湖泊科学   2022, Vol. 34 Issue (3): 804-815.  DOI: 10.18307/2022.0302
0

研究论文—生物地球化学与水环境保护

引用本文 [复制中英文]

侯豪, 朱伟, 许小格, 薛宗璞, 程林, 太湖底泥垂向构成类型及底泥-水界面组成物质. 湖泊科学, 2022, 34(3): 804-815. DOI: 10.18307/2022.0302
[复制中文]
Hou Hao, Zhu Wei, Xu Xiaoge, Xue Zongpu, Cheng Lin. Investigation on vertical composition type of the sediment and the composition of the sediment-water interface in Lake Taihu. Journal of Lake Sciences, 2022, 34(3): 804-815. DOI: 10.18307/2022.0302
[复制英文]

基金项目

江苏省科技计划项目(BE2018737)和江苏省研究生培养创新工程研究生科研创新计划项目(B200203049)联合资助

通信作者

朱伟, E-mail: weizhu863@126.com

文章历史

2021-08-04 收稿
2021-11-08 收修改稿

码上扫一扫

太湖底泥垂向构成类型及底泥-水界面组成物质
侯豪1 , 朱伟2 , 许小格2 , 薛宗璞3 , 程林2     
(1: 河海大学土木与交通学院,南京 210098)
(2: 河海大学环境学院,南京 210098)
(3: 河海大学水文水文水资源学院,南京 210098)
摘要:针对太湖中底泥-水界面上物质的状态、性质及其对水质的影响问题,本文通过对太湖8个湖区39个采样点的现场调查取样和实验室检测,分析太湖底泥状态和垂向上的构成、不同区域底泥-水界面物质的差异及底泥与磷释放和湖泛之间的关系. 结果表明:太湖底泥-水界面上存在3种物质:粉质硬黏土、淤泥质粉土和悬浊水层. 粉质硬黏土(硬底板)是太湖形成前的沉积物,全湖普遍存在,并于湖心区等部位直接裸露;淤泥质粉土是太湖湖相历史形成的沉积物,覆盖了约68 % 的湖底面积而直接与水接触;悬浊水层在近些年输入颗粒物比较多的区域出现. 太湖底泥的垂向存在4种结构,其中Ⅰ型、Ⅱ型结构对水的影响比较小,Ⅲ型、Ⅳ型是易于释放的结构,是磷释放的潜在风险类型. 本次调查发现的悬浊水层中有机质和总磷的含量很高,出现位置与湖泛发生区吻合,是对太湖水质产生较大影响的物质.
关键词太湖    底泥    底泥-水界面    底泥结构    悬浊水层    湖泛    
Investigation on vertical composition type of the sediment and the composition of the sediment-water interface in Lake Taihu
Hou Hao1 , Zhu Wei2 , Xu Xiaoge2 , Xue Zongpu3 , Cheng Lin2     
(1: College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, P.R.China)
(2: College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, P.R.China)
(3: College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, P.R.China)
Abstract: The research was conducted on the states and properties of the substances near the sediment-water interface (SWI) in Lake Taihu and its potential impact on water quality by field sampling and laboratory testing at 39 sampling sites in eight regions of Lake Taihu. This paper analyzed the states and vertical composition of sediments, especially the substances near the SWI in different regions, and the relationship between the sediments, phosphorus release and outbreak potential of black bloom. The results indicated that three types of substances exist on the SWI of Lake Taihu: silty hard clay, soft silt and suspended layer. Silty hard clay is a ubiquitous basement sediment in the whole lake, which is directly exposed in the central area and the other parts of the lake. Soft silt is a sediment formed in the lacustrine facies' history, covering 68 % of the bottom and directly contacting with surrounding water. Suspended layer appears in areas having higher particulate matter input in recent years. Among four types of vertical structures of the sediment, type Ⅰ and type Ⅱ have relatively limited impact on the water, while type Ⅲ and type Ⅳ are easy to release nutrients into water. In this research, high content of organic matter and total phosphorus were found in the suspended layer. The location of the suspended layer was consistent with the black bloom area, which indicates that the suspended layer has negative influence on the water quality in Lake Taihu.
Keywords: Lake Taihu    sediment    sediment-water interface    sediment structure    suspended layer    black bloom    

太湖位于长三角地区中心地带,是中国第三大淡水湖泊,近20年深受富营养化导致的蓝藻水华影响[1]. 2007年爆发了水危机事件,无锡200多万人的用水受到影响[2]. 随着大力度太湖综合治理工作的进行,截止2015年太湖水质各项指标均向好发展,但2016年以来,太湖总磷(TP)浓度出现反弹现象,2017年水华面积更是达到1403 km2[3]. 此外,对用水及湖泊生态具有破坏性影响的湖泛现象在2009--2018年期间共发生75起,且2017和2018年湖泛发生频次、天数、面积和持续时间均有增加的趋势[4].

研究表明磷反弹和湖泛都与底泥有着一定的关系. 一些研究认为底泥中的N、P、有机质等物质含量过高,在一定条件下会向上覆水中释放[5],其释放数量相当可观[6-8]. 而底泥表面存在死亡沉降的微囊藻残体,会对湖泛的发生起重要作用[9-10]. 当外源污染经截污或生态修复等举措得到有效控制时,内源污染物的释放会推迟湖泊水质恢复,延缓湖泊富营养化的治理效果[11]. 为了清除受污染的底泥,太湖已经实施了局部的环保疏浚工程. 2008--2012年间,竺山湖、梅梁湖、贡湖和东太湖等区域累计清除污染底泥3910万m3[12],后续的环保疏浚工程也在论证之中. 但也有一些学者认为清淤疏浚对改善太湖水质、抑制蓝藻水华和遏制湖泛的作用较小[13-14]. 一方面底泥中积累的污染物释放必然会导致水质恶化;另一方面太湖面积巨大,局部的疏浚对整体的影响难以评价. 这些争议发生的原因是既不能准确、定量地对底泥释放量做出计算,也不能准确、定量地对环保疏浚的效果做出评价. 为了解决这些工程问题,必须了解污染物的释放位置、释放量以及提供湖泛发生物质的底泥类型. 虽然关于太湖底泥以及水-泥界面方面的研究很多,但由于太湖空间尺度太大,且各种实验计算方法存在很大的差异,所以要更加接近实际情况地反映太湖底泥以及底泥-水界面情况,必须对太湖底泥状态及底泥-水界面组成物质进行详细的实地调查. 掌握底泥、底泥表面、底泥接触水层的实际状态. 明确太湖底泥-水界面的垂向结构,这对于揭示底泥与水质之间的关系,指导高效的底泥环保疏浚都具有十分重要的意义.

现有研究对底泥形态、释放已经有很多认知. 孙顺才等[15]采用GPY型浅地层剖面仪,配合一系列深钻和浅钻获得了太湖湖盆的基本地质构造特征;范成新等[16]采用竹竿插深法、贾更华等[17]利用荷兰SILA走航式水深测量系统、陈荷生[18]进行了太湖湖区的底泥探测、沈吉等[19]使用StrataBox浅水剖面测深系统分别对太湖的底部状态及底泥的分布和厚度进行了研究. 这些调查得到一些共同的认知:太湖底泥主要有两种物质,致密坚硬的黄色黏土层(以下称为粉质硬黏土)是太湖古代冲积形成的,其上部覆盖湖相沉积的处于流塑性状态的软泥层(以下称为淤泥质粉土). 淤泥质粉土层的分布区域约占整个湖底面积的47.5 % ~69.84 %,主要沿湖西部呈带状分布,并延伸至西北部湖区. 而在湖心区、贡湖西岸等区域底部,粉质硬黏土直接裸露,即俗称的“硬底板”. 不同区域粉质硬黏土的性质差异不大,但因为与入湖河道的距离、风生流扰动强度上的差异,不同区域淤泥质粉土会出现在颗粒组成、化学物质含量上的差异.

关于太湖底泥释放量方面,秦伯强等[6]的研究认为在大型浅水湖泊中,频繁的风浪等动力条件造成沉积物表层的颗粒物出现动力悬浮,同时孔隙水中的营养盐向水中释放,沉积物年均向水中释放磷899 t. 逄勇等[20]计算出风生流扰动造成年均释放进入水体的总磷约275.5 t;胡开明等[21]通过建立底泥再悬浮通量、风速、静沉降通量之间的关系,估算了太湖内源释放通量约为564.35 t;范成新等[22]基于沉积物释放试验估算每年太湖底泥-水界面磷的净通量为(899.4±573.6) t. 一方面各个研究计算所得的释放量之间差异很大,另一方面实际上太湖水中动态赋存磷的量在500 t左右[23],可见底泥释放量的研究和实际情况尚有较大的差异. 而除了计算或模拟方法中的问题以外,对太湖不同区域、不同底泥-水界面实际状态的差异了解不够也是出现差异的根源之一.

除底泥释放以外,底泥表面物质与湖泛的发生有着密切联系. 经沉积赋存在底泥表面的藻类、水草等生物质死亡经过有氧和厌氧分解,会成为湖泛发生的物质基础[24],而富含有机质的污染底泥是湖泛发生的直接物质来源[25],尤其是表层底泥中丰富的有机质、Fe、S等元素,是黑臭形成的关键物质[26]. 虽然这些研究都聚焦底泥表层物质,认为这些物质在动力扰动下发生悬浮,在微生物、营养盐和合适的环境共同作用下会形成湖泛,但对太湖底泥表面以及上覆水层中物质的数量、构成、性质、区域差异进行实际调查的研究相对缺少.

综上所述,太湖底部的底泥状态、垂向上和水的接触带差异、底泥-水界面附近的物质构成差异都是应该明确的问题.

本文使用5种采样方法对太湖全湖分区布点采样,重点针对底泥-水界面的物质进行观察、采样和检测分析,明确太湖底泥垂向结构、空间分布差异以及底泥-水界面物质,以期为理解太湖底泥状态、解释太湖磷现象和湖泛发生机理提供参考.

1 样品与方法 1.1 样品采集 1.1.1 采样时间及点位布置

全湖调查采样于2020年10月15--20日进行,为便于采样,将太湖划分为东部沿岸区(E1~E4)、东太湖(ET1~ET3)、贡湖(G1~G5)、湖心区(L1~L12)、梅梁湖(M1~M5)、南部沿岸区(S1~S4)、西部沿岸区(W1~W2)和竺山湖(Z1~Z4)8大湖区,共布设39个采样点,湖区划分及点位分布如图 1所示. 并于2021年6月针对贡湖、梅梁湖、竺山湖和湖心区的底泥类型进行了复测,复测布点见图 1b.

图 1 湖区划分与采样点位置(a)和补充测点底泥状态(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 采样方法

为了明确不同位置淤泥质粉土厚度、底泥-水界面的状态和底泥表层物质,采用木质探钎、柱状采样器、彼得森抓泥斗、洛阳铲和采水器在同一点同时进行了现场采样. 采样时先使用木质探钎探测点位是否存在淤泥质粉土,在存在淤泥质粉土层的点位使用φ60 mm×500 mm柱状采样器在尽量不扰动底泥的情况下采集水-底泥柱,从柱状样中得到界面下10 cm以内底泥和底泥-水界面上覆水的样品. 钎探发现底部无淤泥质粉土或淤泥质粉土很薄的点位,使用彼得森式抓泥斗多次抓取表层物质,并使用φ80 mm的洛阳铲采集下部硬塑性黏土样品,使用亚克力水样采样器采集界面上覆水. 现场拍照记录样品状态后通过虹吸管将柱状采样器中上覆水抽至采样瓶中,底泥样品置于保鲜盒中,所有样品冷藏运输至实验室进行检测.

1.1.3 分析方法

为了明确不同位置和状态底泥的物理化学性质差异,分别对底泥的密度、含水率、有机质、粒径、TP和上覆水的浊度、部分点位的磷形态进行测定. 底泥的密度、含水率、有机质测定参照《湖泊沉积物调查规范》[27]进行,颗粒分析采用马尔文公司生产的Malvern Mastersizer 2000型激光粒度仪测定,浊度使用上海悦丰SGZ-200A型浊度仪进行测定,底泥TP采用高氯酸-硫酸法消解、岛津UV-2450紫外分光光度计测定. 磷形态的测定方法为改进磷元素分级连续提取法. 采集到的上覆水经0.43 μm玻璃纤维滤膜,取滤膜上颗粒进行测定.

2 结果 2.1 底泥-水界面垂向构成类型

在现场采样和其后的检测过程中可以明显地发现,太湖底泥-水界面附近自下而上为:粉质硬黏土、淤泥质粉土(这两层为底泥). 上覆水层在接近底泥表面的部分存在悬浊水层,本次调查范围内悬浊水层的厚度为20~50 cm. 同时,对于粉质硬黏土使用洛阳铲采样,可得到较为完整的表面状态,观察发现大多数呈坚硬、表面光滑、附着有贝类和螺类等底栖生物的状态. 这些物质的接触方式在不同位置出现差异,出现了4种情况. 根据底泥-水界面附近的垂向接触结构可以将其分为如图 2所示的4种类型. Ⅰ型:底部为淤泥质粉土,上部直接接触水,底泥和水之间具有明显的界面. Ⅱ型:底部为粉质硬黏土,上部直接接触水,底泥和水之间具有明显的界面. 但这种结构的硬塑性黏土的表面有时候会有很薄(< 1 cm)的一层沉淀物,在多次采用抓斗采集时可以得到少许,取出后多为灰黑色有机质含量较高的泥状物,有时能够明显看到较多的微囊藻颗粒赋存. 表层沉淀物在湖心等风浪较大的区域采集不到,一些区域似乎不存在这一物质. Ⅲ型:底部为淤泥质粉土层,中部为悬浊水层,上部为水. 悬浊水层和淤泥质粉土层之间能分辨界面,但与上覆水之间处于过渡状态. Ⅳ型:底部为粉质硬黏土,中部为悬浊水层,上部为水. 同样,悬浊水层和粉质硬黏土之间能分辨界面,但与上覆水之间处于过渡状态.

图 2 底泥-水界面状态观测 Fig.2 The sediment-water interface state of Lake Taihu

这4种类型的垂向结构见图 3. 粉质硬黏土广泛存在于全湖底部,为早期冲积形成,而淤泥质粉土为太湖近代湖湘沉积物. 湖相沉积物受到入湖河道输运颗粒物质及湖内沉降环境,尤其是风生流动力扰动强弱的影响在有些位置形成. 悬浊水层的形成可能是由于水中各种颗粒物沉降在底泥表面,但这些颗粒物尚未与底泥之间建立结构关系,在风生流扰动下会发生悬浮. 因此,悬浊水层的厚度可能与表面沉淀的颗粒物以及紊流扰动的强度有关. 沉淀颗粒物在扰动强时悬浮形成悬浊水层,扰动弱时可能沉降在底泥的表面. 在粉质硬黏土表面发现的薄层沉淀物质也会在扰动强烈时悬浊. 可以认为,悬浊水层的厚度是根据风生流的扰动动态消长的,本次调查的结果与采样时的动力学过程存在一定的关系. 本次调查得到的底泥-水界面上的垂向结构类型分布状态见图 1:Ⅰ型主要出现在沿岸和湖湾区域,Ⅱ型出现在湖心区,Ⅲ型主要出现在竺山湖和湖心区,Ⅳ型在贡湖西侧、湖心区和梅梁湖北侧均有分布.

图 3 太湖底泥垂向构成 Fig.3 Vertical composition of sediments in Lake Taihu
2.2 底泥-水界面物质的性质

对现场采集到的粉质硬黏土、淤泥质粉土和悬浊水层进行了物理性质和环境指标的检测. 主要检测指标为含水率、密度、TP和有机质含量,并在北部3个湖湾各取一个点位进行了磷形态的测定.

2.2.1 粉质硬黏土

粉质硬黏土表观为褐黄色,土质紧密. 含水率为17.8 % ~26.3 %,密度为1.738~1.908 g/cm3(图 4). 使用液塑限联合测定仪76 g圆锥测出的锥入深度为0.9~1.9 mm,处于固态范围,使用贯入笔测得强度范围为45.2~63.8 kPa,较为坚硬. 将粉质硬黏土置于水中浸泡后使用搅拌机搅散,过2 mm筛去除河蚬贝壳等杂质后进行颗粒分析. 采用湖泊沉积学中伍登-温特华斯(Udden-Wentworth)的方法[28-29],以4 μm和64 μm区分黏土颗粒和粉土颗粒,得到粉质硬黏土泥粒径组成(图 5). 结果表明,粉质硬黏土组成中,黏土颗粒占20 % 左右,粉土颗粒含量最高,各点位的粉粒含量均在一半以上,中值粒径(d50)为13.50 μm,属于粉质黏土. 各点位粉质硬黏土有机质含量均在5 % 左右,湖区间的差异不明显. 粉质硬黏土的TP含量为162.6~428.2 mg/kg,平均水平上,梅梁湖粉质硬黏土的TP水平比贡湖和湖心区略高(图 6).

图 4 粉质硬黏土底泥的含水率、密度 Fig.4 Moisture content and density of silty hard clay
图 5 粉质硬黏土粒径组分 Fig.5 Particle size components of silty hard clay
图 6 粉质硬黏土有机质与总磷含量(水平虚线表示总磷含量均值) Fig.6 Organic matter and total phosphorus content of silty hard clay
2.2.2 淤泥质粉土

淤泥质粉土的含水率范围为40.6 % ~78.5 %,平均值为55.3 %,密度范围为1.22~1.69 g/cm3(图 7). 从表观上来看,淤泥质粉土整体为深褐色、灰色,有些位置表面可能因处于氧化环境而呈现灰黄色. 各点位液塑限锥入深度均在17 mm以上,处于液态范围.

图 7 淤泥质粉土含水率和密度 Fig.7 Moisture content and density of soft silt

图 8可以看出,淤泥质粉土的组成中黏土颗粒占比为3.33 % ~7.59 %;多为粉土颗粒,砂土颗粒含量较硬塑性黏土明显升高,2/3的点位超过25 %,平均d50为45.15 μm,属于粉土. 与硬塑性黏土相比,淤泥质粉土的黏土颗粒偏少. 从图 9可以看出,淤泥质粉土的有机质范围为2.5 % ~8.9 %,均值为4.86 %,TP含量范围为297.7~734.9 mg/kg,均值为515.5 mg/kg. 与硬质黏土相比,淤泥质粉土的有机质变化范围大,湖湾区的一些点位达6 % ~8 %,从分布规律上看,有机质含量高的区域TP含量也较高. 空间分布上西北部湖区淤泥质粉土有机质和TP含量高于东南部湖区,竺山湖有机和TP含量为全湖最高,南部湖区有机质含量最低,湖心区TP含量最低.

图 8 淤泥质粉土粒径组分构成 Fig.8 Particle size components of soft silt
图 9 淤泥质黏土的有机质与总磷含量(水平虚线表示总磷含量均值) Fig.9 Organic matter and total phosphorus content of soft silt
2.2.3 悬浊水层

现场采集到各点位界面上水的浊度值如图 10所示,不同点位上覆水的浊度有较大差异,一些点位的浊度超过400 NTU,此时上覆水中可以观察到明显的悬浊现象(如图 2中Ⅲ、Ⅳ所示),含大量悬浊颗粒. 起初将这一象与常说的“浮泥”关联,但由于其物质组成中绝大多数是水,更接近于液体的状态,故定义为“悬浊水层”. 由于浊度在悬浊水层的不同位置有所差异,采样时先将上部的清水倒出,后取出悬浊水层进行浊度测定,得到其平均浊度. 无悬浊水层时,底泥-水界面上覆水的浊度在100 NTU左右,而悬浊水层出现的点位浊度远大于100 NTU,最高达816 NTU(图 10).

图 10 底泥-水界面上覆水浊度 Fig.10 Water turbidity of the sediment-water interface

从出现悬浊水层点位的区域分布来看,贡湖湾、湖心区和竺山湾悬浊水层出现较为集中,东太湖、东部、南部湖区并未发现. 悬浊水层的密度在1.005~1.014 g/cm3之间,与水的密度相差很小,固体悬浮物(SS)含量在0.361~2.755 g/L之间(图 11). 在这样的性质下,悬浊水层表现出不稳定的特点,紊流扰动强烈就会产生,水静止即发生沉降. 悬浊颗粒的粒径分布如图 12所示,其中砂含量均值为10.94 %,对比淤泥质粉土的32.81 % 下降明显,粉粒占比达72.31 % ~82.32 %,而粒径小于4 μm的粘粒占比为6.35 % ~19.33 %. d50为31.34 μm,与粉质硬黏土和淤泥质粉土相比,悬浊颗粒中粘粒和粉粒的占比更高.

图 11 悬浊水层密度和固体悬浮物含量 Fig.11 Density and suspended solid of suspended layer
图 12 悬浊水层粒径分布 Fig.12 Particle size components of suspended layer

悬浊水层颗粒的有机质含量在6.14 % ~13.62 % 之间,空间上西北部的竺山湖和北部的贡湖高,湖心区稍低. 与表层沉积物相比,悬浊水层颗粒的有机质含量平均高出4 % (图 13a). 对悬浊水层中颗粒物进行显微镜观察发现,可以区分的颗粒物中无机颗粒物为黑色不透明的黏土矿物类颗粒,有机颗粒物中可以区分的有一些藻类颗粒,半透明的有机碎屑,也有一些颗粒物形成絮团,似乎为絮凝在一起的有机和无机颗粒(图 13b).

图 13 悬浊水层与表层沉积物有机质含量的对比(a)和悬浊颗粒显微照片(b) Fig.13 Comparison of organic matter content between suspended layer and surface sediments (a) and photomicrograph of suspended particles (b)

为了研究同点位悬浊颗粒和淤泥质粉土磷含量和形态的差异,在北部的3个湖湾各选择了1个典型点,对悬浊颗粒中磷的含量和形态进行了测试,并与同点位表层底泥进行了对比. 从图 14a可以看出,悬浊颗粒的TP含量范围为484.45~775.15 mg/kg,3个湖湾的相比,竺山湾的Z1点位TP含量最高,贡湖的G5点位最低. 从形态上看,悬浊颗粒TP中Org-P和De-P的占比最大,且悬浊颗粒中Org-P含量是同点位表层沉淀物的2~5倍. 一般认为生物可利用的磷主要为结合势较小的Ex-P、Al-P和Fe-P,因此这3种形态磷含量增加会对水质造成潜在威胁. 悬浊颗粒的无机可交换态磷(Ex-P)含量是表层沉淀物的数十倍(图 14b),在浓度差、水动力扰动等因素的作用下,Ex-P容易脱离颗粒进入水体,造成水体溶解态磷的增加,而悬浊颗粒存在的低含固率以及易受扰动的环境为这一过程提供了有利条件. 与表层沉淀物相比,悬浊颗粒可能对水质的危害更大.

图 14 各形态磷含量(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 讨论 3.1 太湖底泥-水界面物质状态与形成机理

太湖底泥-水界面上存在粉质硬黏土、淤泥质粉土和悬浊水层3种物质. 粉质硬黏土在湖底普遍存在,是整个太湖界面的基底,属于陆相沉积[30-31]. 一些区域会有淤泥质粉土对粉质硬黏土形成覆盖,而另一些区域硬黏土直接裸露. 粉质硬黏土沉积时间久、密度大、强度高. 淤泥质粉土是新近沉积的底泥,主要分布在西部沿岸和东部、南部地区. 胡思远[32]的研究表明,粉质硬黏土并不向水中释放磷也不吸附磷,对水质的影响微小,而一般的环保疏浚工程也不将这一层位作为疏浚对象. 关于太湖底部粉质硬黏土(俗称硬底板)的直接裸露学者是认可的,但是裸露的位置和范围鲜有明确的记载.

收集与底泥分布的相关文献数据(图 15)可以看到,1996年日本JICA[33]对太湖进行过一次底泥调查,这个调查圈出了淤泥质粉土厚度>0.2 m的位置,可以看出太湖一半以上的位置淤泥质粉土厚度 < 0.2 m. 而使用柱状采样器在淤泥质粉土厚度 < 0.2 m的位置难以取到样品,因此可以认为该调查中淤泥质粉土厚度 < 0.2 m的范围内存在大量粉质硬黏土(硬底板)直接裸露的区域. 范成新等[16]在2000年绘制了太湖底泥分布图,以0~2 m划分底泥等厚线,可认为0~2 m范围内存在粉质硬黏土(硬底板)裸露. 2004年罗潋葱等[31]也绘制了分布图,但等厚线采用0.5 m间隔,难以判定硬底的详细范围. 2007年范成新等[34]的调查圈出了0~0.1 m的底泥等厚线,从制图采用内插法绘制等厚线的角度来看,0~0.1 m的范围非常接近粉质硬黏土(硬底板)直接裸露的区域. 此后,2019年受江苏省水利厅委托,上海勘测设计研究院对太湖底泥进行调查,给出了0~0.1 m等厚线的位置[35],应该比较接近粉质硬黏土(硬底板)直接裸露区域. 将1996年JICA绘制的 < 0.2 m,2007年范成新等绘制的0~0.1 m以及2019年太湖底泥调查得到的0~0.1 m区域叠在一张图上,得到图 15f. 在图 15f中 < 0.1 m的重叠区域布点探测,17个探测点均为硬塑性黏土(硬底板),如果底泥厚度 < 0.1 m的范围都处于硬底板的状态,这个范围占总太湖面积的32 % 左右(755 km2).

图 15 文献中底泥分布情况比较 Fig.15 Comparison of sediment distribution in the literatures

淤泥质粉土含水率高,黏土颗粒与粉土颗粒含量总和超过75 %,属于细颗粒土,土力学对其物理性质描述为“可塑-流塑状态”,也称为“流塑性粉土或软塑性粉土”. 工程界常称其为“流泥”,表示含水率高、达到流塑性状态. 由于经常会被误解成为“流动的泥”,所以本文中使用“淤泥质粉土”. 如果要表达其含水率高和处于半固态且具有发生流塑性变形性质,可以用“软塑性淤泥质粉土”进行描述. 淤泥质粉土是太湖形成淡水湖泊后入湖水携带(部分也来自湖泊自身的生产)的颗粒物沉降并发生固结后形成的新近沉积物. 因为颗粒之间已经具有土体的结构,属于固体-半固体物质,应该不具有在风生流、湖泊流场作用下整体发生位移(或流动)的性质. 但表面堆积的一些松散颗粒物会受到风生流扰动、冲刷而悬浮、运动,本文把这些物质划入“悬浊水层”. 淤泥质粉土的分布大多数与水的入湖位置有关,西北部占太湖入湖水量的70 % 以上,所以在西北部湖湾、西部沿岸沉积、西南部广泛发育淤泥质粉土带. 贡湖入湖水量小、入湖颗粒物也偏少,所以只在中心古河道和近岸带探测到淤泥质粉土,当然近些年的环保疏浚工程也是该区域缺失淤泥质粉土的重要因素之一. 而湖心区由于风生流紊流扰动强烈,使颗粒物难以沉降到湖底形成沉积层,所以大多数区域为粉质硬黏土(硬底板)直接裸露的状态. 但是在水草茂密的东太湖、贡湖南侧一般都能探测到淤泥质粉土,这与水草本身具有减少水流紊动从而促淤的原理[36]有一定的关系.

悬浊水层主要是由于颗粒物的存在而发生的. 静止状态下如果水中颗粒物较多就会沉降在底泥表面形成薄层,这些颗粒物包括泥沙颗粒、有机碎屑、藻类残体等物质. 由于这些颗粒物和已经沉积成土的底泥之间尚未建立起结构关系,即土力学中所说的未固结形成有效应力,因此在风生流的扰动下可以悬浊进入水中,这应该是悬浊水层的成因. 由于湖泊永不止息的紊动,很多悬浊颗粒处于沉降-悬浮的变化过程中,小的风浪只能起动小的颗粒,大的风浪可以起动大的颗粒,故大颗粒在底泥床底停留的时间较多,小的颗粒悬浮在水中的时间较多. 大颗粒停留时间长后与底层建立起结构或被后来的颗粒覆盖而成为淤泥质粉土的一部分. 悬浊颗粒物在风生流紊动影响下悬浮,紊动的强度越大参与悬浊的表面物质越多、悬浮的位置越高. 因此,同样的位置在不同的风浪下观测到的悬浊水层厚度也会发生变化.

3.2 底泥-水界面物质构成差异

粉质硬黏土的颗粒比较细小、含水率低、密度大、TP和有机质含量低,且这些性质在全湖空间上的差异比较小. 淤泥质粉土分布范围广,平均粒径比粉质硬黏土大,含水率高,密度小,有机质和营养盐的含量也比同湖区的粉质硬黏土高,但空间上差异显著,西北部的竺山湖、西部沿岸有机质和TP含量都比湖心区、南太湖和东太湖要高. 悬浊水层含固率低,但悬浊颗粒TP和有机质含量为3种物质中最高的,尤其是生物可利用磷含量是淤泥质粉土的数十倍,显然与目前入湖河流带来的颗粒物以及湖内生产有着密切关系. 就这3层物质构成的4种垂向结构而言,Ⅱ型受到近代(近百年)沉积的影响很小,其污染也较小,结构相对稳定. 而Ⅰ型和Ⅲ型的发育,尤其是淤泥质粉土的形成与近代沉积有很大关系,表层部分的有机质与营养盐显然与近代的富营养化有关. Ⅲ型与Ⅳ型尤其是表层悬浊颗粒物的发育,与近些年(近10年)的输入有明显的的关系,颗粒物高有机质和TP含量也能折射出这个时期的湖泊环境.

3.3 底泥-水界面物质、结构与磷释放的关系

一般认为底泥-水界面是底泥与水进行物质交换的主要位置,而界面物质决定着交换关系. 从太湖的界面物质来看,粉质硬黏土形成早、营养盐含量低、密度大,不会向水中释放大量营养盐[32]. 淤泥质粉土有些也已形成很长历史[37],但近10年沉积的表层物质和有机质、营养盐含量高的区域具有向水中释放营养盐的潜力,这种释放受到底泥-水之间营养盐浓度梯度以及外源补给平衡关系的影响,目前的状态很难一概而论. 淤泥质粉土中积累了大量的营养盐,是一个积蓄库,一旦太湖水质改善、外源减少,这些积蓄物质大量释放的状况也有可能出现,长期来看是太湖存在的富营养隐患. 悬浊水层在动力作用下频繁在底泥-水之间转化,悬浊物本身又富含有机物和营养盐,在悬浊过程中颗粒吸附的营养盐会向水中释放、消耗溶解氧、并且把底部厌氧环境下的Fe、Mg离子带入水中,应该是底泥释放的主要物质基础. 就底泥垂向结构而言,Ⅰ型、Ⅱ型结构对水的影响比较小,目前来看Ⅲ型、Ⅳ型是新近物质转化入底泥的位置,也是释放易于发生的结构. 从治理的角度,如果能够把悬浊水层或者表层易悬浮颗粒物去除,对于太湖营养盐的控制应该有较好的效果.

4 结论

1) 太湖底泥-水界面上有3种物质:粉质硬黏土(硬底板)是全湖普遍存在的基底沉积物,在湖心区等部位直接裸露,占总太湖面积的32 % 左右;淤泥质粉土分布在入湖区沿岸和湖湾区,是湖相历史形成的沉积物,覆盖了68 % 左右的湖底而直接与水接触;悬浊水层在近些年输入颗粒物比较多的区域出现. 尚未与底泥产生结构联系的颗粒物在静止时沉降在底泥表面,风浪作用时悬浊起来,风浪越大悬浊的范围越大.

2) 粉质硬黏土土质为粉质黏土,含水率为17.8 % ~26.3 %,密度范围为1.738~1.908 g/cm3d50为13.50 μm,有机质和TP含量较低. 淤泥质粉土土质为粉土,含水率为40.6 % ~78.5 %,密度范围为1.22~1.69 g/cm3,颗粒d50为45.15 μm,是营养盐的积蓄库. 悬浊水层密度接近水,含固率介于0.3~30 g/L之间,有机质和TP含量最高,具有很强的迁移性.

3) 就3种底泥物质而言,粉质硬黏土对水质影响最小. 淤泥质粉土储存了大量的营养盐,是太湖潜在的风险源. 悬浊水层颗粒中生物可利用磷含量是同点位淤泥质粉土的5~10倍,同时有着更易发生营养盐交换的条件,是影响水质的直接物质.

4) 太湖底泥的垂向存在4种结构,其中Ⅰ型、Ⅱ型结构对水的影响较小,Ⅲ型、Ⅳ型是易于释放的结构,是太湖生态风险的潜在因子.

5 参考文献

[1]
Qin BQ, Xu PZ, Wu QL et al. Environmental issues of Lake Taihu, China. Hydrobiologia, 2007, 581(1): 3-14. DOI:10.1007/s10750-006-0521-5
[2]
Qin BQ, Zhu GW, Gao G et al. A drinking water crisis in Lake Taihu, China: Linkage to climatic variability and lake management. Environmental Management, 2010, 45(1): 105-112. DOI:10.1007/s00267-009-9393-6
[3]
Zhu W, Chen HM, Wang RC et al. Analysis on the reasons for the large bloom area of Lake Taihu in 2017. J Lake Sci, 2019, 31(3): 621-632. [朱伟, 陈怀民, 王若辰等. 2017年太湖水华面积偏大的原因分析. 湖泊科学, 2019, 31(3): 621-632. DOI:10.18307/2019.0302]
[4]
Xin HR, Zhu GW, Wang XS et al. Variation and driving factors of black water event intensity in Lake Taihu during 2009 to 2018. Environmental Science, 2020, 41(11): 4914-4923. [辛华荣, 朱广伟, 王雪松等. 2009--2018年太湖湖泛强度变化及其影响因素. 环境科学, 2020, 41(11): 4914-4923. DOI:10.13227/j.hjkx.202004172]
[5]
Zhou J, Han XX, Qin BQ et al. Responses of alkaline phosphatase activity to wind-driven waves in a large, shallow lake: Implications for phosphorus availability and algal blooms. Journal of Environmental Sciences, 2021, 99: 143-150. DOI:10.1016/j.jes.2020.06.022
[6]
Qin BQ, Fan CX. Exploration of conceptual model of nutrient release from inner source in large shallow lake. China Environmental Science, 2002, 22(2): 150-153. [秦伯强, 范成新. 大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨. 中国环境科学, 2002, 22(2): 150-153. DOI:10.3321/j.issn:1000-6923.2002.02.013]
[7]
Søndergaard M, Kristensen P, Jeppesen E. Phosphorus release from resuspended sediment in the shallow and wind-exposed Lake Arresø, Denmark. Hydrobiologia, 1992, 228(1): 91-99. DOI:10.1007/BF00006480
[8]
Boström B, Andersen JM, Fleischer S et al. Exchange of phosphorus across the sediment-water interface. Hydrobiologia, 1988, 170(1): 229-244. DOI:10.1007/BF00024907
[9]
Fan CX. Progress and prospect in formation of black bloom in Lake Taihu: A review. J Lake Sci, 2015, 27(4): 553-566. [范成新. 太湖湖泛形成研究进展与展望. 湖泊科学, 2015, 27(4): 553-566. DOI:10.18307/2015.0401]
[10]
Zhang WZ, Gu P, Zhu WJ et al. Effects of cyanobacterial accumulation and decomposition on the microenvironment in water and sediment. Journal of Soils and Sediments, 2020, 20(5): 2510-2525. DOI:10.1007/s11368-019-02539-5
[11]
Wu YH, Wen YJ, Zhou JX et al. Phosphorus release from lake sediments: Effects of pH, temperature and dissolved oxygen. KSCE Journal of Civil Engineering, 2014, 18(1): 323-329. DOI:10.1007/s12205-014-0192-0
[12]
Shan YS, Shen AC, Liu C. Discussions on bottom mud dredging of the Taihu Lake. China Water Resources, 2018(23): 11-13. [单玉书, 沈爱春, 刘畅. 太湖底泥清淤疏浚问题探讨. 中国水利, 2018(23): 11-13. DOI:10.3969/j.issn.1000-1123.2018.23.007]
[13]
Pu PM, Wang GX, Hu CH et al. Can we control lake eutrophication by dredging?. J Lake Sci, 2000, 12(3): 269-279. [濮培民, 王国祥, 胡春华等. 底泥疏浚能控制湖泊富营养化吗?. 湖泊科学, 2000, 12(3): 269-279. DOI:10.18307/2000.0312]
[14]
Hu XD, Zhang JH, Wu PP et al. Nitrogen and phosphorus release-based study on time-effect of eco-dredging. Water Resources and Hydropower Engineering, 2016, 47(10): 58-61, 72. [胡晓东, 张建华, 吴沛沛等. 基于氮、磷释放的太湖生态清淤时间效应研究. 水利水电技术, 2016, 47(10): 58-61, 72. DOI:10.3969/j.issn.2095-0144.2016.10.016]
[15]
Sun SC, Wang SM, Zheng CS. The geomorphology andsedtmentology of lake in China. J Lake Sci, 1989, 1(1): 12-20. [孙顺才, 王苏民, 郑长苏. 中国湖泊地貌与湖泊沉积学研究概况. 湖泊科学, 1989, 1(1): 12-20. DOI:10.18307/1989.0102]
[16]
Fan CX, Liu YB, Chen HS. Approach on estimating storage sludge in Lake Taihu and its distributing characteristics. Shanghai Environmental Sciences, 2000, 19(2): 72-75. [范成新, 刘元波, 陈荷生. 太湖底泥蓄积量估算及分布特征探讨. 上海环境科学, 2000, 19(2): 72-75.]
[17]
Jia GH, Yuan HZ. Application and practice ofholand SILAS subbottom sediment characterization system in Taihu Lake sediment measurement. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 2005, 11(9): 521-523. [贾更华, 袁洪州. 荷兰SILAS走航式适航水深测量系统在太湖底泥测量中的应用与实践. 水利科技与经济, 2005, 11(9): 521-523. DOI:10.3969/j.issn.1006-7175.2005.09.004]
[18]
Chen HS. Eco-dredging project of sediment in Taihu Lake. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2004, 24(6): 34-37, 54-72. [陈荷生. 太湖底泥的生态疏浚工程. 水利水电科技进展, 2004, 24(6): 34-37, 54-72. DOI:10.3880/j.issn.1006-7647.2004.06.010]
[19]
Shen J, Yuan HZ, Liu EF et al. Spatial distribution and sequence characteristics of surface sediments in Lake Taihu. Chinese Science Bulletin, 2010, 55(36): 3516-3524. [沈吉, 袁和忠, 刘恩峰等. 太湖表层沉积物的空间分布与层序特征分析. 科学通报, 2010, 55(36): 3516-3524.]
[20]
Pang Y, Yan RR, Yu ZB et al. Suspension-sedimentation of sediment and release amount of internal load in Lake Taihu affected by wind. Environmental Science, 2008, 29(9): 2456-2464. [逄勇, 颜润润, 余钟波等. 风浪作用下的底泥悬浮沉降及内源释放量研究. 环境科学, 2008, 29(9): 2456-2464. DOI:10.13227/j.hjkx.2008.09.034]
[21]
Hu KM, Wang S, Pang Y. Suspension-sedimentation of sediment and release amount of internal load in Lake Taihu. J Lake Sci, 2014, 26(2): 191-199. [胡开明, 王水, 逄勇. 太湖不同湖区底泥悬浮沉降规律研究及内源释放量估算. 湖泊科学, 2014, 26(2): 191-199. DOI:10.18307/2014.0204]
[22]
Fan CX, Zhang L, Bao XM et al. Migration mechanism of biogenic elements and their quantification on the sediment-water interface of Lake Taihu: Ⅱ.chemical thermodynamic mechanism of phosphorus release and its source-sink transition. J Lake Sci, 2006, 18(3): 207-217. [范成新, 张路, 包先明等. 太湖沉积物-水界面生源要素迁移机制及定量化——2.磷释放的热力学机制及源-汇转换. 湖泊科学, 2006, 18(3): 207-217. DOI:10.18307/2006.0303]
[23]
Zhu W, Hu SY, Feng GY et al. Effects of great floods on phosphorus in shallow lakes: A case study of Lake Taihu in 2016. J Lake Sci, 2020, 32(2): 325-336. [朱伟, 胡思远, 冯甘雨等. 特大洪水对浅水湖泊磷的影响: 以2016年太湖为例. 湖泊科学, 2020, 32(2): 325-336. DOI:10.18307/2020.0201]
[24]
He W, Shang JG, Lu X et al. Effects of sludge dredging on the prevention and control of algae-caused black bloom in Taihu Lake, China. Journal of Environmental Sciences, 2013, 25(3): 430-440. DOI:10.1016/S1001-0742(12)60098-9
[25]
Fan XF, Xing P. The vertical distribution of sediment archaeal community in the "black bloom" disturbing Zhushan Bay of Lake Taihu. Archaea: Vancouver, B C, 2016, 8232135. DOI:10.1155/2016/8232135
[26]
Zhu MY, Zhu GW, Zhao LL et al. Influence of algal bloom degradation on nutrient release at the sediment-water interface in Lake Taihu, China. Environmental Science and Pollution Research, 2013, 20(3): 1803-1811. DOI:10.1007/s11356-012-1084-9
[27]
Fan CX. Specification for lake sediment survey. Beijing: Science Press, 2018. [范成新. 湖泊沉积物调查规范. 北京: 科学出版社, 2018.]
[28]
Udden JA. Mechanical composition of clastic sediments. Geological Society of America Bulletin, 1914, 25(1): 655-744. DOI:10.1130/gsab-25-655
[29]
Wentworth CK. A scale of grade and class terms for clastic sediments. The Journal of Geology, 1922, 30(5): 377-392. DOI:10.1086/622910
[30]
Hong XQ. Origin and evolution of the Taihu Lake. Marine Geology & Quaternary Geology, 1991, 11(4): 87-99. [洪雪晴. 太湖的形成和演变过程. 海洋地质与第四纪地质, 1991, 11(4): 87-99.]
[31]
Luo LC, Qin BQ, Zhu GW. Calculation of total and resuspendable sediment volume in Lake Taihu. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2004, 35(6): 491-496. [罗潋葱, 秦伯强, 朱广伟. 太湖底泥蓄积量和可悬浮量的计算. 海洋与湖沼, 2004, 35(6): 491-496. DOI:10.3321/j.issn:0029-814X.2004.06.002]
[32]
Hu SY. Effects of internal and external sources on phosphorus variation in Taihu Lake[Dissertation]. Nanjing: Hohai University, 2021. [胡思远. 太湖内外源对湖泊磷变化规律的影响研究[学位论文]. 南京河海大学, 2021. ]
[33]
JICA. Investigation on water environment management plan of Lake Taihu. Chiba: Construction Technology Research Institute, 1996. [JICA. 太湖の水環境と湖內モデル. ちば: 日本建設技術研究所, 1996.]
[34]
Fan CX, Zhang L. Lake Taihu: Principles of sediment pollution and remediation. Beijing: Science Press, 2015. [范成新, 张路. 太湖: 沉积物污染与修复原理. 北京: 科学出版社, 2015.]
[35]
Implementation scheme of the pilot project of dredging and silt consolidation in Lake Taihu. Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co. Ltd, 2019. [太湖清淤固淤试点工程实施方案. 上海市政工程建设研究总院, 2019. ]
[36]
Huang PS, Han BP, Liu ZW. Floating-leaved macrophyte (Trapa quadrispinosa Roxb) beds have significant effects on sediment resuspension in Lake Taihu, China. Hydrobiologia, 2007, 581(1): 189-193. DOI:10.1007/s10750-006-0497-1
[37]
Qu WC, Xue B, Dickman M et al. Lake Taihu record of paleoenvironmental changes over the past 14000 years. J Lake Sci, 1997, 10(s1): 331-340. [瞿文川, 薛滨, Dickman Mike等. 太湖14000年来古环境演化的湖泊记录. 湖泊科学, 1997, 10(s1): 331-340. DOI:10.18307/1998.sup36]