不同水流速度條件下鄱陽湖典型入湖河流沉積物重金屬Cu、Cd、Pb的釋放特征

張麗萍,王世亮*,余 楊

(1.曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院,山東 日照 276826；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

近年來，重金屬污染問題引起了學(xué)者和環(huán)境管理部門的高度重視。作為"匯"的沉積物也是水環(huán)境重金屬污染重要的“源”；因?yàn)楫?dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，吸附在沉積物中的重金屬也會(huì)釋放出來。水動(dòng)力因素是影響沉積物物質(zhì)遷移的重要因素之一。水動(dòng)力擾動(dòng)能夠引起水體-沉積物系統(tǒng)物質(zhì)的強(qiáng)烈交換[1]，沉積物的內(nèi)源釋放會(huì)直接或間接影響水生態(tài)系統(tǒng)[2]；而且沉積物中的所含有的大量其它物質(zhì)也會(huì)伴隨沉降和再懸浮過程中一起發(fā)生變化[3]。基于此，研究不同動(dòng)力條件下沉積物重金屬的釋放是了解水體環(huán)境污染物遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵問題。沉積物是水體環(huán)境中重金屬污染的歷史檔案庫，國(guó)內(nèi)外有眾多關(guān)于沉積物重金屬污染的研究[4]；對(duì)水動(dòng)力影響下沉積物重金屬釋放的研究也取得了有意義的結(jié)果[5]，但對(duì)不同水動(dòng)力條件影響下沉積物重金屬釋放通量的相關(guān)研究還較為缺乏。

因此，本研究在實(shí)地監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用水槽試驗(yàn)對(duì)不同水動(dòng)力條件影響下樂安河沉積物中典型重金屬的釋放特征進(jìn)行模擬研究，通過對(duì)實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比檢驗(yàn)，系統(tǒng)揭示沉積物重金屬的釋放規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置與方法

本研究使用可循環(huán)流動(dòng)水槽-水箱-水泵作為基本實(shí)驗(yàn)裝置，水箱規(guī)格為4m (長(zhǎng)) × 0.8m (寬) × 1m (高)；通過在水泵上安裝流量計(jì)和閘門來控制流量大小，最大流量為100m3/h；通過水泵與安裝在出水口的葉珊式尾門來控制水槽內(nèi)水位的穩(wěn)定。

本實(shí)驗(yàn)所用沉積物取自樂安河，以自來水為實(shí)驗(yàn)用水。先把沉積物均勻鋪在水槽底部(10cm)靜置24h；然后向水槽慢慢注入水至20cm，然后再靜置24h后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；控制流速分別為0，5，10，20，40，50，70cm/s，每個(gè)流速都保持1h。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集

在每個(gè)流速條件下取樣一次，取樣體積為50mL，所采集樣品用硝酸把pH值至2.0，然后置于冰箱中保存，直至分析。

1.2.2 分析項(xiàng)目與方法

本研究涉及的Cu、Cd、Pb的監(jiān)測(cè)分析方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[6]進(jìn)行。在本實(shí)驗(yàn)過程中，沉積物的溫度[7]、pH[8]，氧化還原電位[9]、沉積物粒徑[10]、有機(jī)質(zhì)含量[11]等理化性質(zhì)并沒有太多變化，故不進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

1.2.3 計(jì)算方法

本實(shí)驗(yàn)有關(guān)重金屬釋放通量計(jì)算方法按下式進(jìn)行計(jì)算[12]

r=[Va(Cn-C0)+∑nVi(Cj-1-Cn](/At)

(1)

式中r為重金屬釋放通量，μg/(m2·d)；Va為試驗(yàn)總用水體積，L；Cn為第n次取樣時(shí)所測(cè)重金屬濃度，μg/L；C0為重金屬初始濃度，μg/L；Vi為每次取樣體積，μg/L；Cj-1表示第j-1次取樣時(shí)重金屬濃度，μg/L；Cn為添加原水后重金屬濃度，μg/L；t為重金屬釋放時(shí)間，d為水槽中與水接觸的沉積物表面積，m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 水槽試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1.1 泥沙懸浮過程

按照泥沙起動(dòng)理論[13]，泥沙的起動(dòng)過程包括將動(dòng)未動(dòng)、少量動(dòng)、普遍動(dòng)3種狀態(tài)，在不同狀態(tài)下，沉積物重金屬的釋放不同。在流速約為20 cm/s時(shí)，沉積物處于"將動(dòng)未動(dòng)"狀態(tài)，沉積物表面所受剪切力開始慢慢增大，固液界面開始懸浮一層很薄的稀釋懸揚(yáng)轉(zhuǎn)化[14]；當(dāng)流速達(dá)到20～50cm/s時(shí)，沉積物將處于“少量動(dòng)”狀態(tài)，此時(shí)水流紊流作用增強(qiáng)，水槽中有部分小塊泥沙被沖起而懸浮在沉積物表面[15]；當(dāng)流速達(dá)到約60～70 cm/s時(shí)，沉積物處于"普遍動(dòng)"狀態(tài)，此時(shí)紊動(dòng)作用更加明顯，底部沉積物將被成片掀起[16]，水體很快呈渾濁狀態(tài)。

2.1.2 不同流速條件下沉積物重金屬的釋放

對(duì)水槽實(shí)驗(yàn)水體中Cu、Cd、Pb的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，通過其濃度變化研究沉積物中上述元素的的釋放速率；實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 不同流速條件下上覆水中重金屬的濃度變化曲線

由圖1可以看出，上覆水中Cu、Cd、Pb的濃度隨著流速的增大而明顯的升高；當(dāng)流速低于20cm/s時(shí)，重金屬的濃度增加幅度并不明顯，這是由于此時(shí)沉積物只收到輕微的擾動(dòng)，還沒有出現(xiàn)明顯懸?。凰?，此時(shí)釋放的絕大多數(shù)是沉積物間隙水中的重金屬。

隨著流速變大，沉積物由“將動(dòng)未動(dòng)”向“少量動(dòng)”狀態(tài)轉(zhuǎn)換，上覆水體中重金屬的濃度出現(xiàn)了明顯升高，這是由于此時(shí)沉積物已開始大量起動(dòng)，間隙水中的重金屬開始大量釋放，同時(shí)沉積物吸附的重金屬元素隨著懸浮的加劇也開始釋放到上覆水中。

隨著流速進(jìn)一步增大，達(dá)到約60 cm/s時(shí)，上覆水中重金屬濃度及沉積物重金屬釋放通量以較大的幅度增加。當(dāng)流速度達(dá)到70 cm/s時(shí)，Cu、Cd、Pb濃度約是靜水狀態(tài)的5倍，釋放量也大幅度增加，如Pb釋放通量是靜水時(shí)48倍之多，由此可見，高流速條件可導(dǎo)致沉積物重金屬的大量釋放[17]，所以，水動(dòng)力條件對(duì)水/沉積物系統(tǒng)中重金屬的遷移有重要的影響。

圖2 不同水動(dòng)力條件下重金屬的釋放通量與流速的關(guān)系曲線

通過對(duì)圖1和圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，對(duì)水槽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與水流速度進(jìn)行擬合處理，可以得到樂安河沉積物中Cu、Cd、Pb在不同水動(dòng)力條件下釋放通量(y，mg/(m2·d))與流速(x，cm/s)的關(guān)系式：

y=138.6e0.031x,(R2=0.981)

(2)

y=3.02e0.071x,(R2=0.984)

(3)

y=0.272e0.051x,(R2=0.969

(4)

通過式(2)-(4)的數(shù)量關(guān)系可以看出：沉積物重金屬的釋放量與流速之間呈指數(shù)關(guān)系；在一定流速范圍內(nèi)，釋放量隨流速的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

2.2 模擬結(jié)果在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上述數(shù)量關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。2017年11月底在樂安河注入鄱陽湖河口采集表層沉積物樣品(0～10cm)，同時(shí)對(duì)采樣斷面水流速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)值如表1。

表1 不同流速下水體重金屬濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

采樣點(diǎn)水深為5.89m，采樣過程中經(jīng)歷無風(fēng)靜止、小風(fēng)(流速0.05、0.10m/s)、中風(fēng)(流速0.20、0.35 m/s)、大風(fēng)(水體流速0.57、0.68 m/s)四個(gè)過程，代表性較好。每種狀態(tài)下的水樣采集后，對(duì)其Cu、Cd、Pb含量進(jìn)行分析；先根據(jù)式(2)～(4)計(jì)算獲得釋放通量，然后將求出的釋放通量值帶入到公式(1)中，從而得到對(duì)應(yīng)的重金屬濃度值。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值結(jié)果如表2所示。此結(jié)果表明：數(shù)量關(guān)系式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差保持在5%至25%之間，兩個(gè)值吻合度較高，從而驗(yàn)證本研究所得到的沉積物重金屬釋放通量與流速的數(shù)量關(guān)系具有較好的適用性。

表2 不同流速下水體重金屬濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

3 結(jié)論與展望

本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同水流速度條件下樂安河沉積物Cu、Cd、Pb的釋放特征進(jìn)行了研究，得到了如下主要結(jié)論：(1)隨著水流速度的增大，沉積物中四種重金屬的釋放量都呈增大的趨勢(shì)；(2)當(dāng)沉積物的狀態(tài)從“將動(dòng)未動(dòng)”轉(zhuǎn)換為“少量動(dòng)”時(shí)，水體中重金屬濃度增加明顯；(3)當(dāng)沉積物狀態(tài)為“普遍動(dòng)”時(shí)，沉積物中重金屬的釋放通量增加幅度最為明顯；(4)沉積物重金屬的釋放量與流速之間呈指數(shù)關(guān)系，此數(shù)量關(guān)系具有較好的科學(xué)性和適用性。