部磷负荷和制定针对性的饮用水水库水质管理措施至关重要。此外，沉积物结合态磷的形态对其迁移性有重要影响。有机磷必须经过矿化作用才能产生可溶性活性磷（SRP）[18][19]，而通常与铁、铝、锰氧化物或钙化合物结合的无机磷在缺氧条件下更易于释放，然而大多数研究并未提供直接的原位证据[20][21]。阐明不同磷形态的分布和反应性为量化富营养化风险和制定有效的饮用水水源保护策略提供了科学依据。

有效控制内部磷负荷不仅取决于对地球化学过程的理解，还依赖于适用工程解决方案的开发。湖泊和水库管理的最新进展表明，原位技术（如充氧、沉积物覆盖和生态修复）在抑制沉积物来源的养分释放和改善水质方面具有可行性[22]。在此基础上，本研究通过结合原位实验和过程级分析，强调了沉积物中磷释放的工程意义。我们全面研究了水库沉积物中磷的释放动态和空间分布，以阐明内部养分循环的机制。我们表征了沉积物中磷的垂直分布，确定了主要磷形态，并评估了它们与孔隙水中可溶性活性磷（SRP）的关系。为了更好地模拟自然沉积物-水交换过程，设计并应用了一种新型原位沉积物反应器，用于实时监测污染物释放，并探索内源性磷迁移的控制因素，特别是铁、锰、硫化物和磷之间的相互作用。研究结果为减轻内部磷负荷和保障分层水库的饮用水水质提供了机制上的理解和工程指导。通过阐明沉积物中磷的地球化学途径和释放潜力，本研究有助于制定积极的水库管理策略，以减轻富营养化风险并维持长期的水资源安全。

研究区域和采样地点

周村水库（ZCR）位于中国东部的枣庄市，是向枣庄市供应原水的典型水源地，日供水量为40 × 103立方米。该水库覆盖的流域面积为121平方公里，总蓄水量为8404万立方米，水面面积为8.54平方公里，海拔高度为122米。ZCR主体部分的最大深度为15米。由于历史原因，该水库经历了...

沉积物的物理和化学参数

表1展示了ZCR三个采样点沉积物的水深及基本物理和化学参数。所有沉积物样本均表现出较低的碱度。与B点和C点相比，A点的沉积物孔隙度和含水量较低，而B点和C点的沉积物孔隙度和含水量相似。目视检查还发现，A点的沉积物比B点和C点的沉积物更紧密。

C/N比率是...

结论

本研究阐明了周村水库沉积物中磷释放的机制。沉积物表现出较高的氧需求，导致沉积物-水界面持续处于缺氧状态，促进了磷和其他对氧化还原反应敏感物质的释放。总磷在表层富集，这主要是由与热分层相关的季节性氧化还原变化驱动的。

未引用的参考文献

[49], [62]

CRediT作者贡献声明

施建超：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。黄廷林：监督、资金获取。孙子怡：数据验证。孙阳：数据可视化。孙贤鹏：撰写 – 审稿与编辑。陈王：撰写 – 初稿撰写、调查、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省技术创新指导计划（项目编号：YDZX2024025）和国家科技支柱计划（项目编号：2012BAC04B02）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。