| 题名 | 一种沉积物结构研究的方法学构建及在巢湖的应用研究 |
| 作者 | 温胜芳 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 单保庆 |
| 关键词 | 孔隙结构 水-沉积物界面 磷/重金属 沉积 内源污染 Pore structure Water-sediment interface Phosphorus / heavy metal Sedimentation Flux |
| 其他题名 | A methodology of sediment structure research and its application in Chaohu Lake |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 中文摘要 | 湖泊沉积物孔隙结构是影响其中物质（营养元素和污染物）迁移转化的重要因素。研究沉积物三维物理结构有助于推动水-沉积物界面的物质迁移转化研究，对于揭示富营养化水生态系统的内源释放规律，评价内源风险具有重要的理论意义和现实价值。 高分辨率 CT扫描和重建是研究沉积物三维物理结构的重要手段，但仍缺少针对湖泊现代未成岩沉积物的水饱和性、无定形态、质地细密、结构松散特性的沉积物结构研究方法。本研究构建了一套包含样品采集方法、样品制备方法、数据获取方法、图像解译方法、参数计算方法的湖泊未成岩沉积物三维物理结构研究方法学，在巢湖进行了应用验证。并以巢湖为富营养化湖泊代表，分析了孔隙 结构参数与泥沙和污染物沉积的关系，用 Fick 第一定律估算了巢湖沉积物 P、Fe、Mn 和 7 种重金属（Cd、Cu、Ni、Pb、As、Cr、Zn）的内源释放通量，阐明了巢湖沉积物的内源释放风险，为湖泊富营养化控制提供依据。 主要研究内容和结果如下： （1）湖泊未成岩沉积物结构研究方法学 通过独创原位液氮快速冷冻固定沉积物和 LR White树脂包埋的采样、制样方法，并集成其他学科的相关研究方法，构建了一套包含样品采集方法、样品制备方法、数据获取方法、图像解译方法、参数计算方法的湖泊未成岩沉积物三维物理结构研究方法学。整套方法在巢湖的应用验证表明，该方法可以呈现湖泊未成岩沉积物的三维物理结构，揭示与物质转化扩散密切相关的孔隙数量、体积分 布层次、表面曲折程度、连通程度等孔隙特征。 ①样品采集方法：针对湖泊沉积物易扰动的特点，独创沉积物原位冷冻采样管，通过原位液氮快速冷冻固定沉积物，取得原状沉积物。②样品制备方法：针对沉积物结构松散的特点，采取高效冷冻干燥和超低粘度 LR White树脂包埋的方法固定沉积物。经过初步切割-预包埋-冷冻干燥-包埋-切割-增加参比薄片（树脂和矿物质）的流程，将沉积柱制备成满足 CT上机要求的小体积稳定样品。③数据获取方法：用分辨率为微米级的工业显微 CT扫描沉积物样品，根据 900个角度的投影数据，通过 FDK 算法和几何校正重建沉积物三维图像。沉积物三维图像的空间分辨率为 4.8μm，且能够区分矿物质、有机质和孔隙。④图像解译方法：针对样品图像灰度范围不一致的问题，根据参比的灰度将样品的灰度进行校正，用标准样品的分割阈值对样品图像进行解译，准确提取孔隙三维结构。⑤参数计算方法：选择描述沉积物孔隙的数量、体积分布层次、表面粗糙程度、曲折程度、连通程度的孔隙度（φ）、体积分形维数（Dv）、表面分形维数（Ds）、孔隙连通性、曲率（θ ）等参数，用 matlab和 mathematica编程计算。 （2）巢湖沉积物结构特征 运用已构建的沉积物结构研究方法，研究了巢湖不同沉积类型湖区的沉积物介质结构，揭示了巢湖表层沉积物孔隙连通性高但细小孔隙多的特点，建立了曲率与孔隙度的关系.巢湖表层沉积物（0～3mm）的孔隙度在 0.51～0.62 之间，99%以上为连通孔；体积分形维数在 1.94～1.98之间、体积分形维数在 1.76～1.86之间、曲率在1.61～2.16之间。随深度增加密度增加、孔隙度减少、体积分形维数减少、表面分形维数增加，孤立孔的数量和体积增加，曲率增大，最显著变化发生在水沉积物界面 0-1mm 范围以内。巢湖沉积物连通孔在垂直方向上的曲率比水平方向曲率高 10%～13%，对物质扩散的阻碍作用稍强。 （3）巢湖磷/重金属沉积现状和演变趋势 根据 s 重建沉积年代，分析巢湖整体泥沙和磷/重金属沉积现状及趋势，评估潜在生态风险。巢湖西部湖区沉积物磷 /重金属富集相对严重，重金属综合潜在生态风险不高，但 Mn、As元素存在较强的生态风险。2000年以来磷/重金属沉积没有显著变化。巢湖西部湖区泥沙平均沉积速率约为 0.32～0.47cm•a ，中东部湖区平均沉积速率约为 0.56～0.60cm•a-1。巢湖表层沉积物元素呈现自西向东、自北向南减少的趋势，污染最严重区域为南淝河入湖口附近和西湖湖心。多种金属评价方法结果显示，巢湖综合潜在生态风险较低，但仍有 6%面积处于较强风险（RI>300），As是主要的生态风险危害贡献者（E>80的面积占 18%）；Mn也是重要的风险元素，有 40%的面积高于 NYSSC最高效应浓度值。巢湖重金属和磷分别从 1960s，1980s开始快速富集，2000年后富集程度趋于稳定。 （4）巢湖水-沉积物界面磷/重金属释放通量水-沉积物界面高分辨率孔隙水物质剖面显示，巢湖沉积物所有关注元素中仅有 P、As、Mn元素主要由孔隙水中向上覆水体扩散，其他元素扩散方向不明显。水-沉积物界面释放通量说明 As的释放风险较大。 P、As、Mn释放强度分别处于-0.02～2.8，0～0.47，0～6.3mg•m•d 之间，释放通量最高值分布在西部湖区北岸。全湖水 -沉积物界面每年的物质沉积和释放通量为：P沉积 1059t，释放 42t；Mn沉积 1421t，释放 497t；As沉积 22t，释放 12t；其他重金属均为沉积，不存在明显释放，沉积通量分别为：Zn 225t，Cr73t，Pb 51t，Cu 35t，Ni 35t，Cd 0.44t。 |
| 公开日期 | 2014-07-17 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7593]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 温胜芳. 一种沉积物结构研究的方法学构建及在巢湖的应用研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
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