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珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究

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珠江 磨刀 河口 沉积 化学 环境 研究
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中山大学博士学位论文珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究姓名:杨蕾申请学位级别:博士专业:自然地理学指导教师:李春初20060610中山大学博士学位论文 珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究摘要本文以珠江磨刀门河口为典型研究区域,选择几种常量元素离子(旷、、重金属元素(b、d、g、i)等为研究对象,首先分析了区域的动力环境和地形、沉积特征,进而较系统地研究了在自然和人类活动综合作用下的河口表层沉积物系统中,常量元素与重金属元素的含量、分布、影响因素、来源以及对其沉积环境质量进行潜在生态风险评价,以期为制定磨刀门河口资源合理开发利用和环境保护协调发展战略提供科学依据。在对大量第一手数据资料进行综合分析的基础上,本文主要得到以下几点结论:(1)磨刀门河口属于河一波型河口,径流动力强,波浪动力也较强;在一年中,最大波能期(冬季)与洪峰流量期(夏季)错开。磨刀门河口潮差小,潮流速度小,属弱潮河口:汛期,径流强劲,淡水基本上控制磨刀门内海区,下泄喷射流表现为惯性湍流扩散和摩擦湍流扩散的特点;枯期,径流动力锐减,冲淡水可上溯至大排沙,落潮时磨刀门口下泄的喷射水流表现为漂浮扩散的特点。(2)磨刀门原内海区经治理后成为“一主一支”两条人工河道;口门内总的地貌特征是“一槽一滩”,口外总的地貌形势是“二槽三滩”;磨刀门拦门沙持续向前发展。磨刀门河口表层沉积物的分布规律为:在纵向(从陆到海)上,由口内河床一拦门沙--#积物的粒度呈现出细一粗一细的特征,分选也随之呈差一好一差的分布;在横向(自西向东),以交杯沙和拦门沙为中心,向东、西方向逐渐变细,但一般东部比西部粗。(3)磨刀门河口表层沉积物中,阳离子和阴离子的最大值一般都出现在外海(除K+和呈现出由口内河床一拦门沙地区--#具体情况是由口内河床一拦门沙内坡,其含量是增大的,由拦门沙内坡含量先减小后增大;重金属在口门处及其两侧和拦门沙内坡的含量最高,大部分重金属(b、d、i)的含量由口门处一拦门沙地区是先减小再增大的。(4)对磨刀门河口的常量元素和重金属元素进行聚类分析,得到以下结论:磨刀门河口表层沉积物中的常量元素可以划分为4类: 。为一组;K+、自为一组;磨刀门河口表层沉积物中的重金属元素可以划分为4类:cu、i、s 5种重金属元素被归为一组,5)度与中山大学|尊士学位论文 珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究磨刀门河口表层沉积物中重金属元素含量分布的关系也不显著,说明6)常量元素和重金属元素(除含量与粘土的百分含量均呈正相关关系,粗粒级与这些元素的含量无显著的相关性或者呈弱负相关,揭示粘土矿物对常量元素和微量元素的吸附作用。但并不是所有元素都在粘土粒级的沉积物中含量才最大,有些元素的来源主要不是粘土矿物(流域内土壤及岩石的风化产物),而是来源于工农业、生活污染或者是大气沉降。(7)由磨刀门河口表层沉积物中重金属含量差异及其分布规律可以判断出,磨刀门水道上游的水质(较好,是珠海和澳门良好的饮用水源,为了确保供水,磨刀门水道仅限在灯笼山断面以下直接受纳排水,因此其表层沉积物中几种重金属污染物主要来源于流域内土壤及岩石的风化产物及轻微的工农业污染、城镇污水、大气沉降和咸潮上溯。(8)对磨刀门河口表层沉积物进行生态风险评价的结果是:有中等污染的区域为拦门沙内坡和交杯沙附近以及121门的两侧,污染程度最重的元素是s、cu、b、就整体水平来说,磨刀门河口沉积化学环境质量和潜在生态风险的各种评价指数的值大都较低,污染程度基本上属于轻微和无污染级别,超标站点很少。(9)对磨刀门河口进行沉积化学环境分区,将其分为优、良、中三个区,分别用A、B、区沉积物环境质量为优,其主要分布在磨刀门口内河床、拦门沙滩顶以及外海的大部分地区;要分布在口门东西两侧、拦门沙外坡东侧以及外海西侧;要分布在拦门沙附近。(10)磨刀门河口表层沉积物中重金属的含量处于我国较低水平。磨刀门河口表层沉积物的沉积化学环境优于其他城市化和工业化河口海岸地区,其污染水平在整体上还是低于这些地区的。但是情况不容乐观,磨刀门河口表层沉积物中重金属的含量在数量级上都和其他发达地区的河口海岸相当。因此,要保持磨刀门河口的沉积化学环境,使其可持续的发展,还需进一步的努力维护。关键词:磨刀门河口常量元素重金属 沉积化学环境陆海相互作用¨中山大学博士学位论文 珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究of of is a by t’s we do he +、u、n,r、g、As)as we of of ll is to of n of be 1)is a at is a is t it to is by it he at is 2)is ne is is he is“. is“is he of is he of 3)of is in +to at to 江磨刀门河口的沉积化学环境研究to ju.to he of on b,d,i,4)of of is g“.a2+04}to K+a+is be u,i,Zn to b,Cr g is 5)pH of is I t pH 1of 6)of b)of in is or of or 7)It be of of is it's o O of 8)of of is re on of he A g.u,b,Zn i is of of is to or re 9)an be be B . is it in of is it in of of of of n it's is t is 江磨刀门河口的沉积化学环境研究(10)of is t's is to we in to it y.江磨刀门河口的沉积化学环境研究图示目录图1刀门沉积物采样点和水文测点位置示意图…………………………………………5图1…………………6图2……………………………………………………18图2.2珠江河口八大口门年径流量…………………………………………………………………18图2—3磨刀门潮位变化曲线……………………………………………………………………20图2H)矢量变化……………………………………………22图20层潮流流速矢量…………………………………23图2.6磨刀门河口动力结构示意图…………………………………………………………。27图2.7磨刀门河口波浪动力示意图…………………………………………………………………..30图3000年)…………………………………………。32图3………………………………………………………………34图3…………………………………35图3………………………………………………………40图4.1选取的4个纵横剖面示意图……………………………………………………………47图4.2 含量分布特征……………………………………………..48图4-3 含量分布特征…………………………………………..48图4.4 含量分布特征…………………………………………….48图4-5 含量分布特征…………………………………………………49图4-6 含量分布特征…………………………………………..49图4.7 含量分布特征…………………………………………50图4-8 的含量分布特征…………………………………………。50图4-9 ……………………………………………50图4.10 含量分布特征…………………………………………….51图4.儿含量分布特征…………………………………………52图4.12 的含量分布特征………………………………………….52图4.13 的含量分布特征…………………………………………………52图4.14 含量分布特征……………………………………………53图4.15 含量分布特征……………………………………….53图4.16 Y]含量分布特征………………………………………..54图4.17 2‘的含量分布特征………………………………………………….54图4.18 K+含量平面分布图…………………………………………………………………….56图4—19 量平面分布图……………………………………………………………………57图4.20 量平面分布图…………………………………………………………………。58图4.21 量平面分布图………………………………………………………………….59图4.22 最平面分布图………………………………………………………………………60图4.23 量平面分布图…………………………………………………………………64 …………………………………………………………….62图4.25磨刀门河口表层沉积物中常量元素的………………………..65图4—26 ……………………………………..68图4.27 …………………………………….68图4.28 …………………………………….69江磨刀门河口的沉积化学环境研究图4.29 ………………………………………69图4.30 …………………………………….70图4.31 …………………………………….70图4.32 …………………………………….70图4.33 …………………………………….71图4.34 ……………………………………..72图4.35 ……………………………………..72图4.36 ………………………………………72图4.37 …………………………………….73图4.38 ………………………………………73图4.39 ……………………………………..74图4.40 …………………………………….74图4.41 ……………………………………..74图4—42 ……………………………………………………………….76图4…………………………………………………………………77图4.44 ………………………………………………………………..78图4.45 ………………………………………………………………….79图4.46 …………………………………………………………………80图4.47 ……………………………………………………………….81图4.48 ……………………………………………………………….82图4—49 ………………………………………………………………83图4.50磨刀门河口表层沉积物重金属的……………………………。87图5.1 各站点…………………………………………………………………..97图5刀门河口沉积物环境质量分区…………………………………………………….100江磨刀门河口的沉积化学环境研究表格目录表2.1不同类型河口径流因子对比……………………………………………………………19表2.2各类型河口潮差对比……………………………………………………………………20表2…………………………………………………………….24表2.4磨刀门河口海区波浪要索统计表………………………………………………………26表2.5磨刀门河口附近海域波浪频率分布………………………………………………………26表3………………………38表3…………………………………………41袁4……………………………………..44表4.2各种离子之间的相关性…………………………………………………………………64表4……………………………………………….66表4.4各重金属之间的相关关系………………………………………………………………85表5……………………………89n‘ T‘表5·2重金属的参照值毒性系数仨二)……………………………………………….90表5.3磨刀门河口沉积物重金属污染生态风险指数法污染程度的划分……………………91,’i ,1表5.4单项污染系数兰£和多项污染系数二兰_…………………………………………………92..................................................................................................................................94表5…………………………95表5.7沉积物环境质量分区划分依据……………………………………………………………99表6………………………………………101表6…………………………………….102表6………103表6砂、粘土组分与常量元素、重金属相关分析结果一106表6…..110表6………一111江磨刀门河口的沉积化学环境研究1.1选题背景和意义第一章绪论1_1.1磨刀门河口研究的重要性珠江是我国南方的一条大河,横贯华南大地,是我国七大江河之一。珠江流域由西江、北江、东江和珠江三角洲诸河四大水系组成。西江是珠江的主干流,全长2214公里。西江发源于云南省曲靖市境内的马雄山,依次经南盘江、红水河、黔江、浔江、西江,在广东省三水市的思贤窖与北江相汇后进入珠江三角洲网河区。西江、北江、东江汇入复合型的珠江三角洲网河后,经虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门、崖门八大口门入注南海,构成珠江独特的“三江汇集,八口分流”的水系特征。珠江三角洲气候宜人,耕地众多,水资源丰富,人口密集,是一个经济高度发达的地区,人类活动对该区域的影响较大,因此对珠江三角洲的环境研究就具有重要的意义。西江干流经思贤浯至南华分为东海水道和西海水道。西海水道百顷头以下称磨刀门水道。磨刀门水道出口灯笼山站的泄洪量和输沙量约占西江上游马口站泄流量和输沙量的1/3,是西江干流的出海口,是珠江的主要泄洪通道,亦是当前珠江三角洲西部地区与澳门之间的主要通道之一,具有重要的区位优势和开发潜力。珠江八大口门中磨刀门的分水量和分沙量最大,潮差最小,磨刀门是一个典型的以河流作用为主的河口,它为整个珠江三角洲的塑造和形成贡献了巨大力量,其近百年的沧桑变化更是另人瞩目。1.1.2磨刀门沉积化学过程的研究背景和意义珠江纳汇西、北、东江后进入三角洲河网区,最后分由八个口门注入南海。磨刀门是珠江主流西江的主要通道,是珠江最大的口门。磨刀门是西江干流的出海口,其径流下泄量约占西江径流总量的三分之一左右,来水来沙多使得河口区滩地淤积迅速,而人工围垦又加快了河口向海的延伸进程,时至今日,磨刀门内中山大学博士学位沦文 珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究海已基本围垦成陆,河口真正外延伸至开敞海域,也是珠江八大口门中唯一一个率先面海的口门。磨刀门的下泄量和排洪量为八大口门之冠,因此在珠江三角洲水系中有着极其重要的地位。近年来磨刀门河口虽然也有人类活动的存在,对其也进行过开发治理,围垦造田,但是磨刀门河口的开发强度还不大,水道的水深较浅,大船进不去,因此在航运方面并不发达,所受的人为污染比起其他海区就要小。在这种背景下对磨刀门地区的沉积化学环境(微量元素重金属和主要的常量元素)进行调查研究在某种意义上就相当于一个本底值,且以往都没有在磨刀门河口地区做过有关方面的研究,这就填补了该地区的一项环境研究的空白。该研究的结论也可用来同其他海区的相关研究结果进行比较,以供以后的研究者进行纵向和横向的比较。也便于为磨刀门河口今后的综合治理开发及其资源环境的可持续发展提供科学依据。1.2研究目标与方向1.通过实地调查采样和实验室分析研究,得出磨刀门表层沉积物中重金属的含量、富集特征、分布规律及影响因素:2.通过对所采的底泥样品的分析,得出磨刀门地区现阶段所受人类活动影响的程度,同其他海区、河口做相应的比较,得出相应的结论;3.对各元素进行相关分析,得出各种元素之间的回归方程和相关系数,以阐明其相互关系;4.采用生态危害指数法,对磨刀门河口重金属进行生态危害评价,以期得出磨刀门河口现在受污染的程度;5.在以上分析研究的基础上,争取得出磨刀门的沉积化学环境中所反映的陆海相互作用,从而提升到一定的理论高度。1.3研究的总体思路和框架1.3.1研究方法与技术路线本论文以沉积化学的研究方法为主,重点研究磨刀门河口的沉积化学特征、分布、变化、运动及其原因,并将动力过程和沉积过程相结合。中山大学博士学位论文 珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究在具体分析过程中,将沉积学、沉积化学、动力地貌学、河床演变学、河口动力学、泥沙运动力学等多学科相交叉;将动力、泥沙与地貌相结合,对比分析不同年份的图件资料,研究河口的各种过程:并借助磨刀门河口表层沉积物中各种离子含量的分布、富集特征及运移等问题进行研究。具体研究方法如下:(1)实地调查(野外采样和观测)和实验准备:采取点面结合,微观和宏观同步进行。选择在外海(10拦门沙顶部(站)和口内河段(大井角)受不同动力作用的3个测点(I、站),进行了潮周期内水文、泥沙测验;于2003年9月23~29日在磨刀门河口(卡亡洲至口外海滨段)采集120个表层沉积物样品(图1—1),采样深度大致相同,样品的位置分布也较合理、均匀,具有较强的代表性,能够较好的反应区域的实际情况。样品用抓斗式采样器采集,采样深度在20个样品重约5009左右。采用网格法选取了37个沉积化学样点的样品(见图1—2)置于烘箱内105。瑙球磨机研磨后过100目筛,储存备用。(2)室内实验:对所有沉积物样品进行了沉积物粒度分析,在此基础上,对所选取的37个沉积样品进行了传统七种阴阳离子(a+、1一、O。’)和重金属元素(b、d、g、i)等项目的分析。各测试项目依据国家标准分析方法进行,分别是:钾和钠的测定采用火焰原子吸收法。钾和钠均为溶解度很大的常量元索,原子吸收分光光度法又是灵敏度很高的方法,为了取得精密度好准确度高的分析结果,对所用玻璃器皿必须认真清洗;试剂及蒸馏水在同一批测定中必须使用同一规格同一瓶,而且应避免汗水、洗涤剂及尘埃等带来污染;在高温火馅中钾、钠易于电离,可加浓度为500可消除电离干扰;钙和镁的测定采用方法测定的最低浓度为0.05m 。由于浸提液含有碳酸氢钙,容易产生沉淀,使溶液浓度发生变化,因此浸出液提取后,应尽快进行此项测定;测定时加2滴1:1测液中若含量高时,在用着H)。的沉淀,一部分被吸附,可用减少吸收量的方法避免;测定采用硝酸银滴定法。根据分别沉淀的原理,在的溶液中山大学博士学位论文 珠江磨刀门河口的沉积化学环境研究中进行滴定,即本法宜在中性及微碱性溶液中进行滴定:待测液中如有颜色则要改用电位法滴定;用双指示剂滴定法。应注意的是:因故待测液制备好以后应立即进行此项测定;用甲基橙作指示剂滴定颜色较难准确掌握,可用蒸馏水加甲基橙后的橙色作对照;用了使淀完全,必须保证待测液中有足够过量的这可从滴定结果中看出,必须【二卜1/2则应减少吸取量重做;沉淀必须在沸腾的酸性溶液中进行,沉淀后必须充分冷却,陈化,以免沉淀颗粒过细或不完全;钡一镁混合剂中,添加一定量的镁作用是为了滴定终点清晰。重金属含量依据国家标准分析方法进行,仪器型号为:中,b、r、化方法为HN0
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