不同水流速度條件下鄱陽湖典型入湖河流沉積物重金屬Cu、Cd、Pb的釋放特征

張麗萍,王世亮*,余 楊

(1.曲阜師范大學 地理與旅游學院,山東 日照 276826；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

近年來，重金屬污染問題引起了學者和環境管理部門的高度重視。作為"匯"的沉積物也是水環境重金屬污染重要的“源”；因為當外界環境條件發生變化時，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-沉積物系統物質的強烈交換[1]，沉積物的內源釋放會直接或間接影響水生態系統[2]；而且沉積物中的所含有的大量其它物質也會伴隨沉降和再懸浮過程中一起發生變化[3]。基于此，研究不同動力條件下沉積物重金屬的釋放是了解水體環境污染物遷移轉化的關鍵問題。沉積物是水體環境中重金屬污染的歷史檔案庫，國內外有眾多關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研究還較為缺乏。

因此，本研究在實地監測的基礎上，運用水槽試驗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行模擬研究，通過對實地監測結果與模擬結果的對比檢驗，系統揭示沉積物重金屬的釋放規律。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置與方法

本研究使用可循環流動水槽-水箱-水泵作為基本實驗裝置，水箱規格為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水位的穩定。

本實驗所用沉積物取自樂安河，以自來水為實驗用水。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后開始進行實驗；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 分析項目與方法

本研究涉及的Cu、Cd、Pb的監測分析方法按照《水和廢水監測分析方法》[6]進行。在本實驗過程中，沉積物的溫度[7]、pH[8]，氧化還原電位[9]、沉積物粒徑[10]、有機質含量[11]等理化性質并沒有太多變化，故不進行監測分析。

1.2.3 計算方法

本實驗有關重金屬釋放通量計算方法按下式進行計算[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 結果與分析

2.1 水槽試驗過程及結果分析

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，在不同狀態下，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，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轉化[14]；當流速達到20～50cm/s時，沉積物將處于“少量動”狀態，此時水流紊流作用增強，水槽中有部分小塊泥沙被沖起而懸浮在沉積物表面[15]；當流速達到約60～70 cm/s時，沉積物處于"普遍動"狀態，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。

2.1.2 不同流速條件下沉積物重金屬的釋放

對水槽實驗水體中Cu、Cd、Pb的濃度進行監測分析，通過其濃度變化研究沉積物中上述元素的的釋放速率；實驗結果如圖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，還沒有出現明顯懸浮；所以，此時釋放的絕大多數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”狀態轉換，上覆水體中重金屬的濃度出現了明顯升高，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。

隨著流速進一步增大，達到約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。當流速度達到70 cm/s時，Cu、Cd、Pb濃度約是靜水狀態的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系曲線

通過對圖1和圖2實驗結果進行綜合分析，對水槽實測數據與水流速度進行擬合處理，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)的數量關系可以看出：沉積物重金屬的釋放量與流速之間呈指數關系；在一定流速范圍內，釋放量隨流速的增長而增長。

2.2 模擬結果在實際環境中的應用

通過實測數據對上述數量關系進行驗證。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行實時監測,監測值如表1。

表1 不同流速下水體重金屬濃度計算值與實測值的比較

采樣點水深為5.89m，采樣過程中經歷無風靜止、小風(流速0.05、0.10m/s)、中風(流速0.20、0.35 m/s)、大風(水體流速0.57、0.68 m/s)四個過程，代表性較好。每種狀態下的水樣采集后，對其Cu、Cd、Pb含量進行分析；先根據式(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，從而得到對應的重金屬濃度值。實測值與計算值結果如表2所示。此結果表明：數量關系式計算值與實測值的相對誤差保持在5%至25%之間，兩個值吻合度較高，從而驗證本研究所得到的沉積物重金屬釋放通量與流速的數量關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測值的比較

3 結論與展望

本實驗對不同水流速度條件下樂安河沉積物Cu、Cd、Pb的釋放特征進行了研究，得到了如下主要結論：(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)當沉積物的狀態從“將動未動”轉換為“少量動”時，水體中重金屬濃度增加明顯；(3)當沉積物狀態為“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關系，此數量關系具有較好的科學性和適用性。