鄱陽湖重金屬Cu的運動足跡研究

周閃閃,王 華*,劉曉暉,閆懷宇,方少文,鄧燕青,王仕剛

鄱陽湖重金屬Cu的運動足跡研究

周閃閃1,2,王 華1,2*,劉曉暉3,閆懷宇1,2,方少文4,鄧燕青4,王仕剛5

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098；2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098；3.中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海 200120；4.江西省水文局,江西 南昌 330000；5.鄱陽湖水文局,江西 廬山 332800)

選取我國典型的通江湖泊——鄱陽湖作為研究區域,采用MIKE21水動力模型耦合粒子追蹤模型,模擬在重力型、頂托型、倒灌型3種不同湖流形態下鄱陽湖中重金屬Cu的運動足跡.結果顯示:(1)1月(重力型),長江下游處重金屬運動速率最快,為2.111km/d,粒子一直沿著由北向南的方向運動至湖區中心的西北方向,之后突然改變運動方向;5月(頂托型),長江上游處重金屬運動速率最大,達到2.901km/d;8月(倒灌型),與頂托型類似,長江上游處重金屬運動速率最快,為3.287km/d.(2)從各支流重金屬整體的運動情況來看,鄱陽湖水位受到五河來水及長江倒灌的影響,各點源重金屬在湖區的運動足跡受頂托型和倒灌型湖流形態作用的影響較大,長江上、下游處重金屬在不同湖流的影響下流速均較大,受湖流形態影響最小的是撫河的2個支流,粒子運動速率表現為: 倒灌型>頂托型>重力型.

通江湖泊；鄱陽湖；重金屬；粒子追蹤模型；湖流形態

湖泊具有多種生態系統功能[1-4].近年來,由于經濟快速發展而產生的工業廢物、污水徑流和農業排放等,導致湖泊重金屬污染嚴重[5-7].湖泊生態系統中的重金屬污染由于其毒性、環境持久性以及對人類健康的危害,受到了世界各國的廣泛關注[8-16].生態系統對流入重金屬的響應在很大程度上取決于河流水在湖中的分布路徑,了解污染物如何從其釋放位置進入湖泊,以及湖泊的水動力學對湖泊內污染物遷移行為的影響程度和強度,有助于水質保護和湖泊生態保護[1-7].因此,重金屬運動足跡的研究對水環境的保護具有重要意義.

鄱陽湖是我國最大的淡水湖,典型的通江湖泊,是全球自然基金公認的最重要的生態區域之一[18-19].位于樂安江中、下游的德興Cu礦及位于信江中游的永平Cu礦是我國著名的大型Cu業生產基地,其開采過程中產生的含金屬酸性廢水的排放,是湖區重金屬污染的主要來源,這使得重金屬負荷不斷增加,湖泊的生態功能日益遭到破壞[20-23].有研究表明,鄱陽湖沉積物中Cu,Zn和Pb的枯水期均值分別是背景值的8.68,4.67,9.28倍[24],鄱陽湖懸浮顆粒物中金屬元素As,Cd,Cr,Cu,Ni和Pb的質量濃度均值分別為74.40, 5.92,343.24,99.27,61.61和160.32mg/kg,分別是江西省土壤背景值的7,59,7,5,5和3倍[25],而在對鄱陽湖濕地湖區底泥重金屬的研究中發現,Cu和Pb的平均值均高于背景值,重金屬污染較為嚴重[26].大量研究表明,鄱陽湖水質逐年下降,20世紀80年代,就各類水質參數平均值來說,鄱陽湖85%水體能達到地表水I、II類標準,水質良好.進入21世紀,特別是2003年以后,只有50%水體能達到I、II類水標準,III類水占32%,劣III類水體所占比例已上升至18%,下降趨勢加劇[27-29].日益加重的湖泊污染負荷已經成為鄱陽湖生態環境安全所面臨的極其嚴峻的挑戰[30].

關于鄱陽湖重金屬污染的研究可追溯到20世紀80年代[31-32].近年來,關于鄱陽湖重金屬所開展的研究主要圍繞不同形態重金屬的污染分布特征研究[33-38]、重金屬潛在的健康及生態風險評價[39-40]、不同水生植物對重金屬的富集及生態效應研究等[41-43].相關研究對于掌握鄱陽湖重金屬污染時空分布特征具有重要意義,然而很少有人研究鄱陽湖在重力型、頂托型和倒灌型3種不同流態下重金屬的運動足跡問題.因此,本研究選取長江中游的通江湖泊——鄱陽湖作為研究對象,以湖泊中負載最高的重金屬Cu為例,建立鄱陽湖二維水動力模型及粒子追蹤模型,研究在3種不同流態下,重金屬Cu在無風條件下的空間分布和運動足跡.本研究可以揭示鄱陽湖重金屬Cu的空間分布特征,有助于合理有效地掌握鄱陽湖不同流態下重金屬Cu的運動規律,反映該地區重金屬遷移轉換機制,對重金屬防治具有一定的指導作用,可為鄱陽湖的生態保護及保障水質安全提供科學依據,此外,還可為其他通江湖泊水環境保護與治理提供參考.

1 研究材料與方法

1.1 研究區域

鄱陽湖是中國第一大淡水湖,位于江西省北部,長江中下游南岸,地理坐標為115°49'E~116°46'E, 28°24'N~29°26'N.鄱陽湖是通江湖泊的典型代表,是一個吞吐型、季節性的湖泊,承納江西省境內的贛江、撫河、信江、饒河、修河5大江河的來水,調蓄后經湖口注入長江,水位變化受五河來水及長江倒灌的雙重影響,高水位維持時間較長.每年4~6月,鄱陽湖水位隨五河水系洪水入湖而上漲,7~9月因長江洪水頂托或倒灌而維持高水位,10月開始穩定退水.鄱陽湖水位常年變幅較大,最大為9.59~14.85m,最小為3.54~9.59m,水位變幅自北向南逐漸遞減.根據流勢、流向及江湖水文關系,可將鄱陽湖湖區的吞吐流分為重力型、頂托型和倒灌型3 種不同的類型[44].重力型是鄱陽湖的主湖區最主要、最基本的湖流類型,由于上游河流來水流入湖盆,形成由南至北的水面坡降,從而形成了自南向北的流向[45].鄱陽湖第二大水動力形態是頂托型,是介于重力型和倒灌型之間的過渡形態.一般發生在“五河”與長江同時漲水,或“五河”大汛已結束,長江漲水尚未達到倒灌條件的情況下,因長江水位較高,湖水下泄受到入江水的阻擋,未形成負落差,水面比降極小,此時,湖流流速較小,甚至為零.這個時期的水流主導流向仍是由南向北,但南區則普遍較為偏北方向,且在饒河入口處形成環流.頂托型湖流幾乎每年都會出現,其出現時長僅少于重力型湖流[46].倒灌型主要是受長江洪水影響所形成.當五河來水基本結束、長江水位高于同時期水位時(一般出現在湖口水位18m以下,13m以上),則會形成倒灌型流態,北部流速大于南部,中部最小,主要發生時間段為7~10月,個別年6、11月也有發生.在入江口倒灌期間,受倒灌水的影響湖流的流向與吞吐流正好相反,此時湖水仍自北向南流動,但流速一般較小.

此外,鄱陽湖的功能定位為全國大湖流域綜合開發示范區,長江中下游水生態安全保障區,其水體和濕地為核心保護區.鄱陽湖具有豐富的生物多樣性,尤其是鳥類共310種,占全國鳥類總數的19.9%,珍禽包括白鸛、白頭鸛、白鶴、白枕鸛、灰鸛等,其中13種被國際鳥類組織列為世界瀕危鳥類,由于在生物多樣性保護中具有重要的地位,鄱陽湖被列為中國生物多樣性保護的關鍵區域[47].然而,近年來鄱陽湖重金屬污染嚴重,對水環境產生不良的生態影響,破壞鄱陽湖的生態環境和生態功能,進而影響人類的生存.

1.2 數據來源

圖1 研究區域示意

本文從不同來源收集模擬實驗所需要的數據.根據江西省水文局1988~2015年的實測資料,確定了1988~2015年的邊界數據,包括水量、懸浮泥沙和Cu的濃度,其中1988~2015年的水文和懸浮物資料取自“長江流域水文年鑒”.由于1983~1987年期間無定期監測到重金屬Cu的濃度,在鄱陽湖水文局的幫助下,參照贛江、撫河、信江、饒河和修河入口處的野外觀測資料,對輸入數據進行了改進.建立幾何模型所需的信息是從2007年10月5日獲取的遙感圖像中確定的[48].從1983年的調查中得出表層沉積物中Cu的初始含量[27],1980年收集的湖底數據與1990年的數據相結合,獲得了初始的地形高程數據[49-50].從鄱陽湖周圍的5個雨量站(湖口站、星子站、都昌站、鄱陽站和進賢站)收集到1983~2015年期間每個月的降雨量數據.根據從網上地面氣象數據庫獲得的2005~2015年連續風資料,將1983~ 2004年的風資料離散為12個月,并對其發生頻率進行了分類.將1985,2003和2013的實地調查中獲得的表層沉積物中的Cu濃度,用于模型校準和驗證.各監測點的位置如圖1所示.

1.3 數學模型

數學模型是模擬鄱陽湖不同情況下水質動態變化的重要工具.本文通過MIKE21水動力模型耦合粒子追蹤模型來模擬在重力型、頂托型、倒灌型3 種不同流態下,鄱陽湖中重金屬Cu的運動足跡,依靠粒子的運動軌跡可以清楚地看到重金屬Cu的空間分布和運動軌跡.本文所構建的數學模型以鄱陽湖為主體,外部包括主要入湖河道以及長江上、下游約30km的江段.

根據鄱陽湖邊界及地形條件構建鄱陽湖二維水環境數學模型,同時根據出入河流的具體情況,將其概括為9個入流邊界(長江上游、修河、贛江北支、贛江中支、贛江南支、撫河西支、撫河東支、信江、饒河)和1個出流邊界(長江下游).模型運算以2008年為計算水平年,模型的模擬時段選取1月(重力型)、5月(頂托型)和8月(倒灌型),每個模擬時段在開始時均只釋放一個粒子,每隔5d記錄一次粒子的運動情況.

1.3.1 水動力模型基本公式 水動力模型通過二維淺水湖泊風力-驅動模型模擬水流運動過程,模型考慮其中慣性力、地球自轉偏向力和湍流粘性力以及風應力.基本公式如下:

式中:為水的密度;wx和wy分別表示風應力在和方向上的分量;bx和by分別為河床摩擦力在和方向上的分量;為地球自轉角速度;是緯度.

1.3.2 泥沙模型基本公式 綜合考慮泥沙在水流作用下的遷移擴散與沉降起懸,二維泥沙輸運方程可表達如下:

式中:為水體泥沙濃度;E、E為水流作用下泥沙縱向、橫向擴散系數;s為泥沙源匯項,即泥沙起懸與沉降凈通量.

采用切應力概念,源匯項可表達為:

式中:為泥沙的沉降概率;為泥沙沉降速度;為泥沙起動系數;d為臨界不淤流速;e為臨界起動流速;當￡d時,泥沙發生沉降;當3e時,泥沙發生再懸浮.

1.3.3 粒子追蹤模型基本公式 采用隨機行走粒子跟蹤(Rwpt)模型進行水交換模擬,Rwpt模型離線運行,用水動力模型輸出的速度來計算粒子路徑,采用四階精確龍格-庫塔方法,對粒子位置方程進行積分,由于亞網格尺度擴散過程中存在電流和隨機游走,可以將其描述為平流.

式中:X和XΔt分別表示時間和Δ的無源粒子位置矢量;為模型流場的速度矢量;Δ為隨機游走的時間步長;()為在區間?1~1內的均勻分布隨機數,這里是Fortran 90隨機數發生器給出的均勻偏差;K為水平方向隨機游動的渦流擴散系數,由水動力模型導出.

2.3.4 重金屬模型基本公式 重金屬可分為溶解金屬、顆粒金屬和沉積金屬,金屬方程可表示如下: