侯 豪,朱 偉,許小格,薛宗璞,程 林

(1：河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京210098) (2：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京210098) (3：河海大學(xué)水文水文水資源學(xué)院，南京210098)

太湖位于長三角地區(qū)中心地帶，是中國第三大淡水湖泊，近20年深受富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藍(lán)藻水華影響[1]. 2007年爆發(fā)了水危機(jī)事件，無錫200多萬人的用水受到影響[2]. 隨著大力度太湖綜合治理工作的進(jìn)行，截止2015年太湖水質(zhì)各項指標(biāo)均向好發(fā)展，但2016年以來，太湖總磷(TP)濃度出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，2017年水華面積更是達(dá)到1403 km2[3]. 此外，對用水及湖泊生態(tài)具有破壞性影響的湖泛現(xiàn)象在2009-2018年期間共發(fā)生75起，且2017和2018年湖泛發(fā)生頻次、天數(shù)、面積和持續(xù)時間均有增加的趨勢[4].

研究表明磷反彈和湖泛都與底泥有著一定的關(guān)系. 一些研究認(rèn)為底泥中的N、P、有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)含量過高，在一定條件下會向上覆水中釋放[5]，其釋放數(shù)量相當(dāng)可觀[6-8]. 而底泥表面存在死亡沉降的微囊藻殘體，會對湖泛的發(fā)生起重要作用[9-10]. 當(dāng)外源污染經(jīng)截污或生態(tài)修復(fù)等舉措得到有效控制時，內(nèi)源污染物的釋放會推遲湖泊水質(zhì)恢復(fù)，延緩湖泊富營養(yǎng)化的治理效果[11]. 為了清除受污染的底泥，太湖已經(jīng)實施了局部的環(huán)保疏浚工程. 2008-2012年間，竺山湖、梅梁湖、貢湖和東太湖等區(qū)域累計清除污染底泥3910萬m3[12]，后續(xù)的環(huán)保疏浚工程也在論證之中. 但也有一些學(xué)者認(rèn)為清淤疏浚對改善太湖水質(zhì)、抑制藍(lán)藻水華和遏制湖泛的作用較小[13-14]. 一方面底泥中積累的污染物釋放必然會導(dǎo)致水質(zhì)惡化；另一方面太湖面積巨大，局部的疏浚對整體的影響難以評價. 這些爭議發(fā)生的原因是既不能準(zhǔn)確、定量地對底泥釋放量做出計算，也不能準(zhǔn)確、定量地對環(huán)保疏浚的效果做出評價. 為了解決這些工程問題，必須了解污染物的釋放位置、釋放量以及提供湖泛發(fā)生物質(zhì)的底泥類型. 雖然關(guān)于太湖底泥以及水-泥界面方面的研究很多，但由于太湖空間尺度太大，且各種實驗計算方法存在很大的差異，所以要更加接近實際情況地反映太湖底泥以及底泥-水界面情況，必須對太湖底泥狀態(tài)及底泥-水界面組成物質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的實地調(diào)查. 掌握底泥、底泥表面、底泥接觸水層的實際狀態(tài). 明確太湖底泥-水界面的垂向結(jié)構(gòu)，這對于揭示底泥與水質(zhì)之間的關(guān)系，指導(dǎo)高效的底泥環(huán)保疏浚都具有十分重要的意義.

現(xiàn)有研究對底泥形態(tài)、釋放已經(jīng)有很多認(rèn)知. 孫順才等[15]采用GPY型淺地層剖面儀，配合一系列深鉆和淺鉆獲得了太湖湖盆的基本地質(zhì)構(gòu)造特征；范成新等[16]采用竹竿插深法、賈更華等[17]利用荷蘭SILA走航式水深測量系統(tǒng)、陳荷生[18]進(jìn)行了太湖湖區(qū)的底泥探測、沈吉等[19]使用StrataBox淺水剖面測深系統(tǒng)分別對太湖的底部狀態(tài)及底泥的分布和厚度進(jìn)行了研究. 這些調(diào)查得到一些共同的認(rèn)知：太湖底泥主要有兩種物質(zhì)，致密堅硬的黃色黏土層(以下稱為粉質(zhì)硬黏土)是太湖古代沖積形成的，其上部覆蓋湖相沉積的處于流塑性狀態(tài)的軟泥層(以下稱為淤泥質(zhì)粉土). 淤泥質(zhì)粉土層的分布區(qū)域約占整個湖底面積的47.5%～69.84%，主要沿湖西部呈帶狀分布，并延伸至西北部湖區(qū). 而在湖心區(qū)、貢湖西岸等區(qū)域底部，粉質(zhì)硬黏土直接裸露，即俗稱的“硬底板”. 不同區(qū)域粉質(zhì)硬黏土的性質(zhì)差異不大，但因為與入湖河道的距離、風(fēng)生流擾動強(qiáng)度上的差異，不同區(qū)域淤泥質(zhì)粉土?xí)霈F(xiàn)在顆粒組成、化學(xué)物質(zhì)含量上的差異.

關(guān)于太湖底泥釋放量方面，秦伯強(qiáng)等[6]的研究認(rèn)為在大型淺水湖泊中，頻繁的風(fēng)浪等動力條件造成沉積物表層的顆粒物出現(xiàn)動力懸浮，同時孔隙水中的營養(yǎng)鹽向水中釋放，沉積物年均向水中釋放磷899 t. 逄勇等[20]計算出風(fēng)生流擾動造成年均釋放進(jìn)入水體的總磷約275.5 t；胡開明等[21]通過建立底泥再懸浮通量、風(fēng)速、靜沉降通量之間的關(guān)系，估算了太湖內(nèi)源釋放通量約為564.35 t；范成新等[22]基于沉積物釋放試驗估算每年太湖底泥-水界面磷的凈通量為(899.4±573.6) t. 一方面各個研究計算所得的釋放量之間差異很大，另一方面實際上太湖水中動態(tài)賦存磷的量在500 t左右[23]，可見底泥釋放量的研究和實際情況尚有較大的差異. 而除了計算或模擬方法中的問題以外，對太湖不同區(qū)域、不同底泥-水界面實際狀態(tài)的差異了解不夠也是出現(xiàn)差異的根源之一.

除底泥釋放以外，底泥表面物質(zhì)與湖泛的發(fā)生有著密切聯(lián)系. 經(jīng)沉積賦存在底泥表面的藻類、水草等生物質(zhì)死亡經(jīng)過有氧和厭氧分解，會成為湖泛發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)[24]，而富含有機(jī)質(zhì)的污染底泥是湖泛發(fā)生的直接物質(zhì)來源[25]，尤其是表層底泥中豐富的有機(jī)質(zhì)、Fe、S等元素，是黑臭形成的關(guān)鍵物質(zhì)[26]. 雖然這些研究都聚焦底泥表層物質(zhì)，認(rèn)為這些物質(zhì)在動力擾動下發(fā)生懸浮，在微生物、營養(yǎng)鹽和合適的環(huán)境共同作用下會形成湖泛，但對太湖底泥表面以及上覆水層中物質(zhì)的數(shù)量、構(gòu)成、性質(zhì)、區(qū)域差異進(jìn)行實際調(diào)查的研究相對缺少.

綜上所述，太湖底部的底泥狀態(tài)、垂向上和水的接觸帶差異、底泥-水界面附近的物質(zhì)構(gòu)成差異都是應(yīng)該明確的問題.

本文使用5種采樣方法對太湖全湖分區(qū)布點(diǎn)采樣，重點(diǎn)針對底泥-水界面的物質(zhì)進(jìn)行觀察、采樣和檢測分析，明確太湖底泥垂向結(jié)構(gòu)、空間分布差異以及底泥-水界面物質(zhì)，以期為理解太湖底泥狀態(tài)、解釋太湖磷現(xiàn)象和湖泛發(fā)生機(jī)理提供參考.

1 樣品與方法

1.1 樣品采集

1.1.1 采樣時間及點(diǎn)位布置 全湖調(diào)查采樣于2020年10月15-20日進(jìn)行，為便于采樣，將太湖劃分為東部沿岸區(qū)(E1～E4)、東太湖(ET1～ET3)、貢湖(G1～G5)、湖心區(qū)(L1～L12)、梅梁湖(M1～M5)、南部沿岸區(qū)(S1～S4)、西部沿岸區(qū)(W1～W2)和竺山湖(Z1～Z4)8大湖區(qū)，共布設(shè)39個采樣點(diǎn)，湖區(qū)劃分及點(diǎn)位分布如圖1所示. 并于2021年6月針對貢湖、梅梁湖、竺山湖和湖心區(qū)的底泥類型進(jìn)行了復(fù)測，復(fù)測布點(diǎn)見圖1b.

圖1 湖區(qū)劃分與采樣點(diǎn)位置(a)和補(bǔ)充測點(diǎn)底泥狀態(tài)(b)Fig.1 The division of the lake area and the location of sampling sites (a) and sediment status at additional measurement sites (b)

1.1.2 采樣方法 為了明確不同位置淤泥質(zhì)粉土厚度、底泥-水界面的狀態(tài)和底泥表層物質(zhì)，采用木質(zhì)探釬、柱狀采樣器、彼得森抓泥斗、洛陽鏟和采水器在同一點(diǎn)同時進(jìn)行了現(xiàn)場采樣. 采樣時先使用木質(zhì)探釬探測點(diǎn)位是否存在淤泥質(zhì)粉土，在存在淤泥質(zhì)粉土層的點(diǎn)位使用φ60 mm×500 mm柱狀采樣器在盡量不擾動底泥的情況下采集水-底泥柱，從柱狀樣中得到界面下10 cm以內(nèi)底泥和底泥-水界面上覆水的樣品. 釬探發(fā)現(xiàn)底部無淤泥質(zhì)粉土或淤泥質(zhì)粉土很薄的點(diǎn)位，使用彼得森式抓泥斗多次抓取表層物質(zhì)，并使用φ80 mm的洛陽鏟采集下部硬塑性黏土樣品，使用亞克力水樣采樣器采集界面上覆水. 現(xiàn)場拍照記錄樣品狀態(tài)后通過虹吸管將柱狀采樣器中上覆水抽至采樣瓶中，底泥樣品置于保鮮盒中，所有樣品冷藏運(yùn)輸至實驗室進(jìn)行檢測.

1.1.3 分析方法 為了明確不同位置和狀態(tài)底泥的物理化學(xué)性質(zhì)差異，分別對底泥的密度、含水率、有機(jī)質(zhì)、粒徑、TP和上覆水的濁度、部分點(diǎn)位的磷形態(tài)進(jìn)行測定. 底泥的密度、含水率、有機(jī)質(zhì)測定參照《湖泊沉積物調(diào)查規(guī)范》[27]進(jìn)行，顆粒分析采用馬爾文公司生產(chǎn)的Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀測定，濁度使用上海悅豐SGZ-200A型濁度儀進(jìn)行測定，底泥TP采用高氯酸-硫酸法消解、島津UV-2450紫外分光光度計測定. 磷形態(tài)的測定方法為改進(jìn)磷元素分級連續(xù)提取法. 采集到的上覆水經(jīng)0.43 μm玻璃纖維濾膜，取濾膜上顆粒進(jìn)行測定.

2 結(jié)果

2.1 底泥-水界面垂向構(gòu)成類型

圖2 底泥-水界面狀態(tài)觀測 Fig.2 The sediment-water interface state of Lake Taihu

圖3 太湖底泥垂向構(gòu)成Fig.3 Vertical composition of sediments in Lake Taihu

在現(xiàn)場采樣和其后的檢測過程中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，太湖底泥-水界面附近自下而上為：粉質(zhì)硬黏土、淤泥質(zhì)粉土(這兩層為底泥). 上覆水層在接近底泥表面的部分存在懸濁水層，本次調(diào)查范圍內(nèi)懸濁水層的厚度為20～50 cm. 同時，對于粉質(zhì)硬黏土使用洛陽鏟采樣，可得到較為完整的表面狀態(tài)，觀察發(fā)現(xiàn)大多數(shù)呈堅硬、表面光滑、附著有貝類和螺類等底棲生物的狀態(tài). 這些物質(zhì)的接觸方式在不同位置出現(xiàn)差異，出現(xiàn)了4種情況. 根據(jù)底泥-水界面附近的垂向接觸結(jié)構(gòu)可以將其分為如圖2所示的4種類型. Ⅰ型：底部為淤泥質(zhì)粉土，上部直接接觸水，底泥和水之間具有明顯的界面. Ⅱ型：底部為粉質(zhì)硬黏土，上部直接接觸水，底泥和水之間具有明顯的界面. 但這種結(jié)構(gòu)的硬塑性黏土的表面有時候會有很薄(<1 cm)的一層沉淀物，在多次采用抓斗采集時可以得到少許，取出后多為灰黑色有機(jī)質(zhì)含量較高的泥狀物，有時能夠明顯看到較多的微囊藻顆粒賦存. 表層沉淀物在湖心等風(fēng)浪較大的區(qū)域采集不到，一些區(qū)域似乎不存在這一物質(zhì). Ⅲ型：底部為淤泥質(zhì)粉土層，中部為懸濁水層，上部為水. 懸濁水層和淤泥質(zhì)粉土層之間能分辨界面，但與上覆水之間處于過渡狀態(tài). Ⅳ型：底部為粉質(zhì)硬黏土，中部為懸濁水層，上部為水. 同樣，懸濁水層和粉質(zhì)硬黏土之間能分辨界面，但與上覆水之間處于過渡狀態(tài).

這4種類型的垂向結(jié)構(gòu)見圖3. 粉質(zhì)硬黏土廣泛存在于全湖底部，為早期沖積形成，而淤泥質(zhì)粉土為太湖近代湖湘沉積物. 湖相沉積物受到入湖河道輸運(yùn)顆粒物質(zhì)及湖內(nèi)沉降環(huán)境，尤其是風(fēng)生流動力擾動強(qiáng)弱的影響在有些位置形成. 懸濁水層的形成可能是由于水中各種顆粒物沉降在底泥表面，但這些顆粒物尚未與底泥之間建立結(jié)構(gòu)關(guān)系，在風(fēng)生流擾動下會發(fā)生懸浮. 因此，懸濁水層的厚度可能與表面沉淀的顆粒物以及紊流擾動的強(qiáng)度有關(guān). 沉淀顆粒物在擾動強(qiáng)時懸浮形成懸濁水層，擾動弱時可能沉降在底泥的表面. 在粉質(zhì)硬黏土表面發(fā)現(xiàn)的薄層沉淀物質(zhì)也會在擾動強(qiáng)烈時懸濁. 可以認(rèn)為，懸濁水層的厚度是根據(jù)風(fēng)生流的擾動動態(tài)消長的，本次調(diào)查的結(jié)果與采樣時的動力學(xué)過程存在一定的關(guān)系. 本次調(diào)查得到的底泥-水界面上的垂向結(jié)構(gòu)類型分布狀態(tài)見圖1：Ⅰ型主要出現(xiàn)在沿岸和湖灣區(qū)域，Ⅱ型出現(xiàn)在湖心區(qū)，Ⅲ型主要出現(xiàn)在竺山湖和湖心區(qū)，Ⅳ型在貢湖西側(cè)、湖心區(qū)和梅梁湖北側(cè)均有分布.

圖4 粉質(zhì)硬黏土底泥的含水率、密度Fig.4 Moisture content and density of silty hard clay

圖5 粉質(zhì)硬黏土粒徑組分Fig.5 Particle size components of silty hard clay

2.2 底泥-水界面物質(zhì)的性質(zhì)

對現(xiàn)場采集到的粉質(zhì)硬黏土、淤泥質(zhì)粉土和懸濁水層進(jìn)行了物理性質(zhì)和環(huán)境指標(biāo)的檢測. 主要檢測指標(biāo)為含水率、密度、TP和有機(jī)質(zhì)含量，并在北部3個湖灣各取一個點(diǎn)位進(jìn)行了磷形態(tài)的測定.

圖6 粉質(zhì)硬黏土有機(jī)質(zhì)與總磷含量 (水平虛線表示總磷含量均值)Fig.6 Organic matter and total phosphorus content of silty hard clay

2.2.1 粉質(zhì)硬黏土 粉質(zhì)硬黏土表觀為褐黃色，土質(zhì)緊密. 含水率為17.8%～26.3%，密度為1.738～1.908 g/cm3(圖4). 使用液塑限聯(lián)合測定儀76 g圓錐測出的錐入深度為0.9～1.9 mm，處于固態(tài)范圍，使用貫入筆測得強(qiáng)度范圍為45.2～63.8 kPa，較為堅硬. 將粉質(zhì)硬黏土置于水中浸泡后使用攪拌機(jī)攪散，過2 mm篩去除河蜆貝殼等雜質(zhì)后進(jìn)行顆粒分析. 采用湖泊沉積學(xué)中伍登-溫特華斯(Udden-Wentworth)的方法[28-29]，以4 μm和64 μm區(qū)分黏土顆粒和粉土顆粒，得到粉質(zhì)硬黏土泥粒徑組成(圖5). 結(jié)果表明，粉質(zhì)硬黏土組成中，黏土顆粒占20%左右，粉土顆粒含量最高，各點(diǎn)位的粉粒含量均在一半以上，中值粒徑(d50)為13.50 μm，屬于粉質(zhì)黏土. 各點(diǎn)位粉質(zhì)硬黏土有機(jī)質(zhì)含量均在5%左右，湖區(qū)間的差異不明顯. 粉質(zhì)硬黏土的TP含量為162.6～428.2 mg/kg，平均水平上，梅梁湖粉質(zhì)硬黏土的TP水平比貢湖和湖心區(qū)略高(圖6).

2.2.2 淤泥質(zhì)粉土 淤泥質(zhì)粉土的含水率范圍為40.6%～78.5%，平均值為55.3%，密度范圍為1.22～1.69 g/cm3(圖7). 從表觀上來看，淤泥質(zhì)粉土整體為深褐色、灰色，有些位置表面可能因處于氧化環(huán)境而呈現(xiàn)灰黃色. 各點(diǎn)位液塑限錐入深度均在17 mm以上，處于液態(tài)范圍.

從圖8可以看出，淤泥質(zhì)粉土的組成中黏土顆粒占比為3.33%～7.59%；多為粉土顆粒，砂土顆粒含量較硬塑性黏土明顯升高，2/3的點(diǎn)位超過25%，平均d50為45.15 μm，屬于粉土. 與硬塑性黏土相比，淤泥質(zhì)粉土的黏土顆粒偏少. 從圖9可以看出，淤泥質(zhì)粉土的有機(jī)質(zhì)范圍為2.5%～8.9%，均值為4.86%，TP含量范圍為297.7～734.9 mg/kg，均值為515.5 mg/kg. 與硬質(zhì)黏土相比，淤泥質(zhì)粉土的有機(jī)質(zhì)變化范圍大，湖灣區(qū)的一些點(diǎn)位達(dá)6%～8%，從分布規(guī)律上看，有機(jī)質(zhì)含量高的區(qū)域TP含量也較高. 空間分布上西北部湖區(qū)淤泥質(zhì)粉土有機(jī)質(zhì)和TP含量高于東南部湖區(qū)，竺山湖有機(jī)和TP含量為全湖最高，南部湖區(qū)有機(jī)質(zhì)含量最低，湖心區(qū)TP含量最低.

2.2.3 懸濁水層 現(xiàn)場采集到各點(diǎn)位界面上水的濁度值如圖10所示，不同點(diǎn)位上覆水的濁度有較大差異，一些點(diǎn)位的濁度超過400 NTU，此時上覆水中可以觀察到明顯的懸濁現(xiàn)象(如圖2中Ⅲ、Ⅳ所示)，含大量懸濁顆粒. 起初將這一象與常說的“浮泥”關(guān)聯(lián)，但由于其物質(zhì)組成中絕大多數(shù)是水，更接近于液體的狀態(tài)，故定義為“懸濁水層”. 由于濁度在懸濁水層的不同位置有所差異，采樣時先將上部的清水倒出，后取出懸濁水層進(jìn)行濁度測定，得到其平均濁度. 無懸濁水層時，底泥-水界面上覆水的濁度在100 NTU左右，而懸濁水層出現(xiàn)的點(diǎn)位濁度遠(yuǎn)大于100 NTU，最高達(dá)816 NTU(圖10).

從出現(xiàn)懸濁水層點(diǎn)位的區(qū)域分布來看，貢湖灣、湖心區(qū)和竺山灣懸濁水層出現(xiàn)較為集中，東太湖、東部、南部湖區(qū)并未發(fā)現(xiàn). 懸濁水層的密度在1.005～1.014 g/cm3之間，與水的密度相差很小，固體懸浮物(SS)含量在0.361～2.755 g/L之間(圖11). 在這樣的性質(zhì)下，懸濁水層表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點(diǎn)，紊流擾動強(qiáng)烈就會產(chǎn)生，水靜止即發(fā)生沉降. 懸濁顆粒的粒徑分布如圖12所示，其中砂含量均值為10.94%，對比淤泥質(zhì)粉土的32.81%下降明顯，粉粒占比達(dá)72.31%～82.32%，而粒徑小于4 μm的粘粒占比為6.35%～19.33%.d50為31.34 μm，與粉質(zhì)硬黏土和淤泥質(zhì)粉土相比，懸濁顆粒中粘粒和粉粒的占比更高.

圖7 淤泥質(zhì)粉土含水率和密度 Fig.7 Moisture content and density of soft silt

圖8 淤泥質(zhì)粉土粒徑組分構(gòu)成Fig.8 Particle size components of soft silt

圖9 淤泥質(zhì)黏土的有機(jī)質(zhì)與總磷含量 (水平虛線表示總磷含量均值)Fig.9 Organic matter and total phosphorus content of soft silt

圖10 底泥-水界面 上覆水濁度Fig.10 Water turbidity of the sediment-water interface

圖11 懸濁水層密度和固體懸浮物含量Fig.11 Density and suspended solid of suspended layer

圖12 懸濁水層粒徑分布Fig.12 Particle size components of suspended layer

懸濁水層顆粒的有機(jī)質(zhì)含量在6.14%～13.62%之間，空間上西北部的竺山湖和北部的貢湖高，湖心區(qū)稍低. 與表層沉積物相比，懸濁水層顆粒的有機(jī)質(zhì)含量平均高出4%(圖13a). 對懸濁水層中顆粒物進(jìn)行顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，可以區(qū)分的顆粒物中無機(jī)顆粒物為黑色不透明的黏土礦物類顆粒，有機(jī)顆粒物中可以區(qū)分的有一些藻類顆粒，半透明的有機(jī)碎屑，也有一些顆粒物形成絮團(tuán)，似乎為絮凝在一起的有機(jī)和無機(jī)顆粒(圖13b).

圖13 懸濁水層與表層沉積物有機(jī)質(zhì)含量的對比(a)和懸濁顆粒顯微照片(b)Fig.13 Comparison of organic matter content between suspended layer and surface sediments (a) and photomicrograph of suspended particles (b)

為了研究同點(diǎn)位懸濁顆粒和淤泥質(zhì)粉土磷含量和形態(tài)的差異，在北部的3個湖灣各選擇了1個典型點(diǎn)，對懸濁顆粒中磷的含量和形態(tài)進(jìn)行了測試，并與同點(diǎn)位表層底泥進(jìn)行了對比. 從圖14a可以看出，懸濁顆粒的TP含量范圍為484.45～775.15 mg/kg，3個湖灣的相比，竺山灣的Z1點(diǎn)位TP含量最高，貢湖的G5點(diǎn)位最低. 從形態(tài)上看，懸濁顆粒TP中Org-P和De-P的占比最大，且懸濁顆粒中Org-P含量是同點(diǎn)位表層沉淀物的2～5倍. 一般認(rèn)為生物可利用的磷主要為結(jié)合勢較小的Ex-P、Al-P和Fe-P，因此這3種形態(tài)磷含量增加會對水質(zhì)造成潛在威脅. 懸濁顆粒的無機(jī)可交換態(tài)磷(Ex-P)含量是表層沉淀物的數(shù)十倍(圖14b)，在濃度差、水動力擾動等因素的作用下，Ex-P容易脫離顆粒進(jìn)入水體，造成水體溶解態(tài)磷的增加，而懸濁顆粒存在的低含固率以及易受擾動的環(huán)境為這一過程提供了有利條件. 與表層沉淀物相比，懸濁顆?？赡軐λ|(zhì)的危害更大.

圖14 各形態(tài)磷含量(a)和生物可利用磷含量(b) Fig.14 Phosphorus content of each form (a) and bioavailable phosphorus content (b)

3 討論

3.1 太湖底泥-水界面物質(zhì)狀態(tài)與形成機(jī)理

太湖底泥-水界面上存在粉質(zhì)硬黏土、淤泥質(zhì)粉土和懸濁水層3種物質(zhì). 粉質(zhì)硬黏土在湖底普遍存在，是整個太湖界面的基底，屬于陸相沉積[30-31]. 一些區(qū)域會有淤泥質(zhì)粉土對粉質(zhì)硬黏土形成覆蓋，而另一些區(qū)域硬黏土直接裸露. 粉質(zhì)硬黏土沉積時間久、密度大、強(qiáng)度高. 淤泥質(zhì)粉土是新近沉積的底泥，主要分布在西部沿岸和東部、南部地區(qū). 胡思遠(yuǎn)[32]的研究表明，粉質(zhì)硬黏土并不向水中釋放磷也不吸附磷，對水質(zhì)的影響微小，而一般的環(huán)保疏浚工程也不將這一層位作為疏浚對象. 關(guān)于太湖底部粉質(zhì)硬黏土(俗稱硬底板)的直接裸露學(xué)者是認(rèn)可的，但是裸露的位置和范圍鮮有明確的記載.

收集與底泥分布的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(圖15)可以看到，1996年日本JICA[33]對太湖進(jìn)行過一次底泥調(diào)查，這個調(diào)查圈出了淤泥質(zhì)粉土厚度>0.2 m的位置，可以看出太湖一半以上的位置淤泥質(zhì)粉土厚度<0.2 m. 而使用柱狀采樣器在淤泥質(zhì)粉土厚度<0.2 m的位置難以取到樣品，因此可以認(rèn)為該調(diào)查中淤泥質(zhì)粉土厚度<0.2 m的范圍內(nèi)存在大量粉質(zhì)硬黏土(硬底板)直接裸露的區(qū)域. 范成新等[16]在2000年繪制了太湖底泥分布圖，以0～2 m劃分底泥等厚線，可認(rèn)為0～2 m范圍內(nèi)存在粉質(zhì)硬黏土(硬底板)裸露. 2004年羅瀲蔥等[31]也繪制了分布圖，但等厚線采用0.5 m間隔，難以判定硬底的詳細(xì)范圍. 2007年范成新等[34]的調(diào)查圈出了0～0.1 m的底泥等厚線，從制圖采用內(nèi)插法繪制等厚線的角度來看，0～0.1 m的范圍非常接近粉質(zhì)硬黏土(硬底板)直接裸露的區(qū)域. 此后，2019年受江蘇省水利廳委托，上海勘測設(shè)計研究院對太湖底泥進(jìn)行調(diào)查，給出了0～0.1 m等厚線的位置[35]，應(yīng)該比較接近粉質(zhì)硬黏土(硬底板)直接裸露區(qū)域. 將1996年JICA繪制的<0.2 m，2007年范成新等繪制的0～0.1 m以及2019年太湖底泥調(diào)查得到的0～0.1 m區(qū)域疊在一張圖上，得到圖15f. 在圖15f中<0.1 m的重疊區(qū)域布點(diǎn)探測，17個探測點(diǎn)均為硬塑性黏土(硬底板)，如果底泥厚度<0.1 m的范圍都處于硬底板的狀態(tài)，這個范圍占總太湖面積的32%左右(755 km2).

圖15 文獻(xiàn)中底泥分布情況比較Fig.15 Comparison of sediment distribution in the literatures

淤泥質(zhì)粉土含水率高，黏土顆粒與粉土顆粒含量總和超過75%，屬于細(xì)顆粒土，土力學(xué)對其物理性質(zhì)描述為“可塑-流塑狀態(tài)”，也稱為“流塑性粉土或軟塑性粉土”. 工程界常稱其為“流泥”，表示含水率高、達(dá)到流塑性狀態(tài). 由于經(jīng)常會被誤解成為“流動的泥”，所以本文中使用“淤泥質(zhì)粉土”. 如果要表達(dá)其含水率高和處于半固態(tài)且具有發(fā)生流塑性變形性質(zhì)，可以用“軟塑性淤泥質(zhì)粉土”進(jìn)行描述. 淤泥質(zhì)粉土是太湖形成淡水湖泊后入湖水?dāng)y帶(部分也來自湖泊自身的生產(chǎn))的顆粒物沉降并發(fā)生固結(jié)后形成的新近沉積物. 因為顆粒之間已經(jīng)具有土體的結(jié)構(gòu)，屬于固體-半固體物質(zhì)，應(yīng)該不具有在風(fēng)生流、湖泊流場作用下整體發(fā)生位移(或流動)的性質(zhì). 但表面堆積的一些松散顆粒物會受到風(fēng)生流擾動、沖刷而懸浮、運(yùn)動，本文把這些物質(zhì)劃入“懸濁水層”. 淤泥質(zhì)粉土的分布大多數(shù)與水的入湖位置有關(guān)，西北部占太湖入湖水量的70%以上，所以在西北部湖灣、西部沿岸沉積、西南部廣泛發(fā)育淤泥質(zhì)粉土帶. 貢湖入湖水量小、入湖顆粒物也偏少，所以只在中心古河道和近岸帶探測到淤泥質(zhì)粉土，當(dāng)然近些年的環(huán)保疏浚工程也是該區(qū)域缺失淤泥質(zhì)粉土的重要因素之一. 而湖心區(qū)由于風(fēng)生流紊流擾動強(qiáng)烈，使顆粒物難以沉降到湖底形成沉積層，所以大多數(shù)區(qū)域為粉質(zhì)硬黏土(硬底板)直接裸露的狀態(tài). 但是在水草茂密的東太湖、貢湖南側(cè)一般都能探測到淤泥質(zhì)粉土，這與水草本身具有減少水流紊動從而促淤的原理[36]有一定的關(guān)系.

懸濁水層主要是由于顆粒物的存在而發(fā)生的. 靜止?fàn)顟B(tài)下如果水中顆粒物較多就會沉降在底泥表面形成薄層，這些顆粒物包括泥沙顆粒、有機(jī)碎屑、藻類殘體等物質(zhì). 由于這些顆粒物和已經(jīng)沉積成土的底泥之間尚未建立起結(jié)構(gòu)關(guān)系，即土力學(xué)中所說的未固結(jié)形成有效應(yīng)力，因此在風(fēng)生流的擾動下可以懸濁進(jìn)入水中，這應(yīng)該是懸濁水層的成因. 由于湖泊永不止息的紊動，很多懸濁顆粒處于沉降-懸浮的變化過程中，小的風(fēng)浪只能起動小的顆粒，大的風(fēng)浪可以起動大的顆粒，故大顆粒在底泥床底停留的時間較多，小的顆粒懸浮在水中的時間較多. 大顆粒停留時間長后與底層建立起結(jié)構(gòu)或被后來的顆粒覆蓋而成為淤泥質(zhì)粉土的一部分. 懸濁顆粒物在風(fēng)生流紊動影響下懸浮，紊動的強(qiáng)度越大參與懸濁的表面物質(zhì)越多、懸浮的位置越高. 因此，同樣的位置在不同的風(fēng)浪下觀測到的懸濁水層厚度也會發(fā)生變化.

3.2 底泥-水界面物質(zhì)構(gòu)成差異

粉質(zhì)硬黏土的顆粒比較細(xì)小、含水率低、密度大、TP和有機(jī)質(zhì)含量低，且這些性質(zhì)在全湖空間上的差異比較小. 淤泥質(zhì)粉土分布范圍廣，平均粒徑比粉質(zhì)硬黏土大，含水率高，密度小，有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽的含量也比同湖區(qū)的粉質(zhì)硬黏土高，但空間上差異顯著，西北部的竺山湖、西部沿岸有機(jī)質(zhì)和TP含量都比湖心區(qū)、南太湖和東太湖要高. 懸濁水層含固率低，但懸濁顆粒TP和有機(jī)質(zhì)含量為3種物質(zhì)中最高的，尤其是生物可利用磷含量是淤泥質(zhì)粉土的數(shù)十倍，顯然與目前入湖河流帶來的顆粒物以及湖內(nèi)生產(chǎn)有著密切關(guān)系. 就這3層物質(zhì)構(gòu)成的4種垂向結(jié)構(gòu)而言，Ⅱ型受到近代(近百年)沉積的影響很小，其污染也較小，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定. 而Ⅰ型和Ⅲ型的發(fā)育，尤其是淤泥質(zhì)粉土的形成與近代沉積有很大關(guān)系，表層部分的有機(jī)質(zhì)與營養(yǎng)鹽顯然與近代的富營養(yǎng)化有關(guān). Ⅲ型與Ⅳ型尤其是表層懸濁顆粒物的發(fā)育，與近些年(近10年)的輸入有明顯的的關(guān)系，顆粒物高有機(jī)質(zhì)和TP含量也能折射出這個時期的湖泊環(huán)境.

3.3 底泥-水界面物質(zhì)、結(jié)構(gòu)與磷釋放的關(guān)系

一般認(rèn)為底泥-水界面是底泥與水進(jìn)行物質(zhì)交換的主要位置，而界面物質(zhì)決定著交換關(guān)系. 從太湖的界面物質(zhì)來看，粉質(zhì)硬黏土形成早、營養(yǎng)鹽含量低、密度大，不會向水中釋放大量營養(yǎng)鹽[32]. 淤泥質(zhì)粉土有些也已形成很長歷史[37]，但近10年沉積的表層物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽含量高的區(qū)域具有向水中釋放營養(yǎng)鹽的潛力，這種釋放受到底泥-水之間營養(yǎng)鹽濃度梯度以及外源補(bǔ)給平衡關(guān)系的影響，目前的狀態(tài)很難一概而論. 淤泥質(zhì)粉土中積累了大量的營養(yǎng)鹽，是一個積蓄庫，一旦太湖水質(zhì)改善、外源減少，這些積蓄物質(zhì)大量釋放的狀況也有可能出現(xiàn)，長期來看是太湖存在的富營養(yǎng)隱患. 懸濁水層在動力作用下頻繁在底泥-水之間轉(zhuǎn)化，懸濁物本身又富含有機(jī)物和營養(yǎng)鹽，在懸濁過程中顆粒吸附的營養(yǎng)鹽會向水中釋放、消耗溶解氧、并且把底部厭氧環(huán)境下的Fe、Mg離子帶入水中，應(yīng)該是底泥釋放的主要物質(zhì)基礎(chǔ). 就底泥垂向結(jié)構(gòu)而言，I型、II型結(jié)構(gòu)對水的影響比較小，目前來看Ⅲ型、Ⅳ型是新近物質(zhì)轉(zhuǎn)化入底泥的位置，也是釋放易于發(fā)生的結(jié)構(gòu). 從治理的角度，如果能夠把懸濁水層或者表層易懸浮顆粒物去除，對于太湖營養(yǎng)鹽的控制應(yīng)該有較好的效果.

4 結(jié)論

1)太湖底泥-水界面上有3種物質(zhì)：粉質(zhì)硬黏土(硬底板)是全湖普遍存在的基底沉積物，在湖心區(qū)等部位直接裸露，占總太湖面積的32%左右；淤泥質(zhì)粉土分布在入湖區(qū)沿岸和湖灣區(qū)，是湖相歷史形成的沉積物，覆蓋了68%左右的湖底而直接與水接觸；懸濁水層在近些年輸入顆粒物比較多的區(qū)域出現(xiàn). 尚未與底泥產(chǎn)生結(jié)構(gòu)聯(lián)系的顆粒物在靜止時沉降在底泥表面，風(fēng)浪作用時懸濁起來，風(fēng)浪越大懸濁的范圍越大.

2)粉質(zhì)硬黏土土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，含水率為17.8%～26.3%，密度范圍為1.738～1.908 g/cm3，d50為13.50 μm，有機(jī)質(zhì)和TP含量較低. 淤泥質(zhì)粉土土質(zhì)為粉土，含水率為40.6%～78.5%，密度范圍為1.22～1.69 g/cm3，顆粒d50為45.15 μm，是營養(yǎng)鹽的積蓄庫. 懸濁水層密度接近水，含固率介于0.3～30 g/L之間，有機(jī)質(zhì)和TP含量最高，具有很強(qiáng)的遷移性.

3)就3種底泥物質(zhì)而言，粉質(zhì)硬黏土對水質(zhì)影響最小. 淤泥質(zhì)粉土儲存了大量的營養(yǎng)鹽，是太湖潛在的風(fēng)險源. 懸濁水層顆粒中生物可利用磷含量是同點(diǎn)位淤泥質(zhì)粉土的5～10倍，同時有著更易發(fā)生營養(yǎng)鹽交換的條件，是影響水質(zhì)的直接物質(zhì).

4)太湖底泥的垂向存在4種結(jié)構(gòu)，其中Ⅰ型、Ⅱ型結(jié)構(gòu)對水的影響較小，Ⅲ型、Ⅳ型是易于釋放的結(jié)構(gòu)，是太湖生態(tài)風(fēng)險的潛在因子.