調(diào)水工程對過水性湖泊中污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響

摘要：

調(diào)水工程是緩解水資源時(shí)空分布不均以及用水供需矛盾的主要工程措施，也是生態(tài)環(huán)境的重要修復(fù)手段。但調(diào)水工程的介入會(huì)對沿線過水性湖泊產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)、水文、微生物等影響，進(jìn)而對湖泊污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制造成影響。綜述了不同引調(diào)水方案對過水性湖泊水體水動(dòng)力、理化性質(zhì)（懸浮顆粒（SPM）、透明度（WT）和溶解氧（DO））以及污染物（營養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物）遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律影響的研究進(jìn)展。結(jié)果表明：調(diào)水工程的介入通常會(huì)增強(qiáng)過水性湖泊的水動(dòng)力條件，且調(diào)度流量越大、湖泊水體越淺，則流速梯度和水流切應(yīng)力越大。同時(shí)，增大的流速和切應(yīng)力會(huì)影響上覆水體中SPM的形態(tài)特征，并增大SPM濃度、DO及小型湖泊中的WT。此外，引調(diào)水雖然能減小湖泊平均水齡，促進(jìn)湖泊水體循環(huán)，但也會(huì)刺激湖泊營養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物的內(nèi)源釋放。因此，引調(diào)水工程可作為緊急情況下的應(yīng)急措施，但并不能成為解決湖泊富營養(yǎng)化問題的根本措施。研究結(jié)果可為全面評估調(diào)水工程對湖泊水生態(tài)的影響以及制定更合理的引調(diào)水方案提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

污染物遷移轉(zhuǎn)化；水動(dòng)力；" 降解； 過水性湖泊； 調(diào)水工程

中圖法分類號： X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.008

0 引 言

調(diào)水工程是緩解水資源時(shí)空分布不均和社會(huì)用水供需矛盾的重大戰(zhàn)略舉措［1-2］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2015年，全球已建或在建的跨流域調(diào)水工程超過160項(xiàng)［1］。中國調(diào)水工程的規(guī)模和數(shù)量均遠(yuǎn)超世界其他國家，已建或在建的調(diào)水工程有137項(xiàng)，其中調(diào)水能力超過10億m3的大型調(diào)水工程有16項(xiàng)，占全國調(diào)水能力的73%左右［2］；工程設(shè)計(jì)引水流量約5 900 m3/s，年引水量約670億m3［3］，包括南水北調(diào)［4］、引江濟(jì)太［5］、引江濟(jì)淮［6］等工程。這些調(diào)水工程在緩解受水區(qū)水資源短缺的同時(shí)，也對工程沿線河湖產(chǎn)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)、水文及生物影響［7-8］，進(jìn)而改變了沿線水環(huán)境系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)。因此，評估調(diào)水工程對沿線河湖生態(tài)環(huán)境的影響已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

過水性湖泊與自然湖泊相對應(yīng)，該類湖泊的入流和出流狀況是受人為控制的，例如：南水北調(diào)工程沿線的洪澤湖、駱馬湖、南四湖等。這些湖泊是調(diào)水工程路線中的關(guān)鍵輸水廊道和調(diào)蓄平臺(tái)。但在運(yùn)行不同調(diào)水方案時(shí)，過水性湖泊的水流流向、流速、切應(yīng)力等水動(dòng)力特征均會(huì)發(fā)生很大變化，會(huì)引起污染物多介質(zhì)遷移規(guī)律的改變［9］。同時(shí)，水動(dòng)力特征的改變會(huì)影響湖泊微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，塑造新的污染物降解轉(zhuǎn)化規(guī)律。但目前調(diào)水工程對過水性湖泊中污染物歸趨的研究尚在起步階段。

鑒于以上背景，開展調(diào)水工程對過水性湖泊中物質(zhì)遷移及轉(zhuǎn)化影響機(jī)制的研究，具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。厘清這一過程可為全面評價(jià)調(diào)水工程對水生態(tài)的影響以及制定更合理的引調(diào)水方案提供重要的科學(xué)依據(jù)。本文綜述了國內(nèi)外調(diào)水工程對湖泊水動(dòng)力、理化性質(zhì)以及污染物遷移轉(zhuǎn)化過程影響的研究進(jìn)展，并對今后的研究方向提出了建議和展望，旨在為保護(hù)過水性湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 調(diào)水工程對過水性湖泊水體水動(dòng)力的影響

1.1 過水性湖泊的引調(diào)水方案

調(diào)水工程會(huì)在不同時(shí)期（枯水期、豐水期和平水期）實(shí)施不同的調(diào)度方案（調(diào)水或泄洪）。根據(jù)調(diào)度功能，調(diào)水工程主要可分為緩解水資源短缺為主要目的（如：南水北調(diào)等）和以改善湖泊水環(huán)境為主要目的的調(diào)水工程（如：引江濟(jì)太、引江濟(jì)巢等）。

以緩解水資源短缺為主要目的調(diào)水工程，其引調(diào)水方案主要由受水區(qū)的水資源需求所決定的。以南水北調(diào)東線工程為例，在長江中下游水域處于枯水期且華北受水區(qū)對引江水的硬性需求量較小時(shí)，往往調(diào)水流量較小或停止調(diào)度；當(dāng)供水區(qū)水量相對充足即處于豐水期時(shí)，調(diào)水流量較大，其對于沿線湖泊如洪澤湖、東平湖、南四湖的補(bǔ)水量往往能達(dá)到一個(gè)可觀的數(shù)值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，東線一期工程對東平湖、南四湖的補(bǔ)水量可達(dá)2.95億m3，使湖泊水位得到有效提高［10］；當(dāng)長江中下游水域處于洪汛季節(jié)時(shí)，可在原有工程調(diào)水能力的基礎(chǔ)上，增加工程措施充分利用洪水資源，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)調(diào)水工程效益的最大化［11］。

以改善湖泊水環(huán)境為目標(biāo)的調(diào)水工程，其引調(diào)水方案通常與湖泊中藻類暴發(fā)情況及湖泊水位的變化緊密相關(guān)。以引江濟(jì)太工程為例，在每年藻類暴發(fā)主要時(shí)期（4～10月），2016年之前工程引水量達(dá)41.6億m3，占總引水量近一半比例。而近年來太湖藻類暴發(fā)狀況有所改善，該階段的引水量下降為2016年后總引水量的1/4［12］；而當(dāng)湖泊水位低于調(diào)水限制水位時(shí)，則應(yīng)及時(shí)引水提高湖泊水位，以保證供水安全。此外，對于改善水體流動(dòng)性、提高水體自凈能力為主要目的水網(wǎng)連通工程，其調(diào)度模式主要為多口引水以促進(jìn)河湖連通、湖湖連通［13］，采用較多進(jìn)水口與出水口的調(diào)水模式有利于減小湖泊滯水區(qū)面積，促進(jìn)水體循環(huán)，而設(shè)計(jì)調(diào)水流量則根據(jù)相似調(diào)水工程的引水庫容比確定［14］。

1.2 引調(diào)水方案對過水性湖泊水體水動(dòng)力的影響

自然淺水湖泊湖流主要可以分為風(fēng)生流和吞吐流，以風(fēng)生流為主。在風(fēng)場的作用下，其水動(dòng)力特征主要表現(xiàn)為表層風(fēng)生流及底部反向補(bǔ)償流構(gòu)成的垂向二維環(huán)流模式［15］。調(diào)水工程的大規(guī)模徑流調(diào)節(jié)改變了輸水線路上湖泊的自然水力條件，其水動(dòng)力特征將由原來的自然環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕苋藶檎{(diào)度控制的水流，此時(shí)風(fēng)場與出入湖流量狀況將共同決定湖泊的湖流形態(tài)與流場結(jié)構(gòu)［16］。通常情況下，調(diào)水工程的介入會(huì)增大過水性湖泊的水動(dòng)力條件，且常常伴隨著脈沖式的流量波動(dòng)，流向也可能呈現(xiàn)出周期性往復(fù)變化；其水動(dòng)力條件與調(diào)度方案、湖泊自身水文特征緊密相關(guān)。一般而言，調(diào)度流量越大、湖泊水體越淺，則速度梯度越大，產(chǎn)生的水流切應(yīng)力越大［17］。此外，調(diào)水路線的不同以及是否同其他水利設(shè)施聯(lián)合調(diào)度管理也是影響湖泊水動(dòng)力的重要因素。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方面的研究，分析調(diào)水工程對過水性湖泊水體水動(dòng)力的影響。Peng等［18］研究發(fā)現(xiàn)，巢湖東線與西線雙線同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對湖泊整體流速的提高效果最為顯著，而當(dāng)調(diào)水工程與巢湖水閘聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行時(shí)，湖流在速度和方向變化上的空間差異性更為明顯，總體傾向于降低近岸湖流速度，提高內(nèi)部湖區(qū)湖流速度，且明顯加快了巢湖水閘流出區(qū)域的水流速度。王鐘［19］、武周虎等［20］分別利用EFDC水動(dòng)力模型與基于SMS模擬系統(tǒng)創(chuàng)建的水流模型開展了菜子湖、南四湖輸水流場的分析，結(jié)果表明調(diào)水主航道水域的流場受工程影響較大，水體流速增大的同時(shí)，流向由原來的自北向南轉(zhuǎn)變?yōu)樽阅舷虮薄i［21］、黃春琳等［22］以湖泊水齡為研究對象，利用EFDC水動(dòng)力模型對調(diào)水后太湖的水齡進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明引江濟(jì)太工程的實(shí)施能夠提高太湖部分湖區(qū)的水體交換速率，減小湖泊的平均水齡，且這種調(diào)控效果與風(fēng)速、風(fēng)向及出入湖的流量緊密相關(guān)。因此，調(diào)水工程的實(shí)施改變了過水性湖泊的流速、流向等水動(dòng)力特征，且這種改變是風(fēng)場與來水流量共同作用的效果，能夠促進(jìn)湖泊水體循環(huán)、減小湖泊平均水齡。

2 調(diào)水工程對過水性湖泊水體理化性質(zhì)的影響

2.1 懸浮顆粒（SPM）的影響

SPM是湖泊系統(tǒng)的重要的組成介質(zhì)之一，包括各種礦物碎屑、有機(jī)膠膜、微生物及其代謝產(chǎn)物等［23］。湖泊中SPM的搬運(yùn)和沉積行為主要受水動(dòng)力條件的控制，水動(dòng)力條件細(xì)微的變化即可影響SPM的搬運(yùn)與沉積行為。調(diào)水工程的實(shí)施不可避免地改變了湖泊流速、流量、切應(yīng)力等水動(dòng)力特征，進(jìn)而對湖泊中SPM的形態(tài)、濃度等造成影響。

調(diào)水工程的介入通常增強(qiáng)了過水性湖泊的水動(dòng)力條件。一方面，它會(huì)增強(qiáng)水流的剪切作用，改變水體中SPM的粒徑、比表面積等微觀形態(tài)特征［24］。Cheng等［24］通過環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水動(dòng)力湍流動(dòng)能對水體中SPM的濃度、粒徑分布、比表面積和分形維數(shù)均有顯著的影響。另一方面，調(diào)水產(chǎn)生的水動(dòng)力擾動(dòng)導(dǎo)致沉積物-水界面達(dá)到臨界切應(yīng)力頻繁發(fā)生再懸浮，進(jìn)而刺激沉積物的再懸浮，提高了湖泊上覆水體中SPM的濃度。如：李一平等［25］基于野外觀測研究了不同動(dòng)力擾動(dòng)作用下SPM濃度的響應(yīng)，結(jié)果表明較小動(dòng)力作用下（切應(yīng)力τlt;0.015 N/m2）底泥處于穩(wěn)定或少量懸浮階段，水土界面水體SPM平均濃度為59 mg/L，較大動(dòng)力作用下（τ≥0.250 N/m2）底泥會(huì)進(jìn)入大量懸浮階段，SPM平均濃度將達(dá)到174 mg/L。Ding等［26］的研究也得到類似的結(jié)論。此外，SPM的響應(yīng)也存在一定的垂向分層特征。Tang等［27］的實(shí)驗(yàn)研究表明在垂直方向水體底層SPM比表層SPM波動(dòng)更顯著，說明底層SPM受動(dòng)力擾動(dòng)下沉積物再懸浮的影響更強(qiáng)烈?？傊{(diào)水產(chǎn)生的水動(dòng)力特征（切應(yīng)力、湍流動(dòng)能等）不僅影響了上覆水體中SPM的粒徑與形態(tài)特征，還會(huì)導(dǎo)致沉積物頻繁發(fā)生再懸浮進(jìn)一步提高上覆水體中SPM的濃度。

2.2 透明度（WT）影響

透明度（WT）是描述湖泊光學(xué)狀況和水質(zhì)評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，調(diào)水工程的介入改變了過水性湖泊的藻類濃度，進(jìn)而對湖泊WT造成影響。通常情況下，小型湖泊的調(diào)水工程顯著縮短了湖泊水循環(huán)周期，故減少了湖泊藻類生物累積，從而提高了湖泊水體的WT。如：美國Moses湖調(diào)水工程［28］、荷蘭Veluwe湖調(diào)水工程［29］。另外，SPM也是影響WT的一個(gè)重要因素。高煒程等［30］對云蒙湖SPM與水體WT進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果表明SPM與WT呈顯著負(fù)相關(guān)（R2=0.641 9，plt;0.01）。對于大型淺水湖泊，調(diào)水工程造成的水動(dòng)力擾動(dòng)刺激了湖泊沉積物再懸浮，導(dǎo)致水體SPM濃度增加，進(jìn)而造成湖泊部分湖區(qū)WT明顯下降。楊倩倩等［31］對比分析了太湖一次短期調(diào)水前后監(jiān)測湖區(qū)的水體理化指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分湖區(qū)WT明顯降低，響應(yīng)了調(diào)水之后水動(dòng)力對湖泊沉積物的擾動(dòng)。此外，調(diào)水流量與湖泊WT的響應(yīng)情況也有緊密聯(lián)系。有研究表明調(diào)水流量較大情況下對底泥的擾動(dòng)強(qiáng)度更大，進(jìn)而導(dǎo)致水體WT下降明顯［32］?？傊{(diào)水對中小型湖泊水體WT有顯著的改善作用，但是對于水面面積較大、地形復(fù)雜的大型淺水湖泊，由于水動(dòng)力擾動(dòng)導(dǎo)致SPM再懸浮、營養(yǎng)物質(zhì)的外源輸入和內(nèi)源釋放，可能導(dǎo)致SPM與藻類濃度變化，進(jìn)而引起部分湖區(qū)的WT下降。

2.3 溶解氧（DO）影響

溶解氧（DO）是表征水體凈化能力的一個(gè)重要因子，復(fù)氧系數(shù)與湍流動(dòng)能顯著正相關(guān)［33］。通常情況下，調(diào)水工程的介入有效提升了湖泊水體湍流動(dòng)能，增強(qiáng)了湖泊的復(fù)氧能力，進(jìn)而提高了湖泊水體DO的含量。

目前，國內(nèi)外關(guān)于調(diào)水工程對湖泊水體DO的影響的研究主要集中在大型淺水湖泊如太湖、巢湖等。安國慶等［34］對引江濟(jì)巢工程實(shí)施后巢湖的水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)工程的實(shí)施加大了巢湖水體交換量，增加了水體流速，使得DO指標(biāo)有效提高。此外，調(diào)水時(shí)間、調(diào)水流量也會(huì)對湖泊DO的響應(yīng)過程造成影響。Hu等［35］利用EcoTaihu生態(tài)模型評估了兩次“引江濟(jì)太”調(diào)水試驗(yàn)的環(huán)境影響，結(jié)果表明兩次調(diào)水均對太湖部分湖區(qū)DO有著顯著的正向影響，且這種正效應(yīng)隨著調(diào)水時(shí)間的推移不斷波動(dòng)。楊倩倩等［32］通過模擬實(shí)驗(yàn)研究了不同調(diào)水流量下太湖梅梁灣水體DO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，結(jié)果顯示調(diào)水流量較大組的DO濃度顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組，說明調(diào)水流量越大調(diào)控效果越好?？傊{(diào)水工程的介入有效提高了過水性湖泊水體DO的含量，且這種調(diào)控效果與調(diào)水時(shí)間、頻次以及調(diào)水流量大小緊密相關(guān)。

此外，調(diào)水導(dǎo)致水體復(fù)氧能力的提高還會(huì)改變湖泊的氧化還原條件，進(jìn)而影響湖泊環(huán)境中微生物的活性，導(dǎo)致微生物群落細(xì)菌豐度、多樣性及群落特征發(fā)生變化。

3 調(diào)水工程對過水性湖泊中污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響

湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)具有高度關(guān)聯(lián)性和互饋性的復(fù)雜多介質(zhì)系統(tǒng)［36］。如圖1所示，調(diào)水工程介入改變了過水性湖泊的水動(dòng)力條件，同時(shí)引入了大量外源來水。而水動(dòng)力條件和外源來水的稀釋作用恰恰是影響污染物跨介質(zhì)遷移與降解轉(zhuǎn)化的主要物理力量。一方面，通過沉積物-水界面的水流剪切作用，水動(dòng)力會(huì)刺激懸浮顆粒/膠體的再懸浮以及沉積物的內(nèi)源釋放，影響湖泊SPM、WT、DO等理化性質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致污染物在各介質(zhì)間的重新分配。另一方面，外源來水的混合稀釋作用促進(jìn)了污染物的輸移擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致污染物空間分布特征發(fā)生變化。

3.1 營養(yǎng)鹽影響

調(diào)水工程被認(rèn)為是降低湖泊營養(yǎng)負(fù)荷、改善湖泊富營養(yǎng)化狀況的有效措施之一［37］。調(diào)水引流工程通常引入相對清潔的水體至受水湖泊中，稀釋湖泊中營養(yǎng)鹽的濃度，但若引入水體水質(zhì)較差，反而可能增加受納水體營養(yǎng)鹽的含量。

目前，國內(nèi)外學(xué)者做了大量水質(zhì)監(jiān)測與數(shù)值模擬工作來評估調(diào)水工程對過水性湖泊營養(yǎng)鹽的調(diào)控效果。多數(shù)情況下，小型湖泊的調(diào)水引流工程對湖泊營養(yǎng)鹽的削減作用較為明顯。如表1所列，湯遜湖、Moses湖、Green湖、北里湖等湖泊面積均小于50 km2，調(diào)水工程的實(shí)施對湖泊TP的削減程度均在35%以上；對于相對較大的淺水湖泊，如牛欄江-滇池、引江濟(jì)太、引江濟(jì)巢調(diào)水工程對湖泊整體營養(yǎng)負(fù)荷均有一定的削減作用，但這種調(diào)控效果也存在著顯著的空間異質(zhì)性。如：Hu等［38］對2002年引江濟(jì)太調(diào)水后太湖營養(yǎng)鹽調(diào)控效果進(jìn)行了評估，結(jié)果表明太湖西南區(qū)、東太湖灣的TN、TP均有40%以上的削減，但梅梁灣TN、TP的濃度卻比調(diào)水前分別高了1.8，0.05 mg/L。此外，調(diào)水工程對營養(yǎng)負(fù)荷的調(diào)控效果受來水水質(zhì)的限制，如2009年引江濟(jì)巢調(diào)水由于營養(yǎng)鹽輸入量大導(dǎo)致巢湖西半湖TN、TP分別上升了1.2%，82.5%［39］。因此對于大型淺水湖泊，調(diào)水引流工程可當(dāng)作緊急情況下的應(yīng)急措施，但并不能成為解決湖泊富營養(yǎng)化問題的根本措施。

通常情況下，當(dāng)調(diào)水產(chǎn)生的水動(dòng)力擾動(dòng)導(dǎo)致湖泊沉積物發(fā)生再懸浮時(shí)，沉積物中賦存的內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)將重新釋放到上覆水體中。代政等［40］研究發(fā)現(xiàn)一定擾動(dòng)條件下（100 r/min）TN和TP濃度分別比靜態(tài)條件下增加了66.0%和221.2%。同時(shí)，TN和TP的遷移釋放與擾動(dòng)強(qiáng)度、水位有緊密聯(lián)系。姜永生等［41］研究發(fā)現(xiàn)沉積物TN和TP的釋放通量隨著擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而顯著增加，在較大擾動(dòng)強(qiáng)度下（100 r/min）TN、TP釋放速率與靜態(tài)釋放相比分別增加了73.5%，127.6%。盧俊平等［42］的模擬實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)論；Tong等［43］的環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)表明隨著水位的升高上覆水體中TP濃度也隨之升高，在25 cm水位時(shí)上覆水中TP濃度達(dá)到最大值，是10 cm水位的1.2倍。此外，TN、TP的遷移釋放還跟切應(yīng)力、流速等水動(dòng)力條件緊密相關(guān)。朱紅偉等［44］的循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)表明底泥向上覆水體中TP的釋放通量與底面剪切應(yīng)力整體呈正相關(guān)。鐘小燕等［45］的環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)表明TN、TP平衡濃度隨流速增加呈指數(shù)形式增加?？傊?，調(diào)水產(chǎn)生的水動(dòng)力擾動(dòng)促進(jìn)了沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)源釋放，且這種影響與擾動(dòng)強(qiáng)度、湖泊自身水文特征緊密相關(guān)。

3.2 重金屬影響

湖泊中重金屬的遷移行為主要受水動(dòng)力條件的控制，調(diào)水工程的介入改變了過水性湖泊流速、切應(yīng)力等水動(dòng)力特征，進(jìn)而對湖泊中重金屬的遷移行為產(chǎn)生影響。

調(diào)水工程引入的“動(dòng)水”進(jìn)入相對靜止的湖泊中，流速下降明顯，重金屬如鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）等重金屬元素在較低流速下易被SPM或沉積物吸附從而發(fā)生富集［52］。同時(shí)，調(diào)水工程造成的水動(dòng)力擾動(dòng)又可能使沉積物達(dá)到臨界切應(yīng)力頻繁發(fā)生再懸浮，促進(jìn)了湖泊沉積物賦存的重金屬的內(nèi)源釋放［53］，再通過食物鏈、食物網(wǎng)濃度逐級累積放大進(jìn)而對湖泊生態(tài)環(huán)境造成風(fēng)險(xiǎn)［54］。重金屬的遷移行為往往跟流速、切應(yīng)力等水動(dòng)力特征緊密相關(guān)。陸健剛等［55］通過循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)研究了流速條件對湖泊沉積物中重金屬遷移釋放的影響，結(jié)果表明湖泊沉積物中銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和鉛（Pb）的釋放通量與流速呈指數(shù)關(guān)系。同時(shí)，調(diào)水工程的實(shí)施增大了水流切應(yīng)力、導(dǎo)致SPM粒徑減小，比表面積增大，進(jìn)而增強(qiáng)了其吸附重金屬的能力［56］。此外，調(diào)水產(chǎn)生水動(dòng)力擾動(dòng)的復(fù)氧作用導(dǎo)致湖泊系統(tǒng)向好氧狀態(tài)下轉(zhuǎn)變也會(huì)對重金屬的遷移行為產(chǎn)生影響。Atkinson等［57］研究認(rèn)為沉積物顆粒中的鐵錳離子在好氧條件下被氧化為鐵錳（氫）氧化物，能夠吸附大量重金屬，進(jìn)而降低了上覆水中水溶態(tài)銅（Cu）、鐵（Fe）、錳（Mn）等重金屬濃度。朱金山等［58］對三峽庫區(qū)消落帶汞（Hg）的擴(kuò)散研究表明好氧環(huán)境下有利于無機(jī)Hg從沉積物-水界面釋放。另外，好氧環(huán)境增強(qiáng)了好氧微生物的活性，有利于微生物氧化降解有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)重金屬的釋放［59］。

3.3 有機(jī)污染物影響

水動(dòng)力條件也是影響湖泊中有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化的重要因子。通常情況下，調(diào)水工程的介入改變了過水性湖泊切應(yīng)力、流速等水動(dòng)力特征，刺激了SPM的再懸浮以及沉積物的內(nèi)源釋放。Cheng等［60］通過水槽實(shí)驗(yàn)研究了不同水動(dòng)力條件下對四溴雙酚A（TBBPA）多介質(zhì)遷移行為的影響，結(jié)果表明較強(qiáng)水動(dòng)力擾動(dòng)促進(jìn)了TBBPA從沉積物向上覆水體與SPM的遷移過程，進(jìn)而導(dǎo)致水和SPM中TBBPA分配比例增加。另外，有研究表明較大水動(dòng)力擾動(dòng)下TBBPA在水體-SPM、沉積物-SPM間的交換通量也會(huì)明顯增加［61］。此外，切應(yīng)力也會(huì)對沉積物中有機(jī)污染物的遷移釋放產(chǎn)生影響。王曉慧等［62］的實(shí)驗(yàn)研究表明底部切應(yīng)力越大，上覆水體中多環(huán)芳烴（PAHs）濃度越高，但底部切應(yīng)力較大時(shí)由于吸附作用較弱的大顆粒進(jìn)入水體，SPM上PAHs的富集程度反而降低。

調(diào)水產(chǎn)生的水動(dòng)力擾動(dòng)改變了過水性湖泊水-沉積物系統(tǒng)的理化性質(zhì)（SPM、WT、DO等），改變了系統(tǒng)中細(xì)菌豐度、多樣性及群落特征［63］，進(jìn)而影響系統(tǒng)中有機(jī)污染物的降解轉(zhuǎn)化過程。Dadi等［64］對沉積物再懸浮條件下溶解有機(jī)碳（DOC）底部通量響應(yīng)的研究表明，沉積物再懸浮有效促進(jìn)了微生物降解轉(zhuǎn)化有機(jī)底物。Cheng等［65］的研究表明強(qiáng)烈的水動(dòng)力擾動(dòng)顯著加速了水-沉積物系統(tǒng)的TBBPA生物降解速率。此外，調(diào)水導(dǎo)致湖泊復(fù)氧能力的提高會(huì)影響沉積物-水界面上的氧化還原電位（Eh），進(jìn)一步影響湖泊中微生物群落的結(jié)構(gòu)與功能，再進(jìn)一步影響有機(jī)污染物降解、礦化的最后產(chǎn)物，最終形成新的污染物降解轉(zhuǎn)化規(guī)律。但由于湖泊理化環(huán)境存在著顯著的時(shí)空差異性，以及湖泊多介質(zhì)賦存的污染物質(zhì)形態(tài)、分配比例不盡相同，調(diào)水工程的介入使得過水性湖泊中有機(jī)污染物降解產(chǎn)物行為變化更加復(fù)雜。因此，研究調(diào)水工程對過水性湖泊有機(jī)污染物質(zhì)降解規(guī)律的具體影響需綜合考慮湖泊水文特征、理化性質(zhì)、微生物特征等因子。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

調(diào)水工程通常增強(qiáng)了過水性湖泊水動(dòng)力條件，進(jìn)而影響水環(huán)境系統(tǒng)的理化性質(zhì)，其變化程度受到調(diào)水方案、湖泊自身水文特征、風(fēng)場等因素的影響。增大的水動(dòng)力會(huì)促進(jìn)SPM的再懸浮，較強(qiáng)的水流剪切作用會(huì)改變水體中SPM的粒徑、比表面積等微觀形態(tài)特征。水動(dòng)力擾動(dòng)還會(huì)加速水體復(fù)氧，增加了水體中的DO。小型湖泊的調(diào)水工程對湖泊WT有顯著改善作用，但對于大型淺水湖泊，營養(yǎng)物質(zhì)的外源或內(nèi)源釋放以及SPM再懸浮作用可能會(huì)降低局部湖區(qū)的WT。

湖泊理化性質(zhì)的改變將影響湖泊中污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程。調(diào)水工程在一定程度上能削減湖泊的營養(yǎng)鹽濃度，但這種調(diào)控效果不僅存在著顯著的空間差異性，且受來水水質(zhì)的限制。調(diào)水工程導(dǎo)致水動(dòng)力擾動(dòng)的增強(qiáng)刺激了沉積物頻繁發(fā)生再懸浮，導(dǎo)致了湖泊營養(yǎng)鹽、重金屬、有機(jī)污染物的內(nèi)源釋放，且其內(nèi)源釋放量以及各介質(zhì)間的交換通量均與水動(dòng)力擾動(dòng)強(qiáng)度呈正相關(guān)。各種污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程也受到湖泊自身水文特征、氧化還原條件以及微生物等其他因素影響。

4.2 展 望

（1） 當(dāng)前研究僅考慮了簡單物化條件對污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響，如流速、流量、DO、SPM等，但自然情形下物化環(huán)境更為復(fù)雜，沉積物中有機(jī)質(zhì)、鐵（Fe）錳（Mn）、硫化物含量對沉積物污染物遷移、再分配過程均有影響，因此亟待構(gòu)建基于復(fù)雜條件下的動(dòng)力學(xué)模型為制定合理的湖泊管理方案提供科學(xué)依據(jù)。

（2） 多數(shù)研究集中于單次水動(dòng)力擾動(dòng)條件下污染物遷移轉(zhuǎn)化的響應(yīng)機(jī)制方面，而自然情形下由于受到調(diào)水方案與復(fù)雜風(fēng)場的影響，湖泊水體往往受到多次水動(dòng)力擾動(dòng)，因此有必要開展多次水動(dòng)力擾動(dòng)條件下水體污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律響應(yīng)機(jī)制的研究，為保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

（3） 自然情況下湖泊各種污染物間的遷移轉(zhuǎn)化是存在協(xié)同或抑制作用的，但現(xiàn)階段的研究集中在單一污染物上，多種污染物并存條件下的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律是一項(xiàng)亟需解決的難點(diǎn)。

（4） 此外，調(diào)水方案對過水性湖泊中微生物群落的分解選擇性以及降解能力的研究仍處于起步階段，有必要加強(qiáng)探明微生物降解菌與過水性湖泊理化因子之間相互作用的微觀機(jī)制，為湖泊中有機(jī)污染物的生物修復(fù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

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（編輯：劉 媛）

Research on influence of water diversion projects on migration and transformation of contaminants in water-carrying lakes

CHENG Haomiao1，2，WANG Anan1，2，ZHANG Jian3，DING Wei4，LU Jianqin4

（1.School of Environmental Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China； 2.School of Hydraulic Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China； 3.Jiangsu Rural Water Conservancy Science and Technology Development Center，Nanjing 210029，China； 4.Yangzhou Survey Design Research Institute Co.，Ltd.，Yangzhou 225007，China）

Abstract：

A water diversion project（WDP） is one of the main engineering measures to relieve the uneven distribution of water resources and the conflict between water supply and demand.The WDP is also important for ecological environment restoration.However，the intervention of WDP inevitably have complex physical，chemical，hydrological，and aquatic biological effects on the water-carrying lakes along the diversion route.Furthermore，the migration and transformation mechanisms of contaminants in these lakes are also changed.We analyzed the effects of WDP on water hydrodynamics，physicochemical properties（i.e.，suspended particulate matter（SPM），water transparency（WT），and dissolved oxygen（DO）） and contaminants（i.e.，nutrients，heavy metals，and organic pollutants） in water-carrying lakes.The result indicated that the WDP generally enhanced the hydrodynamic conditions in water-carrying lakes.The velocity gradient and water shear stress increased as the flow increased and the water depth was shallower.Meanwhile，the increased velocity and water shear stress affected the morphological characteristics of SPM，and increased SPM concentration，DO，and WT in small-scale lakes.Although the WDP reduced the average water age in the lake and promoted water circulation，it also stimulated the endogenous release of contaminants，including nutrients，heavy metals，and organic pollutants.Therefore，water diversion schemes could be used as emergency measures to improve water quality，and they could not become the fundamental measures to solve the problem of lake eutrophication.This research can provide a comprehensive assessment of the effects of WDP on ecological environment in water-carrying lakes，and provide the scientific basis for establishing a more reasonable water diversion scheme.

Key words：

migration and transformation of contaminants；water hydrodynamics；degradation；water-carrying lake；water diversion project