潮汐作用對通江湖泊重金屬鎘的三相分布特征影響

， ，，

(1.河海大學(xué) a.淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.江蘇潤環(huán)環(huán)境科技有限公司，南京 210000)

1 研究背景

重金屬具有高毒性、持久性、難降解性等特點(diǎn)[1-8]，長期以來，重金屬污染問題熱度居高不下。目前國內(nèi)外學(xué)者針對重金屬的研究主要有如下成果：何江等[9]評價(jià)黃河包頭段水體中重金屬的危害程度，結(jié)果表明，鉛鎘等重金屬的危害性大，更易造成污染；于瑞蓮等[10]測定錦江感潮河段表層沉積物中12種重金屬含量并評價(jià)其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)鎘污染及其生態(tài)危害性非常嚴(yán)重；Garcia等[11]監(jiān)測了委內(nèi)瑞拉西海岸重金屬隨時(shí)間變化情況，并進(jìn)行薈萃分析，結(jié)果表明，2000年和2001年水中重金屬濃度高于1995年和1997年，且鎘濃度增長尤其明顯；滕德強(qiáng)等[12]采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對長江口及其臨近海域的表層沉積物中重金屬進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)影響最大的元素首先為鎘，其次為汞；王沛芳等[13]分析太湖表層沉積物中的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，沉積物中鎘的含量較低，但可交換態(tài)所占比例最高，遷移性最強(qiáng)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大；Hiller等[14]運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)(RAC)法對斯洛伐克的Ruzin和Velke Kozmalovce水庫沉積物重金屬含量進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)鎘對水環(huán)境構(gòu)成了非常高的風(fēng)險(xiǎn)；孟博等[15]研究了北京涼水河沉積物不同粒徑中重金屬形態(tài)分布特征，其研究結(jié)果表明殘?jiān)鼞B(tài)重金屬含量遠(yuǎn)大于其他形態(tài)；畢春娟等[16]對長江口崇明東灘近岸水體的重金屬銅、鎘等含量的分析發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)重金屬的潮周期變化主要與水動力條件有關(guān)；萬群等[17]對三峽工程截流后洞庭湖內(nèi)銅、鋅等重金屬的濃度值進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示湖區(qū)內(nèi)重金屬的濃度在豐水期波動幅度較大，說明重金屬含量受水文條件影響顯著；黃本生等[18]根據(jù)重金屬傳質(zhì)過程及其在體積單元中的質(zhì)量變化率，建立河流重金屬遷移轉(zhuǎn)化耦合穩(wěn)態(tài)模型與紊動模型，在一定的邊界條件和起始條件下可實(shí)現(xiàn)模型的簡化求解；黃歲梁等[19-20]從吸附反應(yīng)動力學(xué)方程和質(zhì)量法守恒方程出發(fā)，得到單位重量泥沙剩余吸附量和水相濃度的計(jì)算公式。

這些研究圍繞重金屬的探討取得了顯著成果，但針對通江湖泊開展的重金屬3種相態(tài)(沉積態(tài)、懸浮態(tài)、溶解態(tài))之間遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究卻不多見。重金屬不同形態(tài)對環(huán)境有不同影響，水體中的重金屬一般大量以懸浮態(tài)和沉積態(tài)存在，主要對水體中底棲生物和水生植物造成影響。重金屬在水中的溶解度雖然不高，但易與水中的其他毒素或非毒素物質(zhì)結(jié)合生成毒性更大的有害物質(zhì)，嚴(yán)重危害水體及人類健康。

本文以長江下游典型的感潮通江湖泊鎮(zhèn)江金山湖為例(圖1)，選取金山湖潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大的鎘因子[21]，通過試驗(yàn)定量研究鎘在金山湖溶解-懸浮-沉積三相之間的分布，并分區(qū)對金山湖一個(gè)典型全日潮過程開展數(shù)值模擬，探究金山湖沉積物鎘的三相分布規(guī)律，以期為進(jìn)一步揭示通江湖泊重金屬遷移運(yùn)輸過程提供借鑒和參考。

2 金山湖重金屬鎘三相轉(zhuǎn)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

為研究不同水動力擾動下，金山湖重金屬在沉積物與上覆水之間的輸移機(jī)制，本研究于2014年9月，在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所開展了重金屬遷移模擬試驗(yàn)，采用環(huán)形水槽(圖2)模擬湖內(nèi)水流過程。該環(huán)形水槽由上盤、下盤、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架組成，下盤環(huán)形水槽內(nèi)壁、外壁、槽底為有機(jī)玻璃材料，固定于可隨電機(jī)轉(zhuǎn)動的金屬結(jié)構(gòu)底盤上，外壁與內(nèi)壁直徑分別為120 cm和80 cm，中間寬度為20 cm，水槽高40 cm，樣品可從外壁6，18，30 cm處的取樣口取出。

圖2 環(huán)形水槽試驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of annular sink

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前需用示蹤物進(jìn)行率定[22]，示蹤物選擇小而輕的圓球形干燥劑。針對本研究所設(shè)定試驗(yàn)流速、水深、底泥厚度，在模擬試驗(yàn)前對相應(yīng)的流速及水深對應(yīng)的上盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行率定。

本研究布置了3組動力擾動試驗(yàn)，試驗(yàn)沉積物均為2014年8月金山湖湖床表層淤積的原型天然砂，上覆水為金山湖原位水樣(采樣點(diǎn)布設(shè)見圖1，Ⅰ 區(qū)為引航道區(qū)， Ⅱ 區(qū)為中泓區(qū)， Ⅲ 區(qū)為北部湖區(qū)， Ⅳ 區(qū)為南部湖區(qū)， Ⅴ 區(qū)為焦南閘區(qū))。每組試驗(yàn)沉積物厚度為6 cm，試驗(yàn)前將沉積物混合均勻，均勻鋪在水槽底部，待其自然沉降密實(shí)1 d，之后緩慢注入原水至試驗(yàn)水深。3組試驗(yàn)水深h分別為12，18，24 cm。根據(jù)金山湖野外實(shí)測流速范圍，設(shè)定水槽內(nèi)水流速度為0,0.1，0.2，0.3，0.5，0.7 m/s，各轉(zhuǎn)速分別旋轉(zhuǎn)30 min以達(dá)到水流穩(wěn)定。在本試驗(yàn)中，對影響輸移過程的pH值、溫度等因子，3組試驗(yàn)均維持一致水平(試驗(yàn)溫度在20 ℃左右，pH調(diào)至7.0左右)。每組試驗(yàn)過程中，通過環(huán)形水槽外壁的取樣口取適量水樣及沉積物樣測定。測定時(shí)采用ICP-MS法分別測定各組水樣、懸浮泥沙及沉積物中鎘含量。

圖3 不同水深條件下床面切應(yīng)力及懸浮物起懸濃度分布Fig.3 Distribution of bed shear force and suspended concentration under different water depth conditions

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 沉積物起懸特征

沉積物起懸主要取決于床面附近的水流狀況，因試驗(yàn)水深條件與實(shí)際水深條件的差異，采用能夠描述底部水流情況的臨界起動切應(yīng)力進(jìn)行分析更為合適[23-26]。本文運(yùn)用式(1)將試驗(yàn)流速轉(zhuǎn)化為臨界起動切應(yīng)力，分析沉積物重金屬的釋放規(guī)律。

(1)

式中：τe為床面剪切動應(yīng)力；ρ為水的密度；u*為摩阻流速；uc為斷面平均流速；κ為卡門常數(shù)；y為距床面高程0.37倍水深；ks為沙粒糙率，可取為泥沙粒徑；Bs為床面附近水流特征的無量綱函數(shù)。

3組擾動試驗(yàn)切應(yīng)力分布及沉積物起懸過程見圖3，結(jié)果表明：在相同流速條件下，水深越小，床面剪切應(yīng)力越大。

2.3.2 重金屬鎘的遷移特征

分析鎘在沉積物-上覆水-懸沙三相間含量隨水深、流速的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 重金屬鎘在沉積物-上覆水-懸沙三相間的含量變化過程線Fig.4 Changes of cadmium concentration in sediment,overlying water, and suspended sediment

由圖4可知：水深條件及床面擾動強(qiáng)度對環(huán)形水槽中沉積態(tài)-懸浮物吸附態(tài)-溶解態(tài)鎘的遷移交換機(jī)制影響顯著。

(1)床面擾動強(qiáng)度的影響。在低擾動強(qiáng)度下(0～0.2 m/s)，床面切應(yīng)力很小，沉積態(tài)鎘濃度基本穩(wěn)定。隨擾動強(qiáng)度增加，沉積態(tài)鎘濃度基本呈遞減趨勢，懸浮物吸附態(tài)鎘濃度基本呈現(xiàn)遞增趨勢；然而當(dāng)擾動流速低于某一值時(shí)(本試驗(yàn)為0.5 m/s)，懸浮物吸附態(tài)鎘與溶解態(tài)鎘有著復(fù)雜的吸附與解吸過程(這與起懸顆粒粒徑、起懸先后順序即粒徑小的顆粒先起懸、吸附解析平衡等有關(guān))，這一過程同時(shí)帶有一定選擇性，因此溶解態(tài)鎘濃度變化相對復(fù)雜。在高強(qiáng)度擾動下各組試驗(yàn)溶解態(tài)鎘濃度均比初始試驗(yàn)濃度有所降低，說明鎘在上覆水體中更易于以懸浮物吸附態(tài)存在。

(2)水深條件的影響。中高擾動強(qiáng)度下，水深與床面的切應(yīng)力呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。相同流速下，水深越深，沉積物起懸量越小。但在床面剪切力并未達(dá)到能使沉積物大量起懸時(shí)，不同水深組沉積物上覆水中的顆粒濃度梯度不同，由于顆粒間的碰撞、絮凝等二次沉降作用，鎘的三相分布并不滿足上述關(guān)系。

3 金山湖重金屬鎘的遷移模型

3.1 基本控制方程與數(shù)值解法

基于二維水流、懸浮物、重金屬耦合水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，模擬金山湖鎘遷移過程，基本控制方程用式(2)表示，其中水動力方程采用二維淺水方程描述水流過程；泥沙運(yùn)輸方程綜合考慮泥沙在水流作用下的遷移擴(kuò)散與沉降起懸[27]。

(2)

其中：

式中：Sfx，Sfy分別為x，y向的摩阻底坡；S0x，S0y分別為x，y向的河底底坡；Fx，F(xiàn)y分別為摩擦力在x，y向上的分量(風(fēng)應(yīng)力即通過Fx，F(xiàn)y而起作用)；ρ，ρa(bǔ)分別為水和空氣的密度；h為水深；t為時(shí)間；CD為風(fēng)拖曳系數(shù)；ua，va分別為風(fēng)速在x，y方向上的分量；u，v分別為x，y方向垂線平均水平流速分量；g為重力加速度；f為科氏參數(shù)；S為水體懸浮顆粒濃度；Dx，Dy分別為水流作用下懸浮顆?？v向、橫向擴(kuò)散系數(shù)；Fs為懸浮顆粒源匯項(xiàng)，即顆粒上揚(yáng)與沉降凈通量，采用切應(yīng)力概念；Cd為水體中重金屬鎘濃度；Ex，Ey分別為水流作用下重金屬鎘的縱向、橫向擴(kuò)散系數(shù)，SCd為鎘的源匯項(xiàng);Zb為河床高程。

上述方程可以進(jìn)行聯(lián)合求解，寫為以下形式[28]，即

(3)

式中：q為守恒物理量；f(q)，g(q)分別為x，y方向通量；b(q)為源匯項(xiàng)。具體解算過程見文獻(xiàn)[29]和文獻(xiàn)[30]。

圖7 一個(gè)全日潮內(nèi)各湖區(qū)鎘濃度的三相分布數(shù)值模擬結(jié)果(2017年)Fig.7 Numerical simulation result of cadmium concentration in three phases in different lake areas within a diurnal tide in 2017

3.2 模型的率定驗(yàn)證

運(yùn)用2007年8月金山湖實(shí)測水體鎘濃度數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，重金屬本底值設(shè)定為本研究重金屬監(jiān)測值，水文條件參照《金山湖水系控制運(yùn)行方案(試行)》確定。根據(jù)地形資料，應(yīng)用gambit軟件將金山湖劃分為2 642個(gè)四邊形單元網(wǎng)格，共2 880個(gè)節(jié)點(diǎn)，平均網(wǎng)格尺寸為50 m×50 m。以引航道以及焦南閘實(shí)測水文數(shù)據(jù)作為計(jì)算邊界，考慮計(jì)算穩(wěn)定性及精度，取時(shí)間步長t為1 s，湖底糙率0.025，紊動黏性系數(shù)0.2 m2/s，風(fēng)拖曳系數(shù)CD=0.001 3，泥沙率定驗(yàn)證結(jié)果見圖5。根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)計(jì)算金山湖3個(gè)點(diǎn)位重金屬鎘的濃度值，并與實(shí)測值進(jìn)行對比，見表1。結(jié)果表明：模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值擬合效果較好，相對誤差在25%以內(nèi)，模型能夠較準(zhǔn)確地反映金山湖水動力條件及重金屬鎘的遷移。

圖5 金山湖泥沙率定驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Calibration results of sedimentation in Jinshan Lake

點(diǎn)位實(shí)測值/(mg·L-1)計(jì)算值/(mg·L-1)誤差/%A1×10-49.2×10-58B5×10-56.2×10-524C5×10-55.8×10-516

4 潮汐過程對金山湖鎘的三態(tài)影響

金山湖分區(qū)如圖6所示。運(yùn)用所建數(shù)學(xué)模型分區(qū)對2014年全日潮過程金山湖鎘的三相轉(zhuǎn)化進(jìn)行數(shù)值模擬，繪制過程線見圖7和圖8，根據(jù)結(jié)果分區(qū)分析全日潮鎘的三相分布特征。

圖6 金山湖分區(qū)Fig.6 Zoning of Jinshan Lake

圖8 一個(gè)全日潮內(nèi)金山湖鎘的三相分布數(shù)值模擬Fig.8 Numerical simulation of cadmium distribution in three phases in Jinshan Lake within a diurnal tide

(1) 在每個(gè)湖區(qū)，鎘的三相分布峰谷值規(guī)律及變化趨勢大致相同，總體上每個(gè)湖區(qū)每種形態(tài)鎘分別出現(xiàn)2個(gè)波峰和2個(gè)波谷。沉積態(tài)鎘與溶解態(tài)鎘變化趨勢相近，與懸浮態(tài)鎘變化趨勢相反。這主要因?yàn)槁涑彪A段金山湖以出流為主，水流擾動較大，沉積物鎘釋放率較高，上覆水中的鎘傾向于以懸浮吸附態(tài)存在；而在漲潮階段，外部長江水位的頂托作用降低了金山湖水流挾沙力，水體中懸浮態(tài)重金屬隨泥沙顆粒沉降作用顯著，沉積物釋放較弱。

(2) 盡管每個(gè)湖區(qū)三相分布峰谷值規(guī)律相近，但到達(dá)峰谷值的時(shí)間各不相同，其三態(tài)濃度的變異系數(shù)(見表2)亦不相同，引航道區(qū)與焦南閘區(qū)的變異系數(shù)明顯偏高。這是由于各湖區(qū)與長江水體的相對位置不同，其中，引航道區(qū)與焦南閘區(qū)分別與長江不同段直接相通，受長江徑流與潮流的影響在時(shí)間上最早，強(qiáng)度上最大，而當(dāng)徑流與潮流的影響經(jīng)過引航道區(qū)、焦南閘區(qū)的緩沖到達(dá)北部湖區(qū)、中泓區(qū)、南部湖區(qū)時(shí)，長江徑流與潮流對這3個(gè)湖區(qū)的影響時(shí)間及程度都有所衰減。

表2 各湖區(qū)三相態(tài)鎘變異系數(shù)Table 2 Coefficient of variation of cadmium ofthree phases in different lake areas

(3) 考慮鎘在全湖的遷移情況，由于溶解態(tài)鎘含量與顆粒態(tài)鎘(懸浮態(tài)與沉積態(tài))含量相差多個(gè)數(shù)量級，故這里僅考慮顆粒態(tài)鎘的遷移情況。南部湖區(qū)與中泓區(qū)顆粒態(tài)鎘相對平穩(wěn)，北部湖區(qū)與焦南閘區(qū)顆粒態(tài)鎘平均濃度變化趨勢相似，均在18日20：00左右達(dá)到峰值，在19日7：00左右達(dá)到次高峰，在18日13：00與19日6：00左右達(dá)到谷值，而引航道區(qū)變化趨勢與此相反。這主要因?yàn)槁涑彪A段金山湖以出流為主，湖內(nèi)水流方向自西向東，匯向位置偏東的北部及焦南閘湖區(qū)；而在漲潮階段，湖內(nèi)流速放緩，東向流不顯著，引航道區(qū)鎘含量逐步回升，北部及焦南閘湖區(qū)則呈下降趨勢。

5 結(jié) 論

為了研究不同動力擾動下，金山湖重金屬在沉積物與上覆水之間的輸移機(jī)制，采用環(huán)形水槽模擬湖內(nèi)水流過程，進(jìn)行重金屬遷移模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明：中高擾動強(qiáng)度下，在相同流速條件時(shí)，水深越小，床面剪切應(yīng)力越大，隨流速增加，沉積態(tài)鎘與溶解態(tài)鎘均呈現(xiàn)下降趨勢，懸浮物吸附態(tài)鎘則呈現(xiàn)上升趨勢；低擾動強(qiáng)度時(shí)，水深與三相分布的關(guān)系受到顆粒性質(zhì)、床面性質(zhì)的影響，除了沉積態(tài)鎘較為穩(wěn)定，沒有表現(xiàn)出其他明顯的規(guī)律。

利用二維水流、懸浮物、重金屬耦合水環(huán)境數(shù)學(xué)模型分區(qū)模擬金山湖一個(gè)全日潮鎘遷移過程，結(jié)果表明：在每個(gè)湖區(qū)內(nèi)部，三態(tài)濃度大致呈兩波峰兩波谷趨勢，且溶解態(tài)鎘和沉積態(tài)鎘趨勢相近，與懸浮態(tài)相反；各湖區(qū)之間由于與長江相對位置不同，受潮流影響時(shí)間不同，因而各區(qū)三態(tài)濃度到達(dá)波峰波谷的時(shí)間及變異系數(shù)亦不相同；從全湖來看，在潮汐影響下，受金山湖內(nèi)水流流向及流速的影響，在落潮階段，北部湖區(qū)及焦南閘區(qū)鎘濃度較高；在漲潮階段，該趨勢逐漸消失。