（一） 項(xiàng)目簡介
長沙綜合樞紐蓄水通航后加大了庫區(qū)底泥污染修復(fù)的難度。已有研究顯示，底棲動(dòng)物遷移運(yùn)動(dòng)引起的生物擾動(dòng)效應(yīng)有助于底泥污染修復(fù)?；谇捌谘芯浚卷?xiàng)目針對長沙綜合樞紐徑流式、槽蓄型特征，開展底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，剖析生物擾動(dòng)下長沙綜合樞紐庫區(qū)底泥營養(yǎng)鹽交換和有機(jī)質(zhì)礦化過程，探討庫區(qū)調(diào)度方案對底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)效應(yīng)的影響。研究成果可為采用底棲動(dòng)物修復(fù)長沙綜合樞紐庫區(qū)底泥污染提供理論依據(jù)。
（二） 研究目的
探明底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)下長沙綜合樞紐庫區(qū)底泥營養(yǎng)鹽交換和有機(jī)質(zhì)礦化過程；揭示庫區(qū)調(diào)度對底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)效應(yīng)的影響規(guī)律。
（三） 研究內(nèi)容
（1） 模擬底棲動(dòng)物的遷移運(yùn)動(dòng)，分析有機(jī)質(zhì)/營養(yǎng)鹽在“底泥-間隙水-上覆水”間的分配和遷移，探明生物擾動(dòng)作用下，底泥中營養(yǎng)鹽的賦存形態(tài)轉(zhuǎn)化過程和有機(jī)質(zhì)的礦化途徑，綜合評價(jià)綜合樞紐底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)。
（2） 模擬綜合樞紐不同調(diào)度模式下的底棲動(dòng)物遷移運(yùn)動(dòng)，分析調(diào)度模式對營養(yǎng)鹽的吸附/解吸速率和有機(jī)質(zhì)礦化速率的影響，研究調(diào)度方案對底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)效應(yīng)的影響。
（四） 國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
大型底棲無脊椎動(dòng)物（體長大于500 μm，以下簡稱底棲動(dòng)物）是常見底棲生物之一，特別在污染底泥中，由于對厭氧環(huán)境耐受性較強(qiáng)，往往是單一優(yōu)勢底棲生物。底棲動(dòng)物攝食、爬行、建管、避敵、筑穴等遷移運(yùn)動(dòng)，會(huì)改變底泥初級結(jié)構(gòu)，引起底泥物化特性變化，繼而影響泥-水界面生物地球化學(xué)過程[1]，這一系列過程稱為生物擾動(dòng)。其中，對底泥污染修復(fù)的積極效應(yīng)表現(xiàn)在：提高泥-水界面溶解氧水平，抑制有機(jī)質(zhì)、氨氮、鐵錳等還原性污染物釋放；加速間隙水與上覆水間物質(zhì)交換, 促進(jìn)底泥微生物對污染物的分解、礦化和代謝；等等。
湘江長沙綜合樞紐正常蓄水位29.7m，形成了長約135 km、連接長株潭3市的槽蓄型水庫。盡管樞紐的建成運(yùn)行對提升湘江航道標(biāo)準(zhǔn)和城市供水保證率效果顯著，但對水生態(tài)環(huán)境的影響也是顯而易見的。自長沙綜合樞紐項(xiàng)目可行性論證以來，圍繞樞紐是否會(huì)引發(fā)水生態(tài)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，就爭議不斷。其中，綜合樞紐蓄水后庫區(qū)內(nèi)底泥污染的釋放為焦點(diǎn)之一?？紤]到底棲動(dòng)物遷移運(yùn)動(dòng)的積極環(huán)境效應(yīng)，如果能夠在樞紐運(yùn)行過程中，充分發(fā)揮底棲動(dòng)物對底泥污染的生態(tài)修復(fù)作用，這對于保障長沙綜合樞紐水生態(tài)環(huán)境安全的重要性不言而喻。
國內(nèi)外就海洋、河口、湖庫、河流等水體開展過大量生物擾動(dòng)研究[2-5]。盡管上述水體生態(tài)系統(tǒng)存在差異，產(chǎn)生擾動(dòng)的底棲動(dòng)物種屬也不盡相同, 但生物擾動(dòng)作用機(jī)制卻基本一致：首先底棲動(dòng)物在沉積物中產(chǎn)生大量遷移痕跡和過水通道，促進(jìn)溶解態(tài)物質(zhì)的交換和顆粒態(tài)物質(zhì)的混合[6]；其次底棲動(dòng)物鉆行筑穴和攝食排泄，改變沉積物顆粒垂直分布和粒徑分布，提高沉積物孔隙率，增強(qiáng)沉積物中的垂向傳質(zhì)過程[7]。
目前關(guān)于底棲動(dòng)物遷移運(yùn)動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)研究包括對底泥顆粒分布的影響[8]、對營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)礦化的影響[3, 5, 9-10]、對重金屬鈍化的影響[4]，以及對放射性污染物降解的影響[6]等。對電站水庫而言，營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)礦化尤為重要，這是因?yàn)殡娬舅畮煜鋷欢瑵q夏落，夏季溫度較高，消落帶水位降低，光線透過率提高，極易引起藻類爆發(fā)和富營養(yǎng)化。研究者也注意到環(huán)境條件對生物擾動(dòng)的影響。國內(nèi)Wang等[4]與李大鵬和黃勇[11]報(bào)道了風(fēng)浪對生物擾動(dòng)的影響，靳輝等[12]報(bào)道了底棲藻對生物擾動(dòng)的抑制作用；國外開展了沉積物厚度[5]、鉛污染[13]和鈾污染[6]對寡毛類生物擾動(dòng)的影響研究。
長沙綜合樞紐屬徑流式、槽蓄型水庫，庫區(qū)水體總體為完全混合型，且完全分布在城市群之內(nèi)，受到人類開發(fā)活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，這在全球范圍內(nèi)尚屬首例。在此特殊環(huán)境下，底棲動(dòng)物的生物擾動(dòng)對底泥中有機(jī)質(zhì)與營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化的影響作用是否會(huì)與其他類型水體有明顯區(qū)別？長沙綜合樞紐蓄水通航后，水位發(fā)生顯著變化，此時(shí)水位的波動(dòng)和季節(jié)性變溫耦合過程中對生物擾動(dòng)效應(yīng)又有什么影響？等等，這些都有待研究解決。
因此，盡管國內(nèi)外關(guān)于底棲動(dòng)物的生物擾動(dòng)效應(yīng)研究已非常豐富，但難以用來準(zhǔn)確描述長沙綜合樞紐底棲動(dòng)物的生物擾動(dòng)效應(yīng)。針對長沙綜合樞紐底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)效應(yīng)的系統(tǒng)研究，仍必不可少。
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（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色
在徑流式、槽蓄型的城市群水庫這一特殊環(huán)境中，開展水庫底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)效應(yīng)研究，探討樞紐調(diào)度運(yùn)行對生物擾動(dòng)效應(yīng)的影響，這是本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)，也是特色所在。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果
（1）研究方案
底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)研究主要通過模擬實(shí)驗(yàn)完成。環(huán)境效應(yīng)主要通過考察生物擾動(dòng)下，有機(jī)質(zhì)/營養(yǎng)鹽在“底泥-間隙水-上覆水”間的分配和遷移來獲得。
首先在等水位等溫條件下，開展底棲動(dòng)物種群密度（含空白對照）對營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化和對有機(jī)質(zhì)礦化過程影響的單因素實(shí)驗(yàn)，綜合底泥、間隙水和上覆水中營養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)的賦存情況，獲得種群密度與遷移轉(zhuǎn)化率和礦化率之間的定量關(guān)系；然后基于控溫“淹水-落干”遷移運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，模擬長沙綜合樞紐不同調(diào)度運(yùn)行方案下的水位與溫度耦合變化過程，深入剖析長沙綜合樞紐調(diào)度運(yùn)行方案對底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)。水位與溫度的耦合方案參考?xì)v年來長沙綜合樞紐的實(shí)測資料進(jìn)行。
（2）技術(shù)路線
具體研究技術(shù)路線見圖1。
圖1 項(xiàng)目研究技術(shù)路線圖
（3）實(shí)驗(yàn)方案
①模擬實(shí)驗(yàn)裝置
模擬裝置示意圖見圖2。
圖2 模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
裝置主體采用直徑為100 cm的有機(jī)玻璃柱，以便觀察、取樣和分析。裝置自上至下由法蘭連接依次分為頂空區(qū)、上覆水區(qū)和底泥區(qū)，各自高度分別為30 cm、200 cm和30 cm（其中，底泥區(qū)投放底泥厚度為25 cm，剩余5 cm投加上覆水，以便于裝置拆卸后進(jìn)行泥水微界面特性測試分析）。模擬裝置所用上覆水和底棲動(dòng)物均采自長沙綜合樞紐主庫區(qū)消落帶，其中底棲動(dòng)物為消落帶的優(yōu)勢種屬。配套裝置包括溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、上覆水與間隙水分層采集系統(tǒng)和上覆水循環(huán)系統(tǒng)。其中溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)控溫“淹水-落干”循環(huán)，用于模擬不同的樞紐調(diào)度運(yùn)行方案。
②裝置的運(yùn)行
在底泥區(qū)柱段投加底泥和底棲動(dòng)物后，預(yù)埋間隙水采樣器，連接上覆水區(qū)柱段，投加上覆水，再連接頂空區(qū)柱段。
控溫“淹水-落干”過程的模擬：通過控溫器控制上覆水水溫，模擬長沙綜合樞紐庫區(qū)季節(jié)性變溫；通過調(diào)節(jié)上覆水深度模擬200 cm以下運(yùn)行水位，200 cm以上運(yùn)行水位模擬則通過控制頂空區(qū)氣壓實(shí)現(xiàn)。由于模擬裝置內(nèi)實(shí)際水量與模擬水位對應(yīng)水量間存在差異，可能對擾動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生影響。為此，對上覆水進(jìn)行循環(huán)，控制系統(tǒng)總水量（上覆水柱段與循環(huán)水箱內(nèi)水量之和）為模擬水位下柱段內(nèi)的理論水量。
等水位等溫過程控制上覆水深為200 cm，溫度20 ℃。
③底棲動(dòng)物遷移運(yùn)動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)分析
利用模擬裝置的上覆水和間隙水采集系統(tǒng)，獲得上覆水和間隙水；在裝置運(yùn)行結(jié)束后對底泥進(jìn)行柱狀采樣。分析底泥、上覆水和間隙水中NH3-N、NO2-N、NO3-N、TN、有機(jī)磷（Or-P）、可交換態(tài)磷（Ex-P）、鋁磷（Al-P）、鐵磷（Fe-P）和鈣磷（Ca-P）的濃度，同時(shí)采用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（HPLC-MS），對樣品中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。綜合分析上述結(jié)果，探討有機(jī)質(zhì)/營養(yǎng)鹽在“底泥-間隙水-上覆水”間的分配和遷移。
（4）預(yù)期成果
在水庫消落帶底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)環(huán)境效應(yīng)方面撰寫1-2篇學(xué)術(shù)論文；在底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)模擬方面申報(bào)發(fā)明專利1項(xiàng)。
（七） 項(xiàng)目研究進(jìn)度安排
本項(xiàng)目計(jì)劃研究期限1年，即2019年05月—2020年05月。計(jì)劃安排如下：
前半階段：2019年05月-2019年11月
文獻(xiàn)查閱，研究方案細(xì)化；模擬試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、加工、安裝和運(yùn)行；開展底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)；申報(bào)發(fā)明專利1項(xiàng)。
后半階段：2019年12月-2020年05月
開展綜合樞紐調(diào)度運(yùn)行方案對生物擾動(dòng)效應(yīng)的影響研究；數(shù)據(jù)分析整理，撰寫相關(guān)學(xué)術(shù)文章1-2篇；進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，總結(jié)課題，完成并提交結(jié)題報(bào)告。
（八） 已有基礎(chǔ)
（1）與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績
申請者在2018年度協(xié)助指導(dǎo)教師開展了“長沙樞紐蓄水后庫區(qū)水質(zhì)演變機(jī)理研究”項(xiàng)目研究。在工作過程中，申請者注意到長沙綜合樞紐蓄水通航不但會(huì)對庫區(qū)水質(zhì)有影響，還可能對底棲動(dòng)物的分布有顯著影響，如申請者在三汊磯大橋斷面底泥中檢測到大量的環(huán)節(jié)動(dòng)物門寡毛蟲，而在庫區(qū)以下湘江湘陰段，底棲動(dòng)物則以搖蚊幼蟲為主。
考慮到底棲動(dòng)物的生物擾動(dòng)對底泥污染修復(fù)治理具有一系列的積極效應(yīng)，申請者思考，長沙綜合樞紐蓄水通航后，底棲動(dòng)物的生物擾動(dòng)效應(yīng)是否依然存在？如果存在，綜合樞紐的調(diào)度運(yùn)行方案又會(huì)對生物擾動(dòng)效應(yīng)造成什么樣的影響？等等。在此背景下，經(jīng)過指導(dǎo)老師的指導(dǎo)和項(xiàng)目組成員的反復(fù)研討，形成了關(guān)于本項(xiàng)目研究的基本雛形。
（2）已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
項(xiàng)目依托單位長沙理工大學(xué)的“水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治”實(shí)驗(yàn)中心和“洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)”實(shí)驗(yàn)中心屬湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，擁有水分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室等，而上述實(shí)驗(yàn)室在業(yè)務(wù)與學(xué)術(shù)管理上又隸屬于本項(xiàng)目申請者所在的水利工程學(xué)院。實(shí)驗(yàn)室具備進(jìn)行本項(xiàng)目研究所需的主要物理分析、化學(xué)分析和微生物分析條件，在學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷和指導(dǎo)教師的支持下，經(jīng)協(xié)調(diào)可用于本項(xiàng)目研究的主要儀器設(shè)備如下：
2 DR5000 紫外可見分光光度計(jì)
2 Virtis DB24D 冷凍干燥機(jī)
2 LEICA CM1900 冷凍切片機(jī)
2 STEPONE PLUS 96WELL 實(shí)時(shí)定量PCR 儀
2 TSQ Quantum Ultra EMR 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀
2 3H-2000PM1 比表面積儀
2 Mastersizer 3000 激光粒度分析儀
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