烏梁素海重金屬在冰水介質(zhì)中遷移效應(yīng)研究

孫 馳，王 俊，吳 用，史小紅，劉艷芳，陳一博

（1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450053； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

烏梁素海位于我國蒙新高原湖區(qū)中部，是北方寒旱區(qū)草型淺水湖泊的典型代表。 烏梁素海水量少，水體自凈能力弱，烏梁素海退水水質(zhì)直接影響黃河中上游水質(zhì)安全。 烏梁素海每年有4 ～6 個(gè)月處于冰封狀態(tài)，且湖泊水深較淺，冬季湖水結(jié)冰厚度最大可達(dá)湖泊水深的2／3［1］。 結(jié)冰使得未凍結(jié)的湖泊水體中的污染物濃度濃縮增大，因此冬季湖泊水環(huán)境惡化。 凍融過程中伴隨著能量的巨大變化，所形成的勢(shì)梯度引起物質(zhì)遷移運(yùn)動(dòng)。 結(jié)合能是單個(gè)原子（體系）結(jié)合成相應(yīng)分子材料時(shí)釋放的能量，釋放的能量越多材料越穩(wěn)定，因此重金屬離子在冰體和水體中的結(jié)合能可以用來判斷重金屬離子在兩種介質(zhì)中的穩(wěn)定性［2］。

影響水結(jié)冰的因素很多，如溶液初始重金屬質(zhì)量濃度、溶液pH 值、環(huán)境溫度等。 呂宏洲［3］通過模擬總氮、總磷、重金屬等污染物在不同結(jié)冰溫度和不同溶液初始重金屬質(zhì)量濃度條件下的分布情況，摸清了污染物在冰水介質(zhì)中分配系數(shù)的變化規(guī)律。 姜慧琴［4］探討了不同營養(yǎng)鹽濃度、pH 值和凍結(jié)溫度條件下，營養(yǎng)鹽在冰體中的分布特征和凍融過程中的釋放規(guī)律。 本文基于烏梁素海實(shí)際結(jié)冰過程，運(yùn)用自制單向結(jié)冰模擬器模擬湖泊結(jié)冰過程，定量分析溶液初始重金屬質(zhì)量濃度、pH 值、環(huán)境溫度對(duì)各重金屬離子在冰水介質(zhì)中遷移量的影響；將冰體中重金屬濃度與冰下水體中重金屬濃度的比值作為分配系數(shù)，通過分配系數(shù)分析湖泊重金屬在環(huán)境介質(zhì)中的分布情況，并找出分配系數(shù)與結(jié)合能之間的關(guān)系，進(jìn)一步分析重金屬遷移規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特前旗，湖泊總面積為293 km2，南北長35 ～40 km，東西寬5 ～10 km。烏梁素海是黃河流域最大的淡水湖，儲(chǔ)水量為2.5 億～3.0億m3，平均水深約1.5 m，湖泊水體滯留時(shí)間為160～220 d［5］。 烏梁素海承擔(dān)了黃河豐、平、枯季的水量調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化以及冬季防凌防汛等任務(wù)，同時(shí)烏梁素海是內(nèi)蒙古巴彥淖爾市最大的漁業(yè)基地和蘆葦產(chǎn)地［6］。

烏梁素海水環(huán)境污染類型復(fù)雜，湖泊水體電導(dǎo)率（EC）為2.01 ～7.85 mS／cm，平均值為3.3 mS／cm。 受上游河套灌區(qū)農(nóng)田退水中氮、磷污染影響，目前烏梁素海氮含量較高，最大值為3.04 mg／L，超出地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；磷含量最大值為0.25 mg／L，超出地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。 湖泊沉積物重金屬污染嚴(yán)重，主要重金屬污染物有Hg、As、Cd、Cu 等。 重金屬Hg 污染相對(duì)較嚴(yán)重，水體中Hg 含量為0.50 ～1.44 μg／L，平均含量為1.04 μg／L，超出地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（0.1 μg／L）和國家漁業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)（0.5 μg／L）。 湖泊沉積物中Hg 含量為0.013～0.135 mg／kg，平均值為0.054 mg／kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

試驗(yàn)將自制一維單向結(jié)冰模擬器（專利號(hào)：ZL 2014 2 0687278.6）放在一間完全制冷的實(shí)驗(yàn)室里模擬自然界湖泊水體自上而下的結(jié)冰過程。 模擬器由大小兩個(gè)圓柱體嵌套成的空心圓柱體組成，內(nèi)部小柱體敞口，用于放置試驗(yàn)水樣，大小圓柱體之間以及底部填充保溫材料，確保冷能只能從小圓柱體上部敞口處向下傳遞，以此模擬湖泊在自然條件下從上而下的結(jié)冰過程。 小圓柱體可以取出，方便結(jié)冰后冰柱脫出。 小圓柱體底端設(shè)有活塞，用來緩沖結(jié)冰過程中因冰體膨脹而產(chǎn)生的壓力。

在烏梁素海多年水環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)其環(huán)境特征設(shè)計(jì)室內(nèi)模擬試驗(yàn)。 為了分析溶液初始重金屬質(zhì)量濃度、環(huán)境溫度、pH 值對(duì)重金屬在湖泊環(huán)境中遷移的影響，選取湖泊水體中常見的重金屬（Cu、Fe、Mn、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg、As）配置水樣。 在超純水（電阻率為18.2 MΩ·cm）中加入不同質(zhì)量濃度重金屬標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為試驗(yàn)水樣（見表1）。 參考烏梁素海1977—2015年平均低氣溫（約－22.2 ℃）設(shè)置結(jié)冰溫度為－15、－25℃。 pH 值設(shè)置為5、11，分別代表酸性和堿性條件。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），烏梁素海水質(zhì)為Ⅴ類水［4］。 為了減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)水樣C1重金屬初始質(zhì)量濃度設(shè)置為地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，以及集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目中鐵、錳的標(biāo)準(zhǔn)限值。 試驗(yàn)水樣C0重金屬初始質(zhì)量濃度全部設(shè)置為10 mg／L。

將配置好的水樣（2 L）倒入結(jié)冰模擬器后，參考烏梁素海2012—2016 年冰封期冰厚為水深的1／3 ～1／2［7］，當(dāng)水樣的結(jié)冰體積為總體積的1／2 時(shí)取出，冰體融化后測(cè)定各重金屬含量。 每組處理做3 個(gè)平行試驗(yàn)。 采用分配系數(shù)表征不同重金屬物質(zhì)在水體結(jié)冰過程中由冰體向水體中的排出效應(yīng)，分配系數(shù)計(jì)算公式：

式中：CS為冰體中重金屬的質(zhì)量濃度；CL為冰下水體中重金屬的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果分析

2.1 溶液初始重金屬質(zhì)量濃度對(duì)重金屬遷移的影響

不同溶液初始重金屬質(zhì)量濃度重金屬在冰體中質(zhì)量濃度分布見圖1（柱狀圖為重金屬的質(zhì)量濃度、線狀圖為分配系數(shù)），可以看出，溶液初始重金屬質(zhì)量濃度越大，冰體中重金屬質(zhì)量濃度越大；重金屬初始質(zhì)量濃度相同時(shí)，不同重金屬在冰體中含量存在顯著差異，其質(zhì)量濃度由大到小為Fe＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb。

從溶液物理化學(xué)角度分析，溶液具有黏度，黏度大小由分子間作用力和分子大小決定，分子越大，黏度越大。 水分子間的氫鍵有團(tuán)簇間氫鍵和團(tuán)簇內(nèi)氫鍵兩類，它們之間存競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系［8］。 對(duì)于黏度的貢獻(xiàn)而言，團(tuán)簇內(nèi)氫鍵的作用遠(yuǎn)大于團(tuán)簇間氫鍵的作用。 溶液濃度增大，黏度增大，團(tuán)簇間氫鍵的作用增強(qiáng)，擴(kuò)散系數(shù)減小，導(dǎo)致二次成核［9］，更多粒狀冰晶形成，冰晶表面積增加，從而更多溶質(zhì)留在冰中［10］。 重金屬離子在水溶液中被若干水分子包圍，如Zn2＋、Cu2＋等隨著電解質(zhì)溶液濃度的增大，水合作用減弱，水合數(shù)減?。?1］。 試驗(yàn)所配溶液為NO－3環(huán)境下的重金屬離子溶液，在Cu2＋稀溶液中，水分子個(gè)數(shù)較多，Cu2＋個(gè)數(shù)較少，Cu2＋與水分子相互作用較強(qiáng)，因此Cu2＋結(jié)合的水分子個(gè)數(shù)較多，形成水和離子結(jié)構(gòu)的第一水合層的水合數(shù)較大，Cu－Cu、Cu－NO－3相互作用較弱；在Cu2＋濃溶液中，水分子的個(gè)數(shù)較少，Cu2＋個(gè)數(shù)較多，Cu－Cu、Cu－NO－3 成鍵概率增大，作用較強(qiáng)，Cu2＋與O 結(jié)合的位置被NO－

3 占據(jù)，因此Cu2＋的水合數(shù)減小。 同樣，在低濃度Zn（NO3）2水溶液中，Zn2＋的第一層水合數(shù)為6，在高濃度Zn（NO3）2水溶液中，Zn2＋的第一層水合數(shù)為4，隨著溶液濃度的升高，Zn2＋與水分子形成的正八面體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成正四面體結(jié)構(gòu)。 Zn2＋第一水合層的構(gòu)型為Zn（H2O）26＋＝Zn（H2O）24＋＋2H2O。 根據(jù)離子締合理論［12－14］，在強(qiáng)電解質(zhì)溶液中存在靜電引力，當(dāng)濃度為一定值時(shí)，離子間可能形成各種形式的離子對(duì)，這種離子對(duì)雖然不是熱力學(xué)穩(wěn)定物質(zhì)，但可以瞬間存在，與未成對(duì)離子和各種形式的離子對(duì)間保持平衡。 因此重金屬離子濃度增大，離子水合的分子數(shù)減小，離子間吸引力增強(qiáng)。 結(jié)冰過程中伴隨著氫鍵斷裂和締合，冰體中重金屬離子的質(zhì)量濃度隨著溶液初始重金屬質(zhì)量濃度的增大而增大。

從圖1 可以看出，溶液初始重金屬質(zhì)量濃度越大，冰體中重金屬質(zhì)量濃度越大，但由于冰體中重金屬含量相較于整個(gè)冰水體系中的小，冰體中重金屬的增加量遠(yuǎn)小于冰下水體的，因此分配系數(shù)呈減小趨勢(shì)。 同一溶液初始重金屬質(zhì)量濃度下，不同種類重金屬在冰水介質(zhì)中的分配系數(shù)也存在顯著差異，K由大到小為

Fe＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb。

2.2 pH 值對(duì)重金屬遷移的影響

實(shí)驗(yàn)室模擬湖泊結(jié)冰過程，當(dāng)溶液初始重金屬質(zhì)量濃度均為10 mg／L，溫度為－25 ℃，pH 值分別為5、11 時(shí)，冰體中重金屬質(zhì)量濃度見圖2（柱狀圖為重金屬的質(zhì)量濃度、線狀圖為分配系數(shù)）。 酸性條件下冰體中重金屬質(zhì)量濃度高于堿性條件下的。 相同pH 值環(huán)境下，不同種類重金屬在冰體中的含量不同，其由大到小的順序?yàn)镕e＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb。 相同pH 值環(huán)境下，不同種類重金屬在冰水介質(zhì)中的分配系數(shù)存在顯著差異，其K值由大到小為Fe＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb。

以Zn 為例從溶液化學(xué)角度分析，pH 值升高可導(dǎo)致水溶液Zn2＋局域環(huán)境結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性改變。 在酸性條件下，Zn2＋的水合數(shù)為6，Zn－O 原子平均間距為0.208 nm，隨著pH 值升高，Zn2＋的水合數(shù)為4，微觀結(jié)構(gòu)從八面體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗拿骟w結(jié)構(gòu)，Zn－O 原子間距變?yōu)?.196 nm［15］。 也就是說，隨著pH 值的增大，電解質(zhì)溶液中離子的水合數(shù)減小，Zn－O 原子間距離減小，重金屬離子與周圍水體中O 之間相互作用力增強(qiáng)，在未結(jié)冰前水溶液中重金屬離子與水結(jié)合力更強(qiáng)，在結(jié)冰過程中，重金屬離子不易向冰下水體排出，更多的重金屬離子被凍結(jié)在冰體中，因此留在冰體中的重金屬離子質(zhì)量濃度更大。

2.3 環(huán)境溫度對(duì)重金屬遷移的影響

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，溶液初始重金屬質(zhì)量濃度均為10 mg／L 條件下，－25 ℃溫度時(shí)各冰層中重金屬質(zhì)量濃度均大于－15 ℃的，見圖3（T為溫度，柱狀圖為重金屬的質(zhì)量濃度、線狀圖為分配系數(shù)）。 相同溫度條件下，不同種類重金屬在冰體中的含量不同，其由大到小的順序?yàn)镕e＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb。 －25℃時(shí)的K值明顯小于－15 ℃時(shí)的K值，說明緩慢結(jié)冰有助于重金屬物質(zhì)從冰相排出到冰下水相。 對(duì)于相同的溫度，不同種類重金屬在冰水介質(zhì)中的分配系數(shù)K不同，其由大到小的順序?yàn)镕e＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb。

環(huán)境溫度較高時(shí)，冰晶呈柱狀生長，冰水界面相對(duì)水平；環(huán)境溫度較低時(shí)，冰晶生長為樹枝狀，其冰晶表面積相對(duì)較大，在水成冰時(shí)可以捕獲更多的雜質(zhì)。 所以，在一定范圍內(nèi)，環(huán)境溫度越低，結(jié)冰過程對(duì)重金屬物質(zhì)的排出作用越小。 從分子化學(xué)的角度分析，水中氫鍵易受溫度影響，當(dāng)環(huán)境溫度相對(duì)較低時(shí)，水分子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，氫鍵的締合速度較快，結(jié)冰過程就是氫鍵締合的過程，重金屬離子不易向冰下水體中排出而留在冰體中；隨著溫度的升高，水分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氫鍵容易受到破壞［16］，不易捕獲重金屬離子。

2.4 不同種類重金屬在冰水介質(zhì)中的遷移

不同溶液初始重金屬質(zhì)量濃度、pH 值和環(huán)境溫度下，冰體重金屬質(zhì)量濃度均小于結(jié)冰前溶液初始重金屬質(zhì)量濃度，且明顯小于水體中重金屬質(zhì)量濃度，表明當(dāng)湖泊結(jié)冰時(shí)，重金屬從冰體遷移到水體。 相同條件下，冰體中重金屬質(zhì)量濃度Fe＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd ＞Hg＞Pb，這一結(jié)果與呂宏洲［3］對(duì)烏梁素海室內(nèi)模擬結(jié)果一致。酸性條件下冰體中重金屬質(zhì)量濃度大于堿性條件下的。 為探究相同條件不同種類重金屬分布產(chǎn)生差異的原因，分別從重金屬的自身性質(zhì)（離子半徑）和重金屬離子與冰體的結(jié)合能這兩方面出發(fā)進(jìn)行分析。

3 討 論

3.1 離子半徑對(duì)重金屬在冰水介質(zhì)中質(zhì)量濃度的影響

相同溫度、pH 值和溶液初始重金屬質(zhì)量濃度下，重金屬在冰體、水體中的質(zhì)量濃度不同，其中水體中重金屬質(zhì)量濃度及離子半徑見圖4。 溶液中Fe、As、Cr都是帶有3 個(gè)正電荷的離子，它們的離子半徑分別為55、58、62 pm，在冰體中三者的質(zhì)量濃度Fe 最大、Cr最小，但在水體中三者的質(zhì)量濃度Fe 最小、Cr 最大；同樣其他6 種重金屬，在溶液中都是帶有2 個(gè)正電荷的離子，Cu、Zn、Mn、Cd、Hg、Pb 的離子半徑分別為73、75、83、97、110、118 pm，在冰體中6 種重金屬的質(zhì)量濃度Pb 最小，但在水體中6 種重金屬的質(zhì)量濃度Pb 最大。 由此可以看出，對(duì)于電荷相同的重金屬離子，離子半徑越大，冰體中的重金屬質(zhì)量濃度越小，水體中重金屬質(zhì)量濃度越大。

當(dāng)水體初始重金屬質(zhì)量濃度、酸堿度恒定，溫度T＝－15 ℃時(shí)，冰體中離子半徑與重金屬質(zhì)量濃度關(guān)系為y＝－0.197 6x＋126.06（確定系數(shù)R2＝0.975），水體中兩者關(guān)系為y＝0.395 1x－580 0.8（R2＝0.975）；當(dāng)溫度T＝－25℃時(shí)，冰體中兩者關(guān)系為y＝－0.136 6x＋123.05（R2＝0.945 3），水體中兩者關(guān)系為y＝0.273 3x－397 6.1（R2＝0.945 3）。 冰體中離子半徑與重金屬質(zhì)量濃度負(fù)相關(guān)，水體中兩者正相關(guān)。 當(dāng)水體初始重金屬質(zhì)量濃度、溫度恒定，pH 值為5 時(shí)，冰體中離子半徑與重金屬質(zhì)量濃度關(guān)系為y＝－0.143 6x＋120.06（R2＝0.951 7），水體中兩者關(guān)系為y＝0.211 7x－3 055.1（R2＝0.924 6）；當(dāng)pH 值＝11 時(shí)，冰體中兩者關(guān)系為y＝－0.105 8x＋120.15（R2＝0.924 6），水體中兩者關(guān)系為y＝0.287 2x－4 187.3（R2＝0.951 7）。 冰體中離子半徑與重金屬質(zhì)量濃度負(fù)相關(guān)，水體中兩者正相關(guān)。 即單個(gè)環(huán)境因素改變時(shí)，冰體中不同重金屬質(zhì)量濃度與其離子半徑負(fù)相關(guān)，水體中兩者正相關(guān)。 對(duì)于電荷相同的重金屬離子，離子半徑越大，對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響越小，在離子半徑相似的重金屬離子中，電荷較高的重金屬離子對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響較小，即重金屬離子的電荷密度越大，其對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響越大［17－18］。 從離子對(duì)水分子動(dòng)力學(xué)影響的角度分析，本研究中所選擇的重金屬離子在水溶液中均具有締合作用［19］，隨著重金屬離子半徑的增大，電荷密度減小，對(duì)水結(jié)構(gòu)的影響減小，離子促進(jìn)水分子締合的作用減弱，結(jié)冰過程是水分子締合的過程，締合作用減弱重金屬離子被排出到冰下水體的質(zhì)量濃度減小，因此重金屬離子遷移率較低。 在相同的條件下，冰體中重金屬質(zhì)量濃度隨著重金屬離子半徑的增大而逐漸減小。

3.2 結(jié)合能對(duì)重金屬在冰水介質(zhì)中質(zhì)量濃度的影響

根據(jù)不同條件下結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果可知，無論外界條件如何變化，冰體中重金屬離子質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)是一致的，重金屬離子從冰體到水體的遷移能力與外部條件的變化無關(guān)。 為了探討冰體中不同重金屬質(zhì)量濃度不同的原因，計(jì)算了不同重金屬在冰體、水體中的結(jié)合能，見圖5、圖6。 9 種重金屬中，F(xiàn)e3＋在冰體、水體中的結(jié)合能最大，分別為2.86、2.88 eV，在冰體中的質(zhì)量濃度最大，在水體中質(zhì)量濃度最?。槐w、水體中Pb2＋的結(jié)合能較小，分別為2.25、2.68 eV，在冰體中的質(zhì)量濃度較小，在水體中質(zhì)量濃度最大［3］。 隨著重金屬與冰體和水體結(jié)合能的減小，冰體中重金屬離子質(zhì)量濃度逐漸減小，水體中重金屬質(zhì)量濃度逐漸增大。

分析冰體和水體中重金屬質(zhì)量濃度與結(jié)合能之間的關(guān)系。 當(dāng)溶液初始重金屬質(zhì)量濃度、酸堿度恒定，溫度T＝－15 ℃時(shí)，冰體中結(jié)合能與重金屬離子質(zhì)量濃度的關(guān)系為y＝0.001 6x＋2.168 6（R2＝0.821 2），水體中兩者關(guān)系為y＝－0.001 3x＋22.317（R2＝0.6387）；當(dāng)溫度T＝－25 ℃時(shí)，冰體中兩者關(guān)系為y＝0.001 2x＋2.166 5（R2＝0.926），水體中兩者關(guān)系為y＝－0.001x＋17.562（R2＝0.745 7）。 冰體中結(jié)合能與重金屬離子質(zhì)量濃度正相關(guān)，水體中兩者負(fù)相關(guān)。 當(dāng)溶液初始重金屬質(zhì)量濃度、溫度恒定，pH 值＝5 時(shí)，冰體中結(jié)合能與重金屬離子質(zhì)量濃度關(guān)系為y＝0.000 9x＋2.188 4（R2＝0.925 7），水體中兩者關(guān)系為y＝－0.000 8x＋14.304（R2＝0.742 8）；當(dāng)pH 值＝11 時(shí)，冰體中兩者關(guān)系為y＝0.001 3x＋2.195 2（R2＝0.919 7），水體中兩者關(guān)系為y＝－0.001 1x＋18.485（R2＝0.765 5）。 冰體中結(jié)合能與重金屬離子質(zhì)量濃度正相關(guān)，水體中兩者負(fù)相關(guān)。

綜上所述，冰體、水體中重金屬質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致，可見不同重金屬離子質(zhì)量濃度的差異是重金屬離子結(jié)合能不同造成的。 重金屬離子的結(jié)合能與離子的特性有關(guān)。 Fe 失去3 個(gè)電子形成Fe3＋，3 個(gè)OH－在Fe3＋周圍形成一個(gè)中性團(tuán)簇，該團(tuán)簇在冰結(jié)構(gòu)中被H2O 更牢固地保持，在這9 種重金屬離子中，F(xiàn)e3＋與冰的結(jié)合能最大，因此在冰體中質(zhì)量濃度較大。 與其他二價(jià)重金屬離子相比，Pb2＋與冰的結(jié)合能較小，在冰體中的質(zhì)量濃度相對(duì)較小。

3.3 不同重金屬模擬試驗(yàn)分配系數(shù)與結(jié)合能的關(guān)系

采用室內(nèi)模擬烏梁素海結(jié)冰試驗(yàn)得到了單一環(huán)境變量下重金屬的分配系數(shù)，無論外界條件如何變化，重金屬在冰水介質(zhì)間的分配系數(shù)由大到小的順序?yàn)镕e＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb，與計(jì)算得到的重金屬與冰體結(jié)合能由大到小的順序一致，因此把模擬條件下得到的分配系數(shù)定義為烏梁素海重金屬試驗(yàn)?zāi)M分配系數(shù)。 將不同條件下各重金屬的分配系數(shù)進(jìn)行平均，得到不同重金屬的試驗(yàn)分配系數(shù)。 將烏梁素海重金屬的試驗(yàn)分配系數(shù)與計(jì)算得到的重金屬結(jié)合能進(jìn)行擬合，得到兩者的相關(guān)關(guān)系。

分析試驗(yàn)分配系數(shù)與冰體、水體中結(jié)合能的關(guān)系，冰體中結(jié)合能與試驗(yàn)分配系數(shù)的關(guān)系為y＝－0.349 1x3＋2.651 3x2－6.631 1x＋5.480 1（R2＝0.943 9），水體中結(jié)合能與試驗(yàn)分配系數(shù)的關(guān)系為y＝1.239 3x3－9.979 1x2＋26.852x－24.132（R2＝0.765 5）。 同種重金屬和冰體的結(jié)合能與其分配系數(shù)線性相關(guān)，冰體中結(jié)合能越大的重金屬其分配系數(shù)越大。 分配系數(shù)越大重金屬由冰體向水體中遷移的質(zhì)量濃度越小，即重金屬與冰體的結(jié)合能越大，其在冰水介質(zhì)中的遷移能力越小。 綜上可知，分配系數(shù)可以表述重金屬在冰水介質(zhì)中遷移量的變化，結(jié)合能可以描述重金屬在冰水介質(zhì)中遷移能力的大小。

4 結(jié) 語

為了研究湖泊結(jié)冰過程中重金屬遷移受環(huán)境因素的影響，采用自制一維單向結(jié)冰模擬器，模擬了不同環(huán)境條件（溶液初始重金屬質(zhì)量濃度、環(huán)境pH 值、環(huán)境溫度）下，重金屬在冰水介質(zhì)中質(zhì)量濃度的分配比值即分配系數(shù)的變化情況。 結(jié)果顯示：當(dāng)其他環(huán)境條件相同時(shí)，溶液初始重金屬質(zhì)量濃度越大，分配系數(shù)越??；pH 值越大，分配系數(shù)越??；結(jié)冰環(huán)境溫度越低，分配系數(shù)越大。 在單一環(huán)境變化條件下，不同種類重金屬在冰體中質(zhì)量濃度，以及在冰體和水體中分配系數(shù)由大到小順序均為Fe＞As＞Cr＞Cu＞Zn＞Mn＞Cd＞Hg＞Pb。 分配系數(shù)可以表述重金屬在冰水介質(zhì)中遷移量的大小，結(jié)合能可以描述重金屬在冰水介質(zhì)中遷移能力的大小。 不同種類重金屬和冰體的結(jié)合能與其分配系數(shù)線性相關(guān)，冰體中結(jié)合能越大的重金屬其分配系數(shù)越大。 分配系數(shù)越大表明重金屬由冰體向水體中遷移的質(zhì)量濃度越小，即重金屬與冰體的結(jié)合能越大，其在冰水介質(zhì)中的遷移能力越小。 結(jié)合能和分配系數(shù)都可以較好地描述烏梁素海重金屬在冰水介質(zhì)中的遷移特征。