海洋沉積物-水界面污染物通量自動采樣及監(jiān)測系統(tǒng)試驗研究

麻常雷 ，王項南 ，陳江麟 ，徐俊臣

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.國家海洋局北海計量中心，山東 青島 266033）

海洋沉積物-水界面污染物通量自動采樣及監(jiān)測系統(tǒng)試驗研究

麻常雷1，王項南1，陳江麟2，徐俊臣1

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.國家海洋局北海計量中心，山東 青島 266033）

研發(fā)的海洋沉積物-水界面污染物通量自動采樣及監(jiān)測系統(tǒng)，通過原位無擾動采樣，能夠更加真實地獲取沉積物-水界面處水樣，經(jīng)過實驗室分析計算進一步得到該界面處的污染通量。系統(tǒng)樣機海上現(xiàn)場試驗的成功完成，充分驗證了該課題實施方案的可行性。試驗結果表明：樣機實現(xiàn)了沉積物-水界面處重金屬通量及營養(yǎng)要素通量的有效監(jiān)測，真實地量化了污染物的遷移規(guī)律。

沉積物-海水界面；污染通量；自動采樣；監(jiān)測；試驗

隨著人類活動在沿海地區(qū)的日益密集，海洋生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，90%以上的入海污染物最終進入到海洋沉積物及相關海洋生態(tài)系統(tǒng)中。海洋沉積物已經(jīng)成為海洋水體環(huán)境中持久性的、有毒的化學污染物的主要存貯地。尤其是在近岸水體，受到諸如海上運輸、航道疏浚、港口建設等經(jīng)濟活動，甚或潮汐、風浪等自然活動的影響，受污染的海底沉積物又會對海水造成二次污染。沉積物的“健康狀況”無疑關系到水生生態(tài)系統(tǒng)的健康，進而通過食物鏈影響到人類自身。因此，監(jiān)測沉積物-海水界面的污染狀況具有非常重要的意義。

在國家高技術研究發(fā)展計劃（863）的資助下，我們研發(fā)的海洋沉積物-水界面污染物通量自動采樣及監(jiān)測系統(tǒng)，通過連續(xù)、現(xiàn)場、自動地測量該界面的污染通量，可較大程度地量化海洋沉積物－水界面污染物通量、擴散方向與速率。

本文在介紹該系統(tǒng)整體研發(fā)的基礎上，重點介紹了該系統(tǒng)試驗樣機的海上現(xiàn)場試驗情況以及水樣分析和數(shù)據(jù)處理結果。

1 沉積物-水界面污染物通量自動采樣及監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由通量采樣艙、真空采樣瓶組、水路分配艙、多參數(shù)水質監(jiān)測儀、氧氣供給艙、水循環(huán)艙、控制艙、電池艙、聲學釋放浮筒等組成。按功能可分為采樣單元、水樣循環(huán)及監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制單元、布放和回收單元等四部分。系統(tǒng)樣機如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)下放至海底后，通量采樣艙上蓋自動關閉，控制系統(tǒng)值班電路啟動。水質儀定期監(jiān)測通量艙內水體環(huán)境參數(shù)，決定適時開關供氧系統(tǒng)，以控制艙內溶解氧水平接近外部環(huán)境；水樣循環(huán)系統(tǒng)定期工作，以保證艙內水體的流動性及水體監(jiān)測參數(shù)的真實性；按預設時間采集艙內水樣，用于重金屬及營養(yǎng)要素分析。系統(tǒng)工作周期完成后，通過釋放回收單元進行系統(tǒng)回收。

2 試驗樣機海試情況

系統(tǒng)樣機完成后，課題組對其進行了嚴格的實驗室聯(lián)調測試以及水槽環(huán)境試驗，針對發(fā)現(xiàn)的問題進行了有效改進后，擇機進行了海上現(xiàn)場試驗。

2.1 樣機空白試驗

由于海洋沉積物-水界面污染物通量自動采樣及監(jiān)測系統(tǒng)所采集的水樣主要用于痕量重金屬以及營養(yǎng)鹽同量分析，采樣過程中即使出現(xiàn)極其微小的外界污染或系統(tǒng)交叉污染，都會影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性。因此，課題組首先開展了樣機的空白測試實驗，以驗證樣機所采用的八位一通電磁閥、取樣管路（主管及支管）及采樣艙體是否會對水樣造成污染。

分析結果表明：“各樣品瓶中所取樣品的重金屬和營養(yǎng)鹽濃度均很低，與實驗所用的純水的濃度沒有顯著差異，可以證明系統(tǒng)樣機不會對水樣造成污染。”

2.2 海上現(xiàn)場試驗

2010年11—12月，課題組選擇在天津港東突堤碼頭附近海域（國家海洋局塘沽海洋站東側100 m處，底質沉積類型為粉砂質粘土）進行了兩次海上現(xiàn)場試驗，最終取得了符合要求的連續(xù)水樣及完整的背景數(shù)據(jù)。

3 樣分析及數(shù)據(jù)處理

由于每次采樣都從通量采樣艙內每取出一定量的水樣，就會有相同量的孔隙水從采樣艙底部補充進來。這樣就造成了所測樣品濃度并不等于那一時刻采樣艙內污染物的真實濃度，兩者之間有一定的誤差，需要進行濃度校正，校正后的采樣艙內污染物濃度計算公式如下：

式中：F為交換通量；m為濃度-時間擬合曲線的斜率；V是采樣艙體積；A為采樣艙的底面積。

3.1 重金屬沉積物-水界面交換通量

第二次海上試驗中，重金屬濃度-時間擬合曲線如圖2所示。

式中：[C]為校正后的濃度；[S]為測量的樣品濃度；n為樣品序號（1～8）；v 為樣品體積；V 為采樣艙體積；[S0]為初始水樣的濃度。

交換通量計算公式為：

圖2 實驗期間重金屬濃度-時間擬合曲線

從圖2可以看出，在該試驗區(qū)域內，不同重金屬元素表現(xiàn)出不同的行為特性，鉛和鎘的濃度隨時間下降，表現(xiàn)為吸附，即鉛和鎘從海水中進入沉積物；鉻、銅、鋅的濃度隨時間增加，表現(xiàn)為解吸，即鉻、銅、鋅從沉積物中進入海水；錳和鎳則沒有明顯的變化趨勢。

經(jīng)計算，該區(qū)域沉積物中各重金屬元素的交換通量如圖3所示。

從圖 3 可以看出：鋅的釋放通量最高，達 612.8 μg/（m3·d），銅、鉻的釋放通量較低；鉛、鎘的通量值為負，說明水體中的鉛、鎘被沉積物所吸附。

圖3 實驗期間各重金屬元素的交換通量

圖4 實驗期間營養(yǎng)鹽的濃度-時間擬合曲線

圖5 實驗期間營養(yǎng)鹽的交換通量

3.2 沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量

第二次海上試驗中，該區(qū)域營養(yǎng)鹽濃度-時間擬合曲線如圖4所示：硅酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮均表現(xiàn)為從沉積物釋放到水體。

經(jīng)計算，沉積物各營養(yǎng)鹽的交換通量如圖5所示。

從圖5中可以看出：營養(yǎng)鹽的釋放通量以硅酸鹽、硝酸鹽最高，磷酸鹽最低，這可能與顆粒物的性質和水體營養(yǎng)鹽含量有關。

通過本次試驗可以發(fā)現(xiàn)：海試區(qū)域周邊海域水體和沉積物環(huán)境質量總體較好，從歷史數(shù)據(jù)來看，營養(yǎng)鹽（無機氮）濃度較高，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象明顯，沉積物重金屬含量呈增高趨勢；根據(jù)連續(xù)采集的樣品分析計算，鋅、鉻、銅的通量為正，為從沉積物釋放到水體中，其中以鋅的通量最高，鉛、鎘的通量為負，說明水體中的鉛、鎘被顆粒物所吸附，錳、鎳的濃度與時間的擬合曲線相關系數(shù)很低，沒有顯著的變化規(guī)律；硅酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮均表現(xiàn)為從沉積物釋放到水體，其中硅酸鹽、硝酸鹽的通量較高。

4 結論

系統(tǒng)樣機經(jīng)過海上現(xiàn)場試驗表明，多參數(shù)水質儀記錄的壓力（深度）、溫度、pH，DO等數(shù)據(jù)說明試驗處于受控狀態(tài)，采樣艙密封性良好，艙內溶解氧含量與自然狀態(tài)相一致。

海試結果表明：樣機可在水下（最大深度10 m）連續(xù)、穩(wěn)定、無故障地工作4 d，樣機各組成單元的工作狀態(tài)良好；樣機能根據(jù)預先設定的時間間隔，在4 d內自動完成對海底沉積物上覆水層的8個水樣無污染采集，并可連續(xù)、實時獲取上覆水層的溫鹽、pH、溶解氧等水質參數(shù)。樣機整體技術性能達到了有關設計要求。通過樣機可對沉積物污染（重金屬和營養(yǎng)鹽）的現(xiàn)場、原位、連續(xù)時間序列采樣、測量，更好地研究、揭示海底沉積物污染狀況和擴散趨勢。

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In situ Trial of Automated Sampling and Monitoring System for Measuring Contaminant Flux across Sediment–water Interface

MA Chang-lei1,WANG Xiang-nan1,CHEN Jiang-lin2,XU Jun-chen1
（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.North China Sea Standard and Metrology Center,SOA,Qingdao Shandong 266033,China）

The automated sampling and monitoring system for measuring contaminant flux across sediment-water interface is developed to collect water samples directly,which are almost isolated in a benthic flux chamber.The samples are analyzed for increase or decrease in toxicant concentration.The prototype is tested in Tianjin Harbor successfully.The quality of water samples collected by the prototype is good enough for determining the flux across sediment–water interface.The logistical and economic resources necessary to operate the prototype are also evaluated.

sediment–water interface;contaminant flux;automated sampling;monitoring;trial

P714+.4

B

1003-2029（2011）02-0046-04

2011-02-18

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2007AA09Z107）