不同風(fēng)擾動(dòng)下太湖梅梁灣水體重金屬濃度變化特征研究

鄭莎莎，劉佳佳

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210019; 2.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210044）

0 引言

重金屬常伴隨著沉積物的再懸浮進(jìn)入水體，當(dāng)水體中的重金屬含量超過(guò)當(dāng)前環(huán)境的自凈能力，就會(huì)改變水體的組成和性質(zhì)，使水生生物的生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生惡化。 水體中的重金屬含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致水資源可利用性降低，進(jìn)而可能導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化。重金屬不同于營(yíng)養(yǎng)鹽，其多為非降解型有毒物質(zhì)，可被生物吸收并沿食物鏈傳遞、富集，并最終給人類健康帶來(lái)威脅。 因此，去除水體中重金屬，降低其危害性，一直為環(huán)境研究工作者所重視。 目前，國(guó)內(nèi)外已有的研究主要偏重于淺水湖泊沉積物重金屬的時(shí)空分布方面，對(duì)于沉積物再懸浮過(guò)程中重金屬對(duì)水環(huán)境的影響以及風(fēng)擾動(dòng)下水體中重金屬的濃度變化研究較少。

太湖流域地區(qū)工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)生的大量工業(yè)廢水導(dǎo)致水體中重金屬含量越來(lái)越高，其中伴隨著沉積物再懸浮釋放的重金屬是導(dǎo)致水體重金屬含量增加的主要途徑之一。梅梁灣的3 條主要入湖河道，武進(jìn)港、直湖港和梁溪河污染較為嚴(yán)重，湖灣接收多樣污水，包括工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污水以及無(wú)錫市生活污水。相關(guān)研究表明[1-2]，梅梁灣重金屬污染在整個(gè)太湖中處于較高的水平。近年來(lái)，由風(fēng)擾動(dòng)引起的水質(zhì)變化已經(jīng)引起了很多學(xué)者的注意[3-4]，淺水湖泊沉積物極易受到風(fēng)擾動(dòng)的影響而發(fā)生再懸浮，研究不同風(fēng)擾動(dòng)下沉積物再懸浮過(guò)程中水體中重金屬的分布是去除水體重金屬的前提，對(duì)開(kāi)展水質(zhì)管理工作具有一定指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與處理

2021年5月1日至10日9：00 ～10：00 于梅梁灣觀測(cè)點(diǎn)分別觀測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向。風(fēng)速和風(fēng)向采用手持式風(fēng)速風(fēng)向儀（NZPH-1）測(cè)定，每2 min 記錄1 次。在觀測(cè)點(diǎn)使用自制的同步分層采水器進(jìn)行水樣采集，在同一斷面下分別采集8 個(gè)深度的水樣，距沉積物表面分別為0.05，0.1，0.2，0.4，0.6，0.9，1.2 和1.8 m。 水樣采集后立即使用哈希pH/溶解氧/電導(dǎo)率自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀和FAJ-4 氧化還原電位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定水體物理化學(xué)參數(shù)（pH 值、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）和氧化還原電位（Eh））。 然后將水樣迅速送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和分析。 監(jiān)測(cè)及采樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1。

圖1 太湖野外觀測(cè)采樣點(diǎn)位示意

1.2 樣品分析方法

水體懸浮物含量（SPM）采用重力法測(cè)定（GB11901—89）。 具體操作步驟為：將孔徑為0.45 μm，直徑為50 mm 的微孔濾膜在105 ℃條件下烘4 h 至恒重，稱重。 將待測(cè)水樣充分混合，取100 mL 水樣用真空抽濾法過(guò)已烘至恒重的微孔濾膜，于105 ℃烘8 h 至恒重，然后冷卻2 h 至室溫，稱重。 利用濾膜前后的質(zhì)量差，計(jì)算水體懸浮物濃度。

取水樣50 mL，用HNO3調(diào)節(jié)pH 值小于2。另取50 mL 水樣采用抽真空過(guò)濾的方式得到濾后水樣，濾后水樣同樣用HNO3調(diào)節(jié)pH 值小于2。 水體濾前水樣和濾后水樣均采用微波消解法消解。 消解步驟為：取1 mL 水樣加入微波消解罐中，然后依次加入6 mL HNO3和1 mL H2O2，靜置片刻后蓋上封蓋，置于微波消解儀中進(jìn)行3 步消解： 160 ℃時(shí)消解3 min，200 ℃時(shí)消解20 min，100 ℃時(shí)消解10 min。 消解完成后待消解液冷卻時(shí)，將消解液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯坩堝中，加入0.5 mL HClO4，200 ℃蒸至近干，加入1 mL HNO3溶液溶解，用超純水定容至25 mL，于4 ℃保存，待測(cè)。 所有經(jīng)過(guò)前處理后得到的消解液均由ICP-MS（Agilent 7700）測(cè)定其重金屬（Cd，Pb，Cr，Ni，Cu 和Zn）濃度。 水體重金屬顆粒態(tài)濃度為重金屬總量與溶解態(tài)重金屬濃度之差。

1.3 質(zhì)量控制

實(shí)驗(yàn)用HNO3為優(yōu)級(jí)純，其余的實(shí)驗(yàn)藥品為分析純； 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)指標(biāo)均設(shè)定空白樣和3 個(gè)平行樣；為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（SRMs）；在水樣分析過(guò)程中，采用一系列的標(biāo)準(zhǔn)溶液（GSB），所用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)認(rèn)證；經(jīng)過(guò)測(cè)定與計(jì)算，重金屬標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的回收率范圍為87%～110%。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)況統(tǒng)計(jì)與分析

風(fēng)況統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2（a）可知，在觀測(cè)期間太湖的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋SE，SE 和SSE，占全部風(fēng)向頻率的66%。 由圖2（b）可知，風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，觀測(cè)期間平均風(fēng)速為1.18 ～6.98 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速記錄顯示最小值為0.3 m/s，最大值為8.7 m/s。 根據(jù)多年來(lái)對(duì)太湖的風(fēng)情統(tǒng)計(jì)分析[3]，太湖在夏季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)速為1.7 ～6.0 m/s。 此次野外觀測(cè)過(guò)程中的最大平均風(fēng)速比常年統(tǒng)計(jì)風(fēng)速略大。圖2（b）中的誤差線為觀測(cè)期間所有測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖2 風(fēng)況統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果

2.2 水體物理化學(xué)參數(shù)變化特征

各工況條件下的瞬時(shí)風(fēng)速及水體中其他基本物理、化學(xué)參數(shù)的變化情況見(jiàn)表1。 由表1 可知，溶解氧濃度隨著風(fēng)速的增大而不斷增大，與ZHENG S S等[5]的研究成果類似；pH 值顯示水體呈弱堿性，不同風(fēng)速擾動(dòng)下水中pH 值變化較小，且波動(dòng)范圍與柳后起等[6]在北太湖發(fā)現(xiàn)的情況類似；水體中氧化還原電位值隨著風(fēng)擾動(dòng)的增強(qiáng)而增大，但電導(dǎo)率的變化卻無(wú)明顯規(guī)律。 表中懸浮物濃度為不同水深的懸浮物濃度平均值，懸浮物濃度的變化說(shuō)明沉積物再懸浮受風(fēng)擾動(dòng)影響顯著，當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速大于6 m/s 時(shí)，懸浮物濃度增加尤其迅速。 有研究表明當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速超過(guò)6.5 m/s 時(shí)，沉積物會(huì)發(fā)生大規(guī)模再懸浮[7]。

表1 不同風(fēng)擾動(dòng)條件下太湖梅梁灣水體物理、化學(xué)參數(shù)變化

2.3 水體各重金屬總濃度變化

風(fēng)是影響淺水湖泊沉積物再懸浮的主要因子，在此過(guò)程中，重金屬隨之釋放并進(jìn)入水體。不同風(fēng)擾動(dòng)條件下太湖梅梁灣水體中各重金屬總質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖3。

圖3 不同風(fēng)擾動(dòng)下太湖梅梁灣水體中各重金屬總質(zhì)量濃度變化

水體重金屬濃度較其他污染比較嚴(yán)重的湖泊水體中的重金屬濃度低[8-9]，但較太湖大部分湖區(qū)水體中的重金屬濃度高[10]。 由于太湖梅梁灣接收來(lái)自無(wú)錫的工業(yè)廢水以及通過(guò)直湖港和武進(jìn)港接收來(lái)自常州的大量工業(yè)廢水[11]，因此重金屬污染在全太湖處于較高水平。由圖3 可知，太湖梅梁灣水體重金屬濃度由高到低依次為：Zn ＞Ni ＞Cu ＞Cr ＞Pb ＞Cd，JIANG X 等[10]研究結(jié)論為：Zn ＞Pb ＞Cu ＞Ni ＞Cr ＞Cd，與以上結(jié)論略有不同。 在不同風(fēng)擾動(dòng)條件下，水中重金屬總濃度變化趨勢(shì)類似，均隨著擾動(dòng)風(fēng)速的增強(qiáng)而增大。水體中重金屬包括溶解態(tài)和顆粒態(tài)，進(jìn)入水體主要通過(guò)2 種途徑： ①間隙水中的重金屬通過(guò)濃度差擴(kuò)散進(jìn)入水體； ②再懸浮過(guò)程中伴隨懸浮物直接進(jìn)入水體。本次野外觀測(cè)過(guò)程中，水體中懸浮物濃度隨著擾動(dòng)風(fēng)速的增強(qiáng)而增大，這可能導(dǎo)致水中重金屬總濃度明顯上升。 當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速增大至6 m/s 以上時(shí)，沉積物發(fā)生大規(guī)模的懸浮，水體中重金屬濃度增幅也尤為明顯。

2.4 溶解態(tài)重金屬濃度變化

水體中溶解態(tài)重金屬是易于被動(dòng)植物吸收的形態(tài)，危害較大。不同風(fēng)擾動(dòng)下水體中溶解態(tài)重金屬的濃度變化見(jiàn)圖4。

圖4 不同風(fēng)擾動(dòng)下太湖梅梁灣水體中溶解態(tài)重金屬濃度

由圖4 可知，溶解態(tài)重金屬濃度由高到低為：Zn＞Ni ＞Cu ＞Cr ＞Pb ＞Cd，該結(jié)論高于YU T 等[12]的研究結(jié)果，低于李聰聰?shù)萚13]對(duì)太湖水體重金屬的研究結(jié)果，這可能與采樣點(diǎn)之間的差異有關(guān)。和重金屬總濃度變化不同，當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速不斷增強(qiáng)時(shí)，水體溶解態(tài)重金屬濃度并不會(huì)一直增加，隨著擾動(dòng)風(fēng)速的增大，Cd，Pb 和Cr 溶解態(tài)濃度呈緩慢上升趨勢(shì)，而Ni，Cu和Zn 溶解態(tài)濃度則呈下降的趨勢(shì)。池悄悄等[14]研究太湖水體中重金屬的濃度分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速變大時(shí)，水體中Pb，Cr 和Ni 的溶解態(tài)濃度先降后升，而Cu 和Zn 的溶解態(tài)濃度呈下降趨勢(shì)，和本研究結(jié)果相似。

在風(fēng)浪擾動(dòng)條件下，大量重金屬?gòu)某练e物進(jìn)入水體，一部分以離子形式存在于水體中，另一部分被懸浮物以及其他化合物吸附，因此風(fēng)擾動(dòng)增強(qiáng)時(shí)水體溶解態(tài)重金屬濃度未出現(xiàn)明顯的上升或下降規(guī)律。 對(duì)不同金屬而言，其性質(zhì)差異也較大，例如，Pb和Cr 由于能夠被懸浮物大量吸附[15]，故溶解態(tài)的濃度變化不大；沉積物中的Cd 具有很強(qiáng)的可交換性，向水體遷移的能力較強(qiáng)。 對(duì)于溶解態(tài)Ni，Cu 和Zn，當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速較小時(shí)（＜4 m/s），重金屬的吸附和沉淀作用比釋放作用更明顯，因此這3 種金屬離子的濃度不斷下降；當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，沉積物再懸浮加劇，Ni，Cu，Zn 進(jìn)入水體，離子能夠被膠體吸附，穩(wěn)定停留在水體中[5,15]，或者與溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)結(jié)合形成絡(luò)合離子，絡(luò)合離子不僅能增大金屬離子的溶解度，同時(shí)也將改變離子的電荷，減弱懸浮物對(duì)金屬離子的吸附作用[16]。

2.5 顆粒態(tài)重金屬濃度變化

水體中顆粒態(tài)重金屬和懸浮物緊密相連，因此受風(fēng)擾動(dòng)影響較大。 不同風(fēng)擾動(dòng)下太湖梅梁灣水體中顆粒態(tài)重金屬的濃度變化見(jiàn)圖5。由圖5 可知，顆粒態(tài)重金屬濃度由高到低為：Zn ＞Ni ＞Cu ＞Cr ＞Pb＞Cd。隨著風(fēng)擾動(dòng)的增強(qiáng)，水體顆粒態(tài)重金屬呈先升再降趨勢(shì)。 當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速大于6 m/s 時(shí)，顆粒態(tài)重金屬濃度變化出現(xiàn)拐點(diǎn)（Pb 除外），該現(xiàn)象與水體中懸浮物濃度變化密切相關(guān)。 秦伯強(qiáng)等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速為5 ～6.5 m/s 時(shí)，沉積物發(fā)生大規(guī)模懸浮，沉積物再懸浮引起的重金屬釋放是水體顆粒態(tài)重金屬增加的主要原因。 細(xì)顆粒物（粘土和粉砂，粒徑＜63 μm）擁有更大的比表面積，比粗顆粒物（砂，粒徑＞63 μm）更容易吸附重金屬。 隨著擾動(dòng)風(fēng)速的增大，懸浮顆粒物不斷進(jìn)入水體，吸附大量的重金屬。當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速大于6 m/s 時(shí)，大量的懸浮粗粒徑顆粒物（砂）進(jìn)入水體，導(dǎo)致懸浮物吸附重金屬的能力減弱。也有研究表明，水體中懸浮物濃度的增加將導(dǎo)致顆粒物富集重金屬的能力下降，這是由“顆粒物濃度效應(yīng)”[17]造成。 Pb 具有親固體性，因而更容易被懸浮顆粒物吸附[15]，因此，水體中顆粒態(tài)Pb 濃度隨擾動(dòng)風(fēng)速的增大而明顯升高。

圖5 不同風(fēng)擾動(dòng)下太湖梅梁灣水體中顆粒態(tài)重金屬的濃度變化

2.6 重金屬濃度變化影響因素

2.6.1 重金屬總量濃度變化影響因素

重金屬總濃度與溶解氧（DO）、pH 值、氧化還原電位（Eh）、電導(dǎo)率（EC）和懸浮物（SPM）濃度之間的主成分分析結(jié)果見(jiàn)圖6。 由圖6 可知，第一主成分占81.6%，第二主成分占7.7%，表明各重金屬總濃度均與溶解氧、懸浮物濃度、pH 值關(guān)系密切；氧化還原電位與電導(dǎo)率對(duì)重金屬總量濃度的影響較小。 沉積物再懸浮過(guò)程中，大量重金屬隨懸浮物進(jìn)入水體，已有研究表明懸浮物濃度對(duì)重金屬總濃度的影響較大[18]。除懸浮物濃度之外，隨著擾動(dòng)風(fēng)速的增加，水體溶解氧濃度也逐漸升高。 高溶解氧水體可顯著提高沉積物重金屬的釋放量，這是由于水體中豐富的氧氣能夠促進(jìn)Fe/Mn 氫氧化物釋放Fe，Mn 以及吸附在其表面上的其他重金屬進(jìn)入水體。除懸浮物和溶解氧外，pH 值也是影響沉積物中重金屬釋放的重要因素[19]。

圖6 重金屬總濃度與理化參數(shù)主成分分析

2.6.2 溶解態(tài)重金屬濃度影響因素

溶解態(tài)重金屬濃度與理化參數(shù)主成分分析結(jié)果見(jiàn)圖7。 由圖7 可知，第一主成分占55.3%，第二主成分占19.1%，說(shuō)明溶解態(tài)Cr，Pb 和Cd 的濃度與懸浮物和溶解氧的濃度關(guān)系密切。 溶解態(tài)Pb，Cr 容易被懸浮物吸附，相反，在水流紊動(dòng)劇烈時(shí)Pb，Cr 也容易從顆粒物上解吸附進(jìn)入水體。 溶解氧濃度對(duì)于重金屬?gòu)牧蚧锖陀袡C(jī)質(zhì)中釋放至關(guān)重要，一定量的氧氣可以促進(jìn)重金屬的解吸附過(guò)程[5]。隨著擾動(dòng)風(fēng)速的增大，水體中氧氣濃度逐漸升高，進(jìn)而導(dǎo)致Fe（II）和Mn（II）氧化形成Fe（III）和Mn（IV）氧化物和氫氧化物沉淀物，水體中金屬離子被沉淀物吸附，使溶解態(tài)重金屬濃度下降。 氧化還原電位被認(rèn)為是影響重金屬溶解度的重要因素，它主要通過(guò)影響Fe，Mn 氧化物的溶解性來(lái)影響其他金屬離子的溶解性。

圖7 溶解態(tài)重金屬濃度與理化參數(shù)主成分分析

2.6.3 顆粒態(tài)重金屬濃度影響因素

顆粒態(tài)重金屬濃度與理化參數(shù)主成分分析結(jié)果見(jiàn)圖8。 由圖8 可知，第一主成分占55.9%，第二主成分占24.0%，說(shuō)明顆粒態(tài)Pb 濃度與懸浮物聯(lián)系非常緊密。由于Pb 的親固體性，當(dāng)風(fēng)擾動(dòng)逐漸增大時(shí)，顆粒態(tài)Pb 濃度顯示出明顯的上升趨勢(shì)，WANG J 等[15]研究發(fā)現(xiàn)Pb 易被懸浮物吸附。顆粒態(tài)重金屬濃度與其他理化參數(shù)之間的直接相關(guān)性不密切，這是由于影響顆粒態(tài)重金屬濃度的因素比較復(fù)雜。 當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速不斷增強(qiáng)時(shí)，不同類型的顆粒物懸浮進(jìn)入水體，這些懸浮物吸附重金屬的能力不同，因此顆粒態(tài)重金屬濃度并未隨著懸浮物濃度的升高而持續(xù)升高。 除此之外，溶解氧、pH 值、電導(dǎo)率和氧化還原電位也可通過(guò)控制溶解態(tài)金屬離子的行為來(lái)影響顆粒態(tài)重金屬的濃度。 水體各理化參數(shù)影響重金屬的行為是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，盡管如此，在不同風(fēng)擾動(dòng)條件下，懸浮物和溶解氧是影響淺水湖泊重金屬遷移的最重要因子。

圖8 顆粒態(tài)重金屬含量與理化參數(shù)主成分分析

3 結(jié)論

（1）太湖梅梁灣水體重金屬總濃度總體分布為：Zn ＞Ni ＞Cu ＞Cr ＞Pb ＞Cd。 重金屬總濃度隨著風(fēng)擾動(dòng)的不斷增強(qiáng)而增大，當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速大于6 m/s 時(shí)，增幅尤其顯著。 主成分分析結(jié)果顯示，水體6 種重金屬總量均與溶解氧、懸浮物濃度以及pH 值關(guān)系密切。

（2）太湖梅梁灣水體溶解態(tài)重金屬濃度總體分布為：Zn ＞Ni ＞Cu ＞Cr ＞Pb ＞Cd，當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速不斷增強(qiáng)時(shí)，水體溶解態(tài)重金屬濃度并不會(huì)持續(xù)增加。 主成分分析結(jié)果顯示溶解態(tài)Cr，Pb 和Cd 的濃度與溶解氧、懸浮物濃度關(guān)系密切。 溶解氧濃度對(duì)于重金屬?gòu)牧蚧锖陀袡C(jī)質(zhì)中釋放至關(guān)重要，懸浮物也可通過(guò)吸附金屬離子影響溶解態(tài)重金屬濃度。

（3）太湖梅梁灣水體顆粒態(tài)重金屬濃度總體分布為：Zn ＞Ni ＞Cu ＞Cr ＞Pb ＞Cd。 當(dāng)擾動(dòng)風(fēng)速逐漸增大時(shí)，顆粒態(tài)重金屬呈現(xiàn)出現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，該現(xiàn)象與懸浮物濃度以及懸浮物組成的變化密切相關(guān)。 當(dāng)水體受到較大的風(fēng)擾動(dòng)時(shí)（風(fēng)速＞6 m/s），大量的粗粒徑顆粒物（砂）懸浮進(jìn)入水體，導(dǎo)致單位質(zhì)量懸浮物吸附重金屬的能力減弱。