小微水體底泥重金屬污染擴(kuò)散動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

關(guān)鍵詞：小微水體底泥；重金屬污染擴(kuò)散監(jiān)測(cè)；Multi-Agent系統(tǒng)；三角形面元；內(nèi)梅羅污染指數(shù)

中圖分類號(hào)：X830.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

小微水體是生物多樣性和生態(tài)平衡的重要棲息地，水體底泥中的重金屬污染會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成危害。底泥中的重金屬通過(guò)懸浮態(tài)或溶解態(tài)進(jìn)入水體，影響水質(zhì)和水體生物多樣性。了解重金屬的污染擴(kuò)散動(dòng)態(tài)有助于評(píng)估環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)健康。

文獻(xiàn)[2]通過(guò)遺傳算法優(yōu)化后的偏最小二乘回歸算法獲得重金屬含量，完成重金屬污染程度的監(jiān)測(cè)。光譜變換處理對(duì)于特定類型的底泥和重金屬污染情況效果較好，對(duì)于復(fù)雜的環(huán)境條件、底泥組分多樣性和重金屬污染來(lái)源復(fù)雜的情況，適用性會(huì)受到限制。文獻(xiàn)[3]利用夜間光污染分布狀況，實(shí)現(xiàn)光污染監(jiān)測(cè)。該方法利用夜間照度，獲取和測(cè)量的數(shù)據(jù)存在誤差，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的夜間照度結(jié)果不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[4]根據(jù)指數(shù)重要性和雙變量局部空間關(guān)聯(lián)指標(biāo)對(duì)水體重金屬污染結(jié)果展開(kāi)分析。引入過(guò)多的空間協(xié)變量會(huì)增加模型的復(fù)雜性，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中泛化能力較差，產(chǎn)生過(guò)擬合的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[5]基于微塑料的形狀、顏色與尺寸對(duì)其展開(kāi)表征，以完成污染監(jiān)測(cè)。由于顯微鏡觀察需要繁瑣的操作，會(huì)導(dǎo)致一些微塑料顆粒被遺漏或誤判為其他物質(zhì)，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出小微水體底泥重金屬污染擴(kuò)散動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

工業(yè)和人員活動(dòng)密集地區(qū)往往存在重金屬的污染源，如工業(yè)廢水排放、生活污水、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等，這些活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致大氣降塵、廢水滲漏等途徑使重金屬進(jìn)入水體底泥中，因此將采樣點(diǎn)設(shè)置在工業(yè)以及人員活動(dòng)多的地區(qū)。將福建省漳州市東山縣作為研究區(qū)域，并在東山縣西埔鎮(zhèn)梧龍村、石埔村以及樟塘鎮(zhèn)下湖村、樟塘村各水體設(shè)置采樣點(diǎn)，利用DDC-2型箱式采泥器采集底泥作為研究樣品，采集深度設(shè)置為5～10cm。

1.2樣品測(cè)定

將采集到的小微水體底泥樣品放人冷凍干燥機(jī)中烘干，當(dāng)樣品重量不再發(fā)生變化時(shí)結(jié)束烘干，翻動(dòng)、壓碎和研磨底泥樣品，并經(jīng)過(guò)尼龍篩除雜質(zhì)，將樣品編號(hào)。通過(guò)電子天平稱取0.2g處理后的底泥樣品，放人含有（C₂F₄）_n的密閉罐中，向罐中放入HNO₃與HClO₄對(duì)樣品進(jìn)行消解處理，獲取底泥樣品溶液。通過(guò)電感耦合等離子質(zhì)譜儀對(duì)溶液中的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb六種元素的含量展開(kāi)測(cè)定。同時(shí)經(jīng)過(guò)電子天平稱取0.2g經(jīng)除雜質(zhì)處理后的底泥樣品，展開(kāi)混合酸體系消解后，放入SnC12溶液中，通過(guò)冷原子熒光法對(duì)溶液中的Hg元素含量展開(kāi)測(cè)定。

1.3小微水體底泥重金屬污染擴(kuò)散動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

由于小微水體底泥重金屬污染是否發(fā)生擴(kuò)散需要考慮方向以及速度等因素，為了能夠模擬不同個(gè)體之間的相互作用和信息傳遞，考慮底泥重金屬污染的非線性擴(kuò)散過(guò)程，利用Multi-Agent系統(tǒng)對(duì)發(fā)生重金屬污染的小微水體底泥展開(kāi)污染擴(kuò)散分析，準(zhǔn)確理解重金屬污染在小微水體底泥中的擴(kuò)散動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底泥重金屬污染的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。建立的多水質(zhì)Agent三角形面元網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

2.2污染擴(kuò)散的影響因素分析

在小微水體底泥中，含有重金屬的污染物一般作為離子形態(tài)引起水體污染，可溶態(tài)含量極少，當(dāng)重金屬污染物被排放到水中時(shí)，多數(shù)會(huì)吸附在水體底泥上，從而形成固態(tài)顆粒。此時(shí)，重金屬污染物的溶解、釋放情況會(huì)受到水體的溶解氧（DO）、溫度（T）和pH值的影響。為進(jìn)一步明確溶解氧（DO）、溫度（T）、pH值對(duì)底泥中各重金屬擴(kuò)散能力的影響，獲得有效的污染擴(kuò)散抑制方法，計(jì)算各采樣點(diǎn)的重金屬單因子污染指數(shù)，并對(duì)溶解氧（DO）、溫度（T）、pH值和7種重金屬在水體中擴(kuò)散能力的相關(guān)性展開(kāi)分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

通過(guò)圖2（a）可知，東山縣整體的小微水體發(fā)生了輕度的Pb和Hg污染、中度的Ni污染以及重度的Cr、Cu、Zn、Cd污染，在一些采樣點(diǎn)的Ni最大值也含有一定的重度污染，由此可知，Cr、Cu、Zn、Cd是東山縣小微水體重金屬濃度變化的主要來(lái)源，因此，對(duì)該水域的重金屬污染擴(kuò)散展開(kāi)控制時(shí)主要對(duì)影響Cr、Cu、Zn、Cd擴(kuò)散程度的因素展開(kāi)控制。

分析圖2（b）能夠發(fā)現(xiàn)，溶解氧（DO）與Zn、Cd、Hg的擴(kuò)散能力呈正相關(guān)，因?yàn)檫@些重金屬在有氧條件下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成更易溶解的絡(luò)合物，導(dǎo)致溶解度升高、在水中的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，而溶解氧（DO）與Cr、Cu、Pb的擴(kuò)散能力呈負(fù)相關(guān)，這些重金屬元素在富氧環(huán)境中更容易形成不溶性的氫氧化物或鹽類，導(dǎo)致其溶解度降低，擴(kuò)散能力下降，溶解氧（DO）對(duì)Ni元素的影響不顯著。溫度（T）和各重金屬元素均呈正相關(guān)，因?yàn)樗袦囟壬?，原子通過(guò)能量起伏完成勢(shì)壘躍遷的概率增大，導(dǎo)致重金屬的擴(kuò)散系數(shù)增加，且高溫會(huì)加快重金屬的化學(xué)反應(yīng)，提升擴(kuò)散能力。pH值對(duì)Hg元素的影響不顯著，和其余6種元素呈負(fù)相關(guān)，這是由于重金屬元素在酸性條件下更容易溶解，在堿性條件下的溶解度會(huì)降低，因此隨著pH值的升高，各重金屬元素的溶解度會(huì)降低，擴(kuò)散能力下降。

水體的pH值的變化主要是人類活動(dòng)與巖石風(fēng)化引起的，水溫（T）主要和水體中工業(yè)污水廢水的含量有關(guān)，而溶解氧（DO）主要受到溫度和大氣壓的影響，因此，對(duì)重金屬污染水體沿線的污水排放加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)即將排入水域的酸性污水展開(kāi)處理后排放，降低溫度（T）和pH值能夠有效抑制水體底泥中重金屬的擴(kuò)散速度。

3結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)底泥中重金屬的變化和擴(kuò)散過(guò)程，了解污染物在水體中的傳播途徑和范圍，研究了一種小微水體底泥重金屬污染擴(kuò)散動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法。采用了多水質(zhì)Agent三角形網(wǎng)格系統(tǒng)，更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)了水體中的各種物質(zhì)傳輸和擴(kuò)散情況。應(yīng)用內(nèi)梅羅污染指數(shù)，更直觀地判斷出了底泥中重金屬的污染程度，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?；趦?nèi)梅羅污染指數(shù)的動(dòng)態(tài)重金屬污染擴(kuò)散監(jiān)測(cè)方法，使監(jiān)測(cè)不再局限于靜態(tài)數(shù)據(jù)，而是能夠及時(shí)反映污染物在水體中的變化過(guò)程，有助于快速響應(yīng)和采取控制措施。根據(jù)獲取到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法在采樣測(cè)定和污染擴(kuò)散的監(jiān)測(cè)精度上均較高，有助于提高監(jiān)測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性，具有一定的應(yīng)用性能。