基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法技术

本发明专利技术公开一种基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，根据湖滨带水位波动状况，通过对原位富营养底泥或疏浚后富营养底泥进行自然裸露、翻耕、暴晒、氧化降解，重塑湖滨带缓坡基底，在重塑后的基底上打造挺水‑沉水‑浮叶多系列水生植物系统，构建湖滨带底泥内源氮负荷削减体系，从而降低底泥中氮向上覆水体的释放量及再悬浮量，改善水体富营养状况。本技术实施简单、成本较低，既可用于削减湖滨带水域原有富营养底泥内源氮负荷，也可用于临近水域疏浚后富营养底泥的湖滨带低成本处置工作，可有效削减富营养底泥内源氮的释放通量，抑制富营养底泥的再悬浮，适用于底泥及水体富营养化问题突出、水位波动剧烈的湖滨带水域。

A Method of Reducing Endogenous Nitrogen Load in Sediment of Lakeside Zone Based on Water Level Fluctuation

【技术实现步骤摘要】
基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法
本专利技术属于水体生态恢复领域，具体涉及一种基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法。
技术介绍
水体富营养化是目前全世界正面临的环境难题。水体富营养化的最主要原因是水体中氮、磷的过量累积，导致蓝藻等浮游植物大量增殖，造成水华及水体缺氧，严重时可致使鱼虾死亡。水体中过量的氮、磷通常有外源负荷及内源负荷两大主要来源，其中外源负荷主要包括生活污染排放、工业污染排放、农业等面源污染排放等；内源负荷则主要指底泥中氮、磷元素向上覆水体的释放、再悬浮以及水体自生的浮游植物增殖等。已有大量研究表明(etal.2005,Nürnbergetal.2012,etal.2003)，若无法抑制底泥中内源氮、磷的释放及再悬浮，即使外源负荷被削减，水体的富营养化及藻华依然无法得到有效控制。因此，控制及削减底泥内源负荷对于水体富营养化整治及藻华削减具有重要的意义。氮是导致水体富营养化及藻华的主要元素之一，其中氨氮又是藻类能够优先利用的主要氮形态(Glibertetal.2016,Paerl&Downes1978)。富营养底泥由于通常含有较高的有机质，其降解导致底泥通常处于厌氧状态并呈现黑色，致使底泥中氨氮含量上升。底泥中过量累积的氮可通过扩散、溶解的形式进入上覆水体中，也可在风浪、底栖或人为扰动下，通过再悬浮形式以颗粒态进入上覆水体中，加剧水体富营养化状况。目前，底泥疏浚是去除底泥内源氮的最主要技术之一(CN101962961B)，但底泥疏浚耗费的人力、物力成本极高，且疏浚后的富营养底泥依然存在难以处置的问题。因此，对于底泥内源氮负荷的原位控制在经济、社会及环境上均具有重要意义。目前对底泥内源负荷的控制以原位钝化或覆盖技术为主(CN101811811B，CN202284288U，CN103469762B)，原位钝化或覆盖技术在控制以沉积型循环为主的底泥内源磷负荷方面具有显著的作用，然而，在控制底泥内源氮负荷方面，鉴于底泥氮循环中硝化反硝化、厌氧氨氧化等多种反应的存在，使得该方法对于底泥内源氮负荷控制的效果不如对磷负荷的控制。另外，在一些浅水湖泊及河道中，风浪、水流、航运、渔业等认为扰动作用将对表层底泥造成极大地扰动，由此导致的表层底泥扰动及再悬浮将使得覆盖及固化材料失去应有的作用，并导致富营养的松散底泥再悬浮至上覆水体中，对上覆水体构成威胁，这一现象在常年风浪扰动剧烈的湖滨带区域尤为突出。针对目前已公开的专利或文献的报道，对底泥内源氮释放及再悬浮的控制及削减依然存在较大不足，尚未能在较低经济及社会成本下有效解决底泥内源氮释放及再悬浮对水体富营养化的威胁，亦未能有效解决异位处置过程中大量底泥中高赋存氮的处置问题。
技术实现思路
鉴于已有技术在底泥内源氮负荷控制方面的不足，本专利技术旨在提供一种基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，根据湖滨带水位波动状况，通过对原位富营养底泥或疏浚后富营养底泥进行自然裸露、翻耕、暴晒、氧化降解，充分提升底泥氧化环境，降低其含水率及孔隙率，提升其稳固性，并通过基底重塑，形成湖滨带缓坡基底。在重塑后的基底上打造挺水-沉水-浮叶多系列水生植物系统，构建湖滨带底泥内源氮负荷削减体系，从而降低底泥中氨氮、总氮向上覆水体的释放量，改善水体富营养状况。本专利技术旨在通过简单的技术方案、较低的经济成本、有效的底泥内源氮负荷削减效果，削弱或解决底泥内源氮污染对水体富营养化构成的威胁，并解决疏浚后大量高氮赋存底泥的处置难题。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，包括如下步骤：步骤1：获取底泥的内源氮通量及周年水位波动特征，内源氮通量>0，并且周年水位波动幅度在0.5～2m范围内的区域为目标区域；内源氮通量>0时，表示底泥中氨氮或总氮向上覆水中释放，需要对释放通量进行控制；反之，则上覆水中氨氮或总氮向底泥中汇集。水位波动过低时，无法满足滨岸带底泥裸露及基底重塑需求；水位波动过高时，无法满足湖滨带底泥内源氮负荷削减体系的构建。步骤2：目标区域处于低水位时裸露出富营养底泥，在自然光照下进行翻耕、暴晒、氧化降解操作；所述低水位为底泥淹没深度在10cm以下；步骤3：目标区域处于高水位下淹没富营养底泥后，构建多系列水生植物系统，稳固并降解污染底泥；所述多系列水生植物系统包括自湖滨带岸边往湖心方向依次设置的挺水植物、沉水植物和浮叶植物；所述高水位为底泥淹没深度在0.5m以上；同时，在所述多系列水生植物系统的湖心方向一侧建立防浪墙，防止风浪对污染底泥的扰动及再悬浮。最终，形成水位波动下湖滨带底泥内源氮负荷削减体系。进一步的，所述步骤1中，所述内源氮通量为氨氮或总氮向上覆水体的释放通量。进一步的，步骤1所述获取底泥的内源氮通量在每年6月至10月(夏季至秋季，通量较高)期间进行。进一步的，所述步骤1中，所述内源氮通量使用静态释放的方法获取(范成新等，海洋与湖沼，2002)。即，将原位采集的柱状底泥样品上覆水抽去后，沿底泥柱样侧壁缓慢、无扰动的加入原位采集的水样，水样深度为20cm，在25℃下恒温水浴培养72h，分别在0、12、24、36、48、60和72h取上覆水样品，每次取50mL上覆水样品并补充50mL原位水样，随后，通过下述公式计算底泥内源氮释放通量：式中：r为氮释放通量，量纲为mg/(m2·d)；V为氮释放通量获取过程中底泥柱样中上覆水总体积，量纲为L；Cn、C0和Cj-1分别为第n次、初始和j-1次采样时上覆水中氮的浓度，量纲为mg/L；Ca为添加的原水样中氮的浓度，量纲为mg/L；Vj-1为第j-1次采样体积(50mL)，量纲为L；A为底泥柱样中泥水界面的面积，量纲为m2；t为释放实验进行的时间，量纲为d。进一步的，步骤2和步骤3中，所述的底泥淹没深度为底泥的基底高程与水面的距离差。优选的，步骤2所述的翻耕、暴晒、氧化降解操作共持续25天。优选的，所述步骤2中，在所述的翻耕、暴晒、氧化降解操作期间，每隔5天将10cm～50cm处的厌氧底泥翻耕至表层，并充分混匀，在自然光照下氧化降解。进一步的，所述步骤2中，所述富营养底泥为湖滨带原有富营养底泥，或附近水域经环保疏浚后难以处置的富营养底泥。优选的，步骤2于每年2月至4月期间进行，以满足湖滨带底泥内源氮负荷削减体系的构建。优选的，在步骤2所述翻耕、暴晒、氧化降解操作的同时对湖滨带200m内基底高程进行重塑，使基底坡度降至15°以下。步骤2中，低水位下富营养底泥经过裸露、翻耕、暴晒、氧化降解后，底泥含水率可降至50％以下，底泥孔隙率降至0.7以下。底泥由黑色转变为灰色再转变为黄褐色，在底泥表层形成5mm至10mm的过饱和氧化层。优选的，步骤3所述挺水植物的种植宽度为100m，种植密度为10株/m2，挺水植物盖度为100％；所述沉水植物的种植宽度为50m，种植密度为10～15株/m2，沉水植物盖度在80％以上；所述浮叶植物的种植宽度为50m，种植密度为4～6株/m2，浮叶植物盖度在50％以上。所述种植宽度为种植区域在自滨岸带大型挺水植物种植区往湖心方向上的距离。优选的，步骤3所述挺水植物为芦苇或香蒲。优选的，所述沉水植物带为穗状狐尾藻、马来眼子菜或苦草。优选的，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取底泥的内源氮通量及周年水位波动特征，内源氮通量>0，并且周年水位波动幅度在0.5~2m范围内的区域为目标区域；步骤2：目标区域处于低水位时裸露出富营养底泥，在自然光照下进行翻耕、暴晒、氧化降解操作；所述低水位为底泥淹没深度在10cm以下；步骤3：目标区域处于高水位下淹没富营养底泥后，构建多系列水生植物系统；所述多系列水生植物系统包括自湖滨带岸边往湖心方向依次设置的挺水植物、沉水植物和浮叶植物；所述高水位为底泥淹没深度在0.5m以上；同时，在所述多系列水生植物系统的湖心方向一侧建立防浪墙。

【技术特征摘要】
1.一种基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取底泥的内源氮通量及周年水位波动特征，内源氮通量>0，并且周年水位波动幅度在0.5~2m范围内的区域为目标区域；步骤2：目标区域处于低水位时裸露出富营养底泥，在自然光照下进行翻耕、暴晒、氧化降解操作；所述低水位为底泥淹没深度在10cm以下；步骤3：目标区域处于高水位下淹没富营养底泥后，构建多系列水生植物系统；所述多系列水生植物系统包括自湖滨带岸边往湖心方向依次设置的挺水植物、沉水植物和浮叶植物；所述高水位为底泥淹没深度在0.5m以上；同时，在所述多系列水生植物系统的湖心方向一侧建立防浪墙。2.根据权利要求1所述的基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，其特征在于，步骤1所述获取底泥的内源氮通量在每年6月至10月期间进行。3.根据权利要求1所述的基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，其特征在于，步骤2所述的翻耕、暴晒、氧化降解操作共持续25天。4.根据权利要求1所述的基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，其特征在于，所述步骤2中，所述富营养底泥为湖滨带原有富营养底泥，或附近水域经环保疏浚后难以处置的富营养底泥。5.根据权利要求1所述的基于水位波动的湖滨带底泥内源氮负荷削减方法，其特征在于，步骤2于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成，杜奕衡，陈开宁，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32