Dredging effects on nutrient release of the sediment in the long-term operational free water surface constructed wetland  

長期運行的自由水面人工濕地中疏浚對沉積物營養鹽釋放的影響  

來源：Journal of Environmental Management, 322 (2022) 116160

《環境管理雜志》第322卷 2022年 文章編號116160

 

摘要內容  

摘要指出，沉積物是自由水面人工濕地（FWS）的關鍵組成部分，疏浚已成為長期管理中的常見措施。本研究通過室內靜態模擬實驗，分析了五年運行期FWS沉積物的理化特性，比較了不同疏浚深度（0 cm、1 cm、10 cm、25 cm）和方法（機械挖掘 vs. 水力沖洗）對水體營養鹽釋放的影響。結果表明，0-10 cm沉積層受有機物和氮嚴重污染，表層形成的邊界層（0-1 cm）可抑制營養鹽釋放；25 cm疏浚深度為最優選擇，機械挖掘法因殘留沉積物少且含水率低，對水質改善效果更佳。  

 

研究目的  

探究長期運行的FWS沉積物污染特征，確定最優疏浚深度和方法，以抑制營養鹽釋放并提升濕地水質凈化功能。  

 

研究思路  

沉積物特性分析：采集五年運行期FWS沉積物巖芯（0-35 cm），分層測定理化指標（圖1）。  

 

疏浚深度模擬：設計4組處理（未疏浚、疏浚1 cm、10 cm、25 cm），添加原水進行55天靜態培養，監測上覆水營養鹽濃度變化（圖2）。  

 

疏浚方法比較：對比機械挖掘法（MDR）與水力沖洗法（HDR）的現場疏浚效果，分析疏浚后沉積物特性及營養鹽擴散通量（圖3）。  

 

數據驗證：結合擴散通量計算、統計檢驗（t檢驗、Pearson相關性）評估疏浚效果。  

 

測量數據及研究意義  

沉積物剖面數據（圖1）  

 

數據內容：DO、Eh、pH、粒徑分布、TP、TN、NH??-N、TOC的垂向分布。  

 

研究意義：揭示0-10 cm為污染核心層（TOC>3.02%, TN>0.23%），邊界層（0-1 cm）具高Eh（氧化性）和低營養鹽含量，證實其擴散屏障作用。  

疏浚深度影響數據（圖2）  

 

數據內容：不同疏浚深度下上覆水TP、SRP、TN、NH??-N、CODMn濃度變化。  

 

研究意義：25 cm疏浚深度顯著降低營養鹽擴散通量（TP↓31.8%、TN↓30.7%），因徹底移除污染層；疏浚1 cm反而增加NH??-N釋放（邊界層破壞導致+0.07 mg/m2/d）。  

疏浚方法數據（圖3、表2）  

 

數據內容：機械挖掘（MDR）與水力沖洗（HDR）后上覆水營養鹽濃度及擴散通量。  

 

研究意義：MDR的沉積物含水率低（壓實度高），殘留少，營養鹽通量降幅更大（TP通量比HDR低27.1%），適合植物密集的淺水濕地。  

 

結論  

污染特征：0-10 cm沉積層受有機質和氮重度污染，邊界層（0-1 cm）抑制營養鹽擴散。  

 

最優疏浚深度：25 cm深度可最大程度降低營養鹽釋放（TP通量↓31.8%，TN通量↓30.7%）。  

 

最優疏浚方法：機械挖掘法優于水力沖洗法，因殘留沉積物少且含水率低，更利于水質穩定。  

 

Unisense電極數據的核心意義  

通過丹麥Unisense微電極系統測定的沉積物DO、Eh、pH微剖面（圖1a-c）是揭示邊界層形成與擴散抑制機制的關鍵：  

量化氧化還原梯度：Eh剖面顯示邊界層Eh急劇下降（斜率3.2→0.1），明確其強氧化特性（抑制還原態營養鹽擴散）。  

 

驗證氧滲透深度：DO剖面測得5 mm氧滲透深度（高于同類水體），解釋濕地淺水條件（0.4 m）促進好氧層形成。  

 

關聯釋放動力學：邊界層高Eh與低NH??-N含量顯著負相關（r=-0.781），證實其通過吸附和氧化作用阻控營養鹽釋放。  

 

指導疏浚實踐：電極數據明確邊界層位置（0-1 cm），疏浚時需保留該層或徹底移除污染層（>10 cm），為25 cm疏浚深度選擇提供科學依據。