河道沉积物的分布特性
河流泥沙变化规律及其对环境的影响
河流泥沙变化规律及其对环境的影响河流是地球上最宝贵的自然资产之一，对于物种生态系统和人类社会有着重要影响。
河流是淡水资源的重要来源，并为农业、工业、交通、观光和娱乐等产业提供了重要的支持。
然而，河流沉积物变化的规律对环境稳定性的影响却是不可忽视的问题。
本文旨在分析河流沉积物变化的规律及其对环境的影响。
一、河流沉积物的来源和组成河流沉积物主要源于两个方面：一是岸边和河道中的岩石、石头、草木和泥土等天然物质；二是溪流中冲刷下来的泥沙和土壤以及附近地区的农业、工业和城市废水。
河流沉积物主要由砾石、沙粒、泥板、黏土和有机物质等组成。
这些沉积物可以通过人工和自然力量的运动转移到不同的地貌区域和不同的水域环境中。
沙和泥沈积是代表性的河流沉积物，在纵向分布上互相依存，沙粒沉积在上游区域，而细小的泥沙则主要在下游区域沉积。
二、河流沉积物变化的规律河流沉积物的变化与多种因素有关，包括流量、降雨、输入量、流速、沉积作用、生态因素等。
以下内容将着重探讨这些因素的影响。
1. 流量河流的流量是影响沉积物变化的重要因素。
径流量的变化不仅仅改变了输移能力、搬运才华和侵蚀能力，同时也影响了河床的粒子分选和沉积速率等物理过程。
2. 降雨降雨量会对河流搬运力造成影响，同时也会增加河流的风险。
如果降雨量小于径流量，部分水分会通过地下水层附近的地面径流来到河流中，并且水质不会因为降雨而发生明显的变化。
3. 输入量输入量包括从河床、岸边和上游输入的沉积物和生物质量等。
沉积物的输送由利用流量、悬浮物、水速、水体深度、枯水期等条件的径流来驱动。
如果输入量变化很大，则会影响底部通量的吸附和吸附过程，使它们在环境中的固定性和可行性产生变化。
4. 流速河流的流速会影响沉积物的运动和传输。
一般来说，流速越快，泥沙的径流距离越远。
在慢流的条件下，稳定地假设岸边和底端质点的间隔相等以及它们耗费同等的时间通过实际沉积物碰撞和沉积进程，也就是说在同等温度、官能群和环境下，不同的大气沉积速率下，不同的碰撞速度和沉积速度等条件下，密度初始值相同的沉积物粒径在沉积区的垂直径向分布是相同的。
疏浚工程的沉积物处理及资源化利用研究
疏浚工程的沉积物处理及资源化利用研究1、沉积物的特性1.1沉积物的成分和性质沉积物是指在河道、湖泊、海洋等水体中沉积的各种物质，由于来源的不同，沉积物的成分和性质也各不相同。
一般来说，沉积物主要包括有机质、无机盐、泥沙、矿物质、微生物等。
沉积物的成分和性质的分析对于沉积物处理和利用至关重要。
通过对沉积物成分和性质的分析可以了解到沉积物的化学和物理性质，从而为沉积物的处理提供依据。
1.2沉积物的粒度特征沉积物的粒度特征是指沉积物中各种粒径颗粒的含量及其粒径分布特征。
由于不同颗粒的运动方式不同，不同粒径颗粒在水中的运动速度也不同，因此沉积物的粒度特征可以反映沉积物的形成和输运过程。
一般来说，沉积物的粒度特征分布符合对数正态分布。
粒径分布的研究对于沉积物的处理及利用有一定的指导作用。
1.3沉积物中有害物质的特征及危害沉积物中可能存在一些有害物质，如重金属、有机物质、细菌等。
这些物质对人类健康和环境造成潜在的危害。
因此，在进行沉积物处理及利用之前，需要对沉积物中有害物质进行检测和评估。
沉积物中有害物质的特征及危害对于沉积物的安全处理和资源化利用至关重要。
对于含有有害物质的沉积物，需要采取相应的措施进行处理和处置。
1.4沉积物的微生物特征沉积物中的微生物包括细菌、真菌、藻类等。
这些微生物对于沉积物的形成和转化起着重要的作用，同时也对沉积物处理和利用产生影响。
比如，一些微生物可以降解沉积物中的有机物质，有助于沉积物的处理和利用。
而一些微生物也可能会导致沉积物的污染和不稳定性增加，因此需要进行微生物特征的分析和评估，以便采取相应的措施进行沉积物的处理和利用。
2、沉积物的处理技术2.1物理处理技术2.1.1沉积物固液分离技术沉积物固液分离技术是将沉积物中的固体颗粒和水分进行分离的方法。
常用的方法包括压滤、离心、沉淀和过滤等。
这些方法可以有效地去除沉积物中的悬浮物和水分，从而减少沉积物的体积和重量。
沉积物固液分离技术是沉积物处理的基础，可与其他处理技术结合使用。
辫状河沉积特征
辫状河沉积特征辫状河沉积是指一种形成于辫状河流域的沉积物，它在地质学中有着重要的意义。
辫状河是指由许多交错的河道组成，它们在一定区域内形成一种辫状的网络结构。
这种河流通常具有较大的产沙能力，所以辫状河沉积物在地球科学中是一个非常研究的领域。
辫状河沉积物主要由细沙和粉砂组成，因此在地质上常常被称为“细粉流沉积物”。
这些沉积物具有明显的层状结构，層状沉积物通常是潮汐及/Wave-beached combination 形成的复合沉积。
辫状河的沉积物形成于河床的沉积过程，当河流蜿蜒流动时，会带来大量的颗粒物质，这些颗粒物质被分散在河道和洪道中，随着河流的停流和流速减缓，颗粒物质开始沉积下来，形成了辫状河沉积物。
辫状河沉积物的特征之一是层状结构的变化。
在辫状河的河道中，沉积物的层状结构通常表现为堆积的物质形成层层状。
这些沉积层通常是由于河道的流速的变化导致的，在辫状河的河道中，流速的变化是常见的，这种流速的变化导致了沉积物的交替沉积，在河道的弯曲处较为明显。
辫状河沉积物的层状的变化还表现为相变的异质性。
根据地质学家的研究，辫状河沉积物的层状变化具有很强的空间和时间的异质性，也就是说，沉积物在空间上具有一定的差异，在垂直方向上也有一定的变化。
这种层状变化通常与河道的环境和沉积物的供沙源有关。
例如，当辫状河沉积物中的砂质物质来源于山地，那么沉积物中的颗粒物质可能具有一定的粗砂颗粒，并且可能会形成较厚的粗砂层。
辫状河沉积物的特征之二是沉积结构的多样性。
辫状河的交错河道系统导致了沉积物的多样性，不同的河道可能有不同的沉积口和沉积形式。
一些辫状河可能具有相当平缓的沉积面，沉积物可以被容易地识别为阶梯状的沉积结构。
在河道岔口及河口部分，形成较陡的沉积结构，河口流域特别是天然礁盘等地形，硝砂颗粒也有明显的沉积结构。
辫状河沉积物的特征之三是沉积物的物质组成。
辫状河沉积物主要是由砂和粉砂组成，这些颗粒物质通常是由周围地区的岩石破碎和侵蚀形成的。
河流相沉积模式
河流相沉积模式
河流相沉积模式是指在河流系统中，由于水流速度和输沙能力的变化，沉积物在不同区域呈现出不同的沉积特征。
河流相沉积模式通常包括三种主要类型：
1. 河道相：河道相沉积主要发生在河床和河道内部，在沿河流动向的方向上呈现出一定的变化规律。
典型的河道相沉积包括河床砾石、河滩砂、河漫滩泥等，这些沉积物在河道中形成沉积层。
2. 洪积相：洪积相沉积主要发生在河流周围的洪积平原和河谷地带，主要是由于河流周期性的泛滥和冲刷作用而形成的。
典型的洪积相沉积包括粗砂、细砂、淤泥等，这些沉积物经常形成平坦的洪积扇或洪积平原。
3. 三角洲相：三角洲相沉积主要发生在河口附近，当河流进入静水体（如海洋或湖泊）时，由于水流速度降低，沉积物开始沉积下来。
典型的三角洲相沉积包括三角洲前缘的砂质沉积、三角洲心滩的泥质沉积等。
河流相沉积模式的研究对于认识河流沉积演化过程、资源勘探和环境保护具有重要意义。
通过对河流相沉积的分析，可以揭示古代河流系统的演化历史，为油气勘探、水资源开发等提供重要依据。
河流堆积地貌知识点总结
河流堆积地貌知识点总结1. 河流堆积地貌的形成河流堆积地貌的形成主要是由于河流拥有携带和沉积泥沙的能力，加上地理条件和气候条件的影响，最终形成了各种不同的地貌特征。
其形成过程大致可分为以下几个阶段：（1）侵蚀阶段：河流源头的侵蚀和陡坎地带的侵蚀冲刷作用，形成狭长的侵蚀谷、V形谷底、河床出现降阶段。
（2）运移阶段：河流在流经地势较缓和的低地时，泥沙携运量高，产生侧弯、河道淤积物迅速增多等现象。
（3）泥沙沉积阶段：河道横剖面向上凸状发展，产生河漫滩、河滩、洪积原等平原沉积地貌。
2. 河流堆积地貌的类型根据地质构造、泥沙来源、水流条件等因素的不同，河流堆积地貌可以分为多种类型。
主要包括：（1）冰碛地貌：由于冰川的融化，冰川的泥石料被冰水冲刷、搬运和沉积形成的地貌。
（2）海相沉积地貌：主要是指在海水环境作用下沉积的地貌，包括海岸沉积地貌、海底沉积地貌等。
（3）湖泊沉积地貌：主要是指湖泊周围由于泥砂物质的沉积形成的地貌，包括湖岸沉积地貌、湖底沉积地貌等。
（4）河流沉积地貌：主要是指河流在流经地势较缓和、水流湍急、泥砂搬运能力强的地区形成的地貌，包括河漫滩、河滩、洪积原等。
3. 河流堆积地貌的特征河流堆积地貌的特征主要表现在地形、地貌、土壤、植被等方面，具体包括：（1）地形特征：河流堆积地貌主要呈现平坦开阔的地貌特征，地形平坦、地势低洼，沉积物质较厚。
（2）地貌特征：沉积物质主要为泥砂颗粒、碎石等，形成滩地、漫滩、滨坡等地貌特征。
（3）土壤特征：泥沙沉积形成的土壤比较肥沃，适合农业生产，有利于植被的繁茂。
（4）植被特征：因为土壤肥沃，水源充足，植被繁茂，有利于植被的生长发育。
4. 河流堆积地貌的作用河流堆积地貌在地球表面的生态环境、资源开发利用、地形地貌演变等方面具有重要的作用。
（1）农业生产：由于河流堆积地貌的土壤肥沃，适合农业种植，大片土地适合种植农作物和果树。
（2）生态环境：河流堆积地貌植被繁茂，提供了大量的氧气，并且可以减少水土流失，有利于维护生态平衡。
简述河流沉积的二元结构
简述河流沉积的二元结构
河流沉积是指河水中运载的泥沙、砂砾等颗粒物质沉积在河床上或河岸旁边形成的沉积物。
河流沉积通常具有二元结构，包括主河道和洪水平原。
主河道是河流的主要通道，水流速度较快，水流冲刷力强。
在主河道中，流速逐渐减缓，使得大颗粒物质如砾石、沙子向河床沉积。
这些颗粒物质多数是由上游冲刷而来的岩石碎屑，其沉积形成了河床的底层，构成了主河道的沉积物。
洪水平原是主河道两侧广阔的平坦地带，通常是河水水位上升时洪水溢出的区域。
洪水平原地势较平缓，水流速度较慢，使得离心力较小。
在洪水过程中，随着水位下降，主河道沉积物中的较轻质物质（如粉状物质）会沉积在洪水平原上。
这些细颗粒物质被称为洪水沉积物，通常含有丰富的有机物质，对于农业生产有重要意义。
在主河道和洪水平原之间，一般还有一条比较平滩的区域，叫做河滩。
河滩是河岸旁边低洼的地形，它是河水挟带的颗粒物质沉积形成的，通常由以砂和粉状物质为主。
河滩地势相对较高，被水域环绕，常用于农业耕种或建设居住用地。
河流沉积的二元结构包括主河道和洪水平原，分别是河流水速快慢的区域，通过河水携带的颗粒物质在这两个区域不同的沉积过程形成。
河流沉积物不仅对于了解河流地貌形成和河流生态环境起着重要作用，也对于人类的农业生产和居住选择有着重要意义。
主要沉积环境的沉积特征
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湖泊沉积
从滨湖到深湖，随湖水深度增加，水动力减弱，沉积物粒度逐渐变细，从交错层理变为水平层理，形成近同心的环带状分布；淡水湖多在淡水区，以细砂岩、粉砂岩及粘土岩为主，大型淡水中泥灰岩、介壳灰岩、油页岩常见，可形成特有的湖生生物组合；咸水湖蒸发岩发育，湖泊干枯过程中，依次出现石膏、岩盐和钾盐等矿物；
海陆交汇相
风暴沉积序列：下部为滞留的砾石或生物介壳层，底为冲刷面；中部为具丘状层理或浪成层理的砂质和生物碎屑沉积；上部为泥质沉积，泥岩中生物潜穴发育，生物扰动强烈。
浅水碳酸盐沉积
在干旱炎热的气候条件下，雨量少，蒸发量大，沉积物含有大量的自生蒸发盐类矿物，如石膏、硬石膏和石盐。
在气候温暖潮湿的地区，潮下带往往为粗粒生物碎屑灰岩，向陆方向粒度变细，逐渐被藻纹层灰岩和白云岩所取代，鸟眼构造和干裂等暴露标志。
三角洲平原
以分支河道砂质沉积为主，也包括泛滥平原和湖沼沉积的粉砂、粘土和泥炭以及天然堤和决口扇沉积。
三角洲前缘
主要包括分流河口沙坝、远砂坝、分流间湾和三角洲前缘席状砂沉积
前三角洲
含有机质的泥质沉积为主，水平层理和均质层理发育；
陆源碎屑海滨浅海沉积
海滩沉积以纯净石英砂岩为主，粒度向海变细，成分成熟度和结构成熟度均较高；高波能区以物理沉积为主，如平行层理、低角度板状、楔状层理；而中-低能区则交替发育物理和生物成因的沉积构造。
生物礁是浅水碳酸盐沉积中的一种特殊的沉积体，可发育在沿岸形成岸礁，也可在陆棚上形成障壁礁，沉积物以骨架岩、黏结岩和障积岩为主。
陆棚碳酸盐沉积环境内除发育有与陆源碎屑沉积环境相对应的风暴沉积外，主要为含生物碎屑灰岩和泥晶灰岩及其与泥灰岩和页岩的互层，具有正常含香生物群组合。
地理河流堆积知识点总结
地理河流堆积知识点总结一、河流堆积的概念河流堆积是指在河流水流过程中，由于流速减慢或者停滞，河水携带的泥沙、砾石等颗粒物质沉积在河道中，形成河床和河漫滩等地形地貌。
河流堆积是河流水动力作用和重力效应的变化结果，也是自然地理过程的一种重要表现形式。
二、河流堆积的类型1. 河床堆积：即河水在河床上沉积的物质，包括多种颗粒大小的沉积物质，形成河床的各种地貌特征。
2. 河漫滩堆积：河水在水流速度减缓或者停滞时，颗粒物质沉积在河道两侧形成河漫滩，河漫滩的形成与河水的淤积作用有关。
3. 冲积扇堆积：河流在山区、丘陵地区流经峡谷、狭谷等地方，水流速度减慢，河水携带的泥沙、砾石等颗粒物质沉积形成的扇形物。
三、河流堆积的原因1. 水流减速：河流在下降梯度处、弯曲处等地方，水流速度减缓，使得携带的泥沙、砾石等物质沉积下来。
2. 水流停滞：当河水受到阻碍无法顺畅流动时，会形成泥沙、砾石等物质的堆积。
3. 沉降作用：泥沙等颗粒物质在水流中因密度大、颗粒小而容易沉降，从而形成堆积。
四、影响河流堆积的因素1. 河流水流速度：水流速度越慢，河流堆积越容易发生。
2. 水量的大小：水量越大，携带的泥沙等物质越多，堆积程度越大。
3. 地形地貌：河流经过不同地形地貌，会形成不同类型的堆积地貌。
4. 水流阻碍物：水流受到阻碍，如植被、建筑物等，形成堆积的可能性增大。
五、河流堆积的地域特点1. 黄河堆积：黄河是中国母亲河，水沙负荷量大，常年泛滥，形成了大量的沙丘、黄土高原等堆积地貌。
2. 长江堆积：长江上游河流曲折，水流减缓的地方较多，形成了许多河漫滩地貌。
3. 尼罗河堆积：尼罗河上游为高原、山地，河流下游为平原地带，河流受阻滞处较多，形成了大量的冲积扇堆积地貌。
4. 印度河堆积：印度河流经喜马拉雅山脉，形成了大量冲积扇和河漫滩。
六、河流堆积对地理环境的影响1. 地形地貌的形成：河流堆积形成了多种地形地貌，如河漫滩、冲积扇等。
2. 水资源的开发利用：河流堆积丰富了水资源，如黄河、长江、尼罗河等水资源的开发利用得到了充分。
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河道沉积物的分布特性1 引言沉积物是水体氮素的重要归宿与来源,上覆水与孔隙水是沉积物-水界面中氮交换的主要媒介,无机氮是其重要的交换形态.可溶性氮素通过孔隙水向上覆水扩散迁移,使沉积物成为上覆水重要的氮素内源.影响沉积物-水界面氮交换过程的因素呈现多样化,包括沉积物的理化特征、溶解氧、氧化还原电位、pH、温度、水动力扰动等环境条件以及底栖生物扰动等生物因素.污补河流中污染物在分解转化过程中大量耗氧,使沉积物溶氧量急剧变化,再加上闸坝林立,水流舒缓,河流复氧能力差,沉积物-水界面呈现厌氧状态,对于氮素界面的交换过程及赋存形态有重要的影响.在北方半干旱地区,以海河流域为代表,天然径流少,污废水成为主要补给水源,河流呈现非常规水源补给特点.与传统意义上的河流相比,非常规水源补给河流随污水的汇入消纳了大量的污染物,产生了各类污染问题.滏阳河作为典型的非常规水源补给河流,承接着石家庄、邯郸、邢台、衡水、沧州等城市的工业及生活污废水,平均污径比由1980年的0.25上升到2007年的0.37.目前研究表明,滏阳河作为非常规水源补给河流存在严重的沉积物重金属污染问题,但对存在的氮营养盐污染及内源释放问题关注较少.滏阳河接纳的石化、制药等行业的污水及生活废水中含有大量的氮营养盐(Seved et al., 2010;Tang et al., 2011),排入河流增加了水体的氮负荷(王超等,2015a),低溶解氧进一步加剧了沉积物内源释放风险(郭建宁等,2010).滏阳河水体总氮浓度超国家地表水V类标准,外源输入是水体氮营养盐增加的重要原因(赵钰等,2014),但对沉积物这一重要的氮素内源未做进一步研究.本文针对滏阳河存在的氮素污染问题,采集不同河段的表层沉积物及柱状沉积物,研究表层沉积物氮素空间分布特点及上覆水-孔隙水氮营养盐垂直分布特征,并对沉积物-水界面无机氮扩散通量进行估算,对比滏阳河不同区段氮营养盐内源释放特征,为非常规水源补给河流富营养化防治提供理论支持.2 材料与方法2.1 研究区域概况滏阳河发源于太行山南段东麓邯郸市峰峰矿区,自东武仕水库流经磁县、邯郸等县市,于艾辛庄与滏阳新河汇合,流经衡水等地终至献县,与滹沱河汇合后称子牙河.滏阳河流域属北温带大陆性季风气候,平均气温13.4 ℃;年均降雨量550 mm,集中于7至9月份,占年降雨量70%.滏阳河干流全长402 km,流经石家庄、邢台、邯郸、衡水等重要城市,是一条集防洪、灌溉、排涝、航运等功能于一体的骨干河道.沿途城市人口稠密,制药、皮革等重污染产业广泛分布,其生产生活污水均排入滏阳河内.以艾辛庄为界,上游主要接纳邯郸市区及沿途各县污水,2007年共接纳污水1.25亿m3;下游承纳衡水市区、冀州、武强、武邑等县的生产生活废水,2007年接纳衡水市境内废水量0.54亿m3;此外,邢台市和石家庄市污废水顺子牙河支流最终汇入滏阳河.2.2 样品采集与分析2.2.1 表层沉积物采集研究设置采样点16个,于2014年6月采集表层沉积物及沉积柱.按照上游至下游进行样点编号,其中滏阳河上游包括S1~S9,下游样点为S10~S16.根据行政区段对采样点进行划分,可分为邯郸段(S1~S8)、邢台段(S9、S10)、衡水段(S11~S14)和沧州段(S15、S16).采样区域及采样点分布如图 1所示.图 1图 1 滏阳河沉积物采样点位置分布利用自重力采样器采集表层10 cm沉积物样品,储存于聚乙烯自封袋.沉积柱采集后静置24 h,用虹吸管自上而下对上覆水按5 cm进行分层,保存于聚乙烯瓶;对柱状样自上而下分割,按1 cm 分层,用0.45 μm微孔滤膜过滤得到孔隙水,保存于玻璃瓶.河流水样温度(T)、pH、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)利用水质分析仪现场测定.样品低温保存运输.到达实验室后,沉积物部分样品冷冻干燥,研磨,过100目尼龙筛,密封避光储存待分析;其余样品于4 ℃密封避光保存.2.2.2 样品分析参照《水和废水监测分析方法》(国家环境保护总局,2002)测定上覆水中氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3--N)和亚硝氮(NO2--N);孔隙水各无机氮(DIN)含量用全自动化学分析仪(AMS Smart Chem 2000)测定.沉积物样品用2 mol·L-1的氯化钾溶液振荡提取1 h,0.45 μm滤膜过滤后测定提取液中氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3--N)和亚硝氮(NO2--N)(鲍士旦等,2005).其中NH3-N采用靛酚蓝比色法,NO3--N采用双波长紫外分光光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法.采用元素分析仪测定沉积物总氮(TN)及碳氮比(C/N),沉积物中总有机氮(TON)为总氮与无机氮(氨氮、硝氮和亚硝氮之和)的差值.2.3 孔隙水扩散通量模型运用Fick第一扩散定律对沉积物-水界面间物质扩散通量进行估算.Fick第一定律适用于稳态扩散,即界面物质的交换过程为平衡状态,主要受浓度扩散控制(Paul et al., 2001,潘延安等,2014).扩散通量计算公式如下：式中,F为沉积物-水界面扩散通量(μmol·m-2·d-1);为沉积物-水界面物质浓度梯度(mg·L-1·cm-1);M为N的相对原子质量,取14 g·mol-1;Ds为考虑了沉积物弯曲效应的实际分子扩散系数(m2·s-1);与孔隙度(φ)间的关系式：Ds=φ·D0(φ< 0.7);Ds=φ2·D0(φ>0.7).式中,D0为理想溶液的扩散系数,温度25 ℃时,NH3-N、NO3--N和NO2--N的理想扩散系数(D0)分别为19.8×10-6、19.0×10-6、19.1×10-6cm2·s-1(吴文成等,2008).φ为沉积物孔隙度,其计算方法为：式中,Ww为沉积物鲜重(g);Wd为沉积物干重(g);ρ为表层沉积物平均密度与水密度比值,滏阳河沉积物主要为粉砂组成,取2.5(汪淼等,2015).采样点分布图用ArcGIS 10.0绘制;数据统计分析在SPSS 20.0上进行;数据制图在Origin 9.0上完成.3 结果与讨论3.1 表层沉积物氮素含量及空间分布滏阳河各采样点表层沉积物不同形态氮素的空间分布特征见图 2.滏阳河沉积物整体总氮质量浓度在770~10590 mg·kg-1之间,平均值为2584 mg·kg-1,高于EPA制定的沉积物总氮污染重污染标准(2000 mg·kg-1)(US EPA,2002),表明滏阳河整体处于TN重度污染水平.其中流域支流汇入点(S10、S11)TN浓度高达10590、5210 mg·kg-1,远超其他点位.其原因是上游支流接纳的氮素随水流汇集于河流交汇点并发生沉积,造成表层沉积物中TN浓度的升高.邯郸段、邢台段、衡水段和沧州段总氮浓度平均值分别为1756、5745、2664、2573 mg·kg-1,邢台段达整条河段的TN浓度最高值.牛尾河、北澧河、洨河及汪洋沟等支流河水含有大量的总氮,汇入邢台河段,使沉积物TN浓度增高.图 2图 2 滏阳河表层沉积物氮素空间分布特征有机氮(TON)是滏阳河表层沉积物中氮素的主要存在形式,其占总氮比例达84.9%~99.3%.滏阳河表层沉积物中TON的空间分布趋势与TN一致,均在邢台段达到最高值,5056 mg·kg-1.河流中的有机氮占总氮含量达14%~90%(Seitzinger et al., 1997),主要来源于水生生态系统中生物的分泌及腐烂分解,以及外源水体携带的颗粒态氮和溶解性有机氮的输入(Sujay et al., 2014).沉积物中C/N可以判定有机污染来源.Meyers等研究藻类的C/N一般在4～10 之间,而陆生植物的C/N一般大于20(Meyers,1994).滏阳河C/N平均值达18.24,说明滏阳河沉积物中TON更多来源于外源输入,且总氮中TON比例在世界河流中处于较高水平.表层沉积物NH3-N含量范围为3.23~1135.00 mg·kg-1,占TN比例达0.23%~10.70%,分布趋势与有机氮呈现一致性.氨化细菌在厌氧条件下使有机氮发生矿化产生NH3-N,而水体环境中NH3-N主要来源于有机氮的矿化及外源的输入(赵海超等,2013).滏阳河水系低氧现象突出(王超等,2015b),且上覆水流速较低,氧交换能力较弱,导致沉积物溶氧含量低,有机氮矿化生成NH3-N,则沉积物中NH3-N含量分布与有机氮呈现一致性.与之前研究相比(赵钰等,2014),滏阳河表层沉积物NO3--N含量明显上升,由17.20 mg·kg-1升至125.00 mg·kg-1,占TN比例由0.004%升至0.044%;NH3-N含量明显下降,由585.00 mg·kg-1降至164.00 mg·kg-1,占TN百分比由0.135%降至0.052%.NH3-N和NO3--N浓度的升降变化说明沉积物-水界面氧化还原环境发生改变,硝化细菌将NH3-N氧化为稳定的NO3--N.底泥氧化还原状态的改变说明了氨氮污染严重的水体正在逐渐恢复自净能力,水体环境有所改善.3.2 沉积物-水界面氮分布特征滏阳河各河段硝态氮浓度在上覆水到孔隙水的垂直剖面上呈现不同趋势：邢台、衡水和沧州段硝氮浓度随深度而逐渐降低,尤其是在孔隙水中急剧减少.以衡水段为例,NO3--N浓度在上覆水中为2.84 mg·L-1,在孔隙水中降至0.57 mg·L-1,到深层浓度小于0.10 mg·L-1.硝氮随深度变化呈递减趋势,可能与沉积物的氧化还原环境有关.溶解氧是沉积物硝化作用及反硝化作用的重要影响参数,邱昭政等研究发现好氧条件下平均氨氧化速率为14.2 mg·L-1·d-1,而厌氧条件仅有37.40%氨氮转化,平均速率为5.7 mg·L-1·d-1(邱昭政等,2013).未加扰动的沉积物处于缺氧环境,呈现还原环境,致使硝化反应减弱,无法将氨氮转化为NO3--N;同时有利于消耗NO3--N 的反硝化作用进行(Korom et al., 1992),导致NO3--N迅速减少.邢台、衡水和沧州段上覆水呈还原环境(表 1),水流平缓对沉积物扰动作用小,复氧能力较差,且有机物分解消耗溶解氧,沉积物还原性增强,影响硝化和反硝化作用的进行,从而影响沉积物中硝氮的分布.邯郸段硝氮浓度在进入沉积物-水界面后逐渐升高,在界面下11cm处达到最大值6.72 mg·L-1.孔隙水平均硝态氮浓度达3.54 mg·L-1,为上覆水8倍之多.邯郸段山区降水补给较多,地势高差悬殊较大,界面水动力或底栖生物扰动导致沉积物溶解氧含量增大,沉积物-水界面处于氧化状态,硝化作用增强,NH3-N被硝化细菌氧化,造成NO3--N浓度上升.表 1 各采样点表层沉积物及上覆水基本理化性质邯郸、邢台段氨氮浓度在垂直剖面上呈增大趋势,最高浓度分别达到17.70 mg·L-1和39.30 mg·L-1(图 3).NH3-N的含量与沉积物理化性质、氧化还原环境、水动力条件及污染源等有关.一方面,随深度的增加沉积物含氧量降低,还原环境有利于有机氮氨化作用进行,相应的消耗氨的硝化作用减弱,致使NH3-N在沉积物中发生累积,出现随深度升高的情况(刘峰等,2011).另一方面,氨氮的离子态易被带负电的沉积颗粒胶体吸附,导致在深层的累积.衡水段进入沉积物-水界面氨氮浓度先降低再逐步升高,在-7 cm处达到最低值28.80 mg·L-1.沧州段氨氮浓度在垂直方向上随深度增加而降低,上覆水氨氮平均浓度为(27.3±1.80)mg·L-1,是孔隙水氨氮平均含量的2.7倍.衡水段与沧州段NH3-N垂直方向变化趋势的改变可能是由于外源NH3-N的输入.石家庄市作为子牙河水系中最大的氨氮排放区域,其工业氨氮排放量占水系工业源氨氮排放量的81.00%.石家庄市连同衡水、沧州段的污水一起注入滏阳河下游,使衡水、沧州段上覆水氨氮浓度达51.70、27.30 mg·L-1,远高于邯郸、邢台河段.水体NH3-N浓度在2005年达到峰值,2009年下降后11年再次升高的变化趋势与衡水段沉积物NH3-N变化趋势一致(荣楠等,2015).支流外源高氨氮的摄入可能是上覆水氨氮浓度高于表层孔隙水,出现随深度而降低的现象的原因.图 3图 3 滏阳河上覆水和孔隙水硝氮、氨氮垂直分布特征对滏阳河各河段样点上覆水与孔隙水中NH3-N和NO3--N浓度进行统计分析(图 4).上覆水与孔隙水中NO3--N变化趋势在邯郸段存在较大差异,上覆水NO3--N在邯郸段达到低值,平均浓度达0.43 mg·L-1;而在孔隙水中则达整个河段最高值,达4.59 mg·L-1.其原因可能在于邯郸段沉积物中较高溶解氧促使硝化作用进行,抑制了消耗NO3--N的反硝化作用,使沉积物孔隙水中容纳更多的NO3--N.NH3-N浓度在上覆水与孔隙水中变化趋势一致,在衡水段分别达到最高值,51.66和57.72 mg·L-1.支流外源氨氮的大量排放可能是造成衡水段高值的主要原因,限制污水排放将会有助于改善该段界面高氨氮的现状.图 4图 4 滏阳河上覆水和孔隙水硝氮、氨氮浓度空间分布特征3.3 沉积物-水界面无机氮扩散通量自然水体沉积物-水界面水流速度较小,上覆水和孔隙水氮营养盐浓度存在明显的差异,浓度梯度引起由高浓度向低浓度扩散是营养盐的主要迁移过程(吴文成等,2008).若不考虑生物扰动、风浪扰动、界面反应等物化因素,将沉积物-水界面物质扩散简化为分子扩散(秦伯强等,2005),利用Fick第一扩散定律估算沉积物-水界面无机氮的扩散通量,结果见表 2.表 2 滏阳河沉积物-水界面无机氮扩散通量上覆水与孔隙水中营养盐浓度存在差异,导致由高浓度向低浓度的扩散.邯郸段与邢台段沉积物-水界面NH3-N表现为由沉积物向上覆水扩散,扩散通量最大值分别达1093 μmol·m-2·d-1、1471 μmol·m-2·d-1.衡水段与沧州段部分点位NH3-N表现为上覆水向沉积物中扩散,扩散通量在-932~-456 μmol·m-2·d-1之间.不同河段NH3-N扩散通量存在差异,其原因可能是各段水源组成差异导致扩散通量的不同.邯郸与邢台段主要有上游山区降水及沿岸生活污水汇入,而衡水段则接纳上游洨河和邵村排干排入的较高污染的生活废水及皮革、制药等工业废水.石家庄作为子牙河水系中最大的氨氮排放区域,其排放的高氨氮废水也汇入衡水和沧州段.另外一个原因是沿河污水排放总量梯度造成水体氨氮含量差异,致使扩散通量变化.由全国污染源普查统计数据分析,邯郸段和邢台段2007年接纳污水2.45亿m3,而衡水段接纳包括石家庄在内的污水总量4.02亿m3.滏阳河下游大量无数排放使上覆水体氨氮浓度高于沉积物及其孔隙水,则氨氮向下沉积,沉积物发挥“汇”的作用,从上覆水中吸附氨氮.邯郸段沉积物-水界面NO3--N整体上表现为由沉积物向上覆水扩散,扩散通量范围为4.21~309.56 μmol·m-2·d-1.邢台、衡水、沧州各段NO3--N表现为由上覆水向沉积物扩散,最小扩散通量低于-150 μmol·m-2·d-1.NO3--N在沉积物-水界面的扩散通量受沉积物结构、含氧量、有机质含量、生物扰动等因素影响(陈朱虹等,2014).受生物及水体扰动,邯郸段表层沉积物处于氧化环境,硝化作用的进行产生大量的NO3--N,使沉积物孔隙水中浓度高于上覆水,表现为向上覆水体扩散的特征.而邢台、衡水、沧州各段沉积物含氧量较低且有机物分解耗氧使沉积物处于低氧状态,致使硝化反应抑制,反硝化作用消耗NO3--N,造成孔隙水NO3--N浓度低于上覆水,沉积物表现为NO3--N的汇.NO2--N作为硝化与反硝化作用的中间产物,含量低且不稳定存在,因此其扩散通量意义不明确(Hall et al., 1996).滏阳河作为典型的非常规水源补给河流,以生活及工业污废水等非常规水源补给为主,污径比达0.37.与以自然降水为主要补给水源的河流相比,高氮废水的输入加大了沉积物氮素本底.以珠江为例,广州段沉积物总氮含量达1130~2900 mg·kg-1,而滏阳河总氮浓度在770~10590 mg·kg-1之间,沉积物氮含量处于较高水平(吴文成等,2008).与珠江相比,滏阳河沉积物-水界面氨氮扩散通量达-932~1471 μmol·m-2·d-1,处于较高水平,并且下游因外源高污染污水的输入,氨氮仍向沉积物进行扩散,即使控制外源排放,沉积物仍会有内源释放风险,将会为后期河流治理与修复带来困难,急需引起相关治理部门的重视.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。