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，吸附在沉積物中的重金屬也會釋放出來。水動力因素是影響沉積物物質(zhì)遷移的重要因素之一。水動力擾動能夠引起水體-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)也會伴隨沉降和再懸浮過程中一起發(fā)生變化[3]?；诖?，研究不同動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，國內(nèi)外有眾多關(guān)于沉積物重金屬污染的研究[4]；對水動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]，但對不同水動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)測的基礎(chǔ)上，運(yùn)用水槽試驗(yàn)對不同水動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，通過對實(shí)地監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果的對比檢驗(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)流動水槽-水箱-水泵作為基本實(shí)驗(yàn)裝置，水箱規(guī)格為4m (長) × 0.8m (寬) × 1m (高)；通過在水泵上安裝流量計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)測分析方法按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[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)測分析。

1.2.3 計算方法

本實(shí)驗(yàn)有關(guān)重金屬釋放通量計算方法按下式進(jìn)行計算[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次取樣時所測重金屬濃度，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

按照泥沙起動理論[13]，泥沙的起動過程包括將動未動、少量動、普遍動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，沉積物處于"將動未動"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，沉積物將處于“少量動”狀態(tài)，此時水流紊流作用增強(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，沉積物處于"普遍動"狀態(tài)，此時紊動作用更加明顯，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

對水槽實(shí)驗(yàn)水體中Cu、Cd、Pb的濃度進(jìn)行監(jiān)測分析，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，重金屬的濃度增加幅度并不明顯，這是由于此時沉積物只收到輕微的擾動，還沒有出現(xiàn)明顯懸??；所以，此時釋放的絕大多數(shù)是沉積物間隙水中的重金屬。

隨著流速變大，沉積物由“將動未動”向“少量動”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，這是由于此時沉積物已開始大量起動，間隙水中的重金屬開始大量釋放，同時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，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，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，水動力條件對水/沉積物系統(tǒng)中重金屬的遷移有重要的影響。

圖2 不同水動力條件下重金屬的釋放通量與流速的關(guān)系曲線

通過對圖1和圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，對水槽實(shí)測數(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而增長。

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

通過實(shí)測數(shù)據(jù)對上述數(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)，同時對采樣斷面水流速度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,監(jiān)測值如表1。

表1 不同流速下水體重金屬濃度計算值與實(shí)測值的比較

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)四個過程，代表性較好。每種狀態(tài)下的水樣采集后，對其Cu、Cd、Pb含量進(jìn)行分析；先根據(jù)式(2)～(4)計算獲得釋放通量，然后將求出的釋放通量值帶入到公式(1)中，從而得到對應(yīng)的重金屬濃度值。實(shí)測值與計算值結(jié)果如表2所示。此結(jié)果表明：數(shù)量關(guān)系式計算值與實(shí)測值的相對誤差保持在5%至25%之間，兩個值吻合度較高，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算值與實(shí)測值的比較

3 結(jié)論與展望

本實(shí)驗(yàn)對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；(2)當(dāng)沉積物的狀態(tài)從“將動未動”轉(zhuǎn)換為“少量動”時，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”時，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。