小微水體底泥重金屬污染擴散動態(tài)監(jiān)測方法研究

關鍵詞：小微水體底泥；重金屬污染擴散監(jiān)測；Multi-Agent系統(tǒng)；三角形面元；內梅羅污染指數(shù)

中圖分類號：X830.2 文獻標志碼：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對周圍環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成危害。底泥中的重金屬通過懸浮態(tài)或溶解態(tài)進入水體，影響水質和水體生物多樣性。了解重金屬的污染擴散動態(tài)有助于評估環(huán)境風險，保護水體生態(tài)系統(tǒng)健康。

文獻[2]通過遺傳算法優(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。光譜變換處理對于特定類型的底泥和重金屬污染情況效果較好，對于復雜的環(huán)境條件、底泥組分多樣性和重金屬污染來源復雜的情況，適用性會受到限制。文獻[3]利用夜間光污染分布狀況，實現(xiàn)光污染監(jiān)測。該方法利用夜間照度，獲取和測量的數(shù)據存在誤差，導致預測的夜間照度結果不準確。文獻[4]根據指數(shù)重要性和雙變量局部空間關聯(lián)指標對水體重金屬污染結果展開分析。引入過多的空間協(xié)變量會增加模型的復雜性，在現(xiàn)實環(huán)境中泛化能力較差，產生過擬合的風險。文獻[5]基于微塑料的形狀、顏色與尺寸對其展開表征，以完成污染監(jiān)測。由于顯微鏡觀察需要繁瑣的操作，會導致一些微塑料顆粒被遺漏或誤判為其他物質，影響監(jiān)測結果的準確性。

為了解決上述方法中存在的問題，提出小微水體底泥重金屬污染擴散動態(tài)監(jiān)測方法研究。

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、農業(yè)活動等，這些活動會導致大氣降塵、廢水滲漏等途徑使重金屬進入水體底泥中，因此將采樣點設置在工業(yè)以及人員活動多的地區(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、樟塘村各水體設置采樣點，利用DDC-2型箱式采泥器采集底泥作為研究樣品，采集深度設置為5～10cm。

1.2樣品測定

將采集到的小微水體底泥樣品放人冷凍干燥機中烘干，當樣品重量不再發(fā)生變化時結束烘干，翻動、壓碎和研磨底泥樣品，并經過尼龍篩除雜質，將樣品編號。通過電子天平稱取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對樣品進行消解處理，獲取底泥樣品溶液。通過電感耦合等離子質譜儀對溶液中的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb六種元素的含量展開測定。同時經過電子天平稱取0.2g經除雜質處理后的底泥樣品，展開混合酸體系消解后，放入SnC12溶液中，通過冷原子熒光法對溶液中的Hg元素含量展開測定。

1.3小微水體底泥重金屬污染擴散動態(tài)監(jiān)測

由于小微水體底泥重金屬污染是否發(fā)生擴散需要考慮方向以及速度等因素，為了能夠模擬不同個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散過程，利用Multi-Agent系統(tǒng)對發(fā)生重金屬污染的小微水體底泥展開污染擴散分析，準確理解重金屬污染在小微水體底泥中的擴散動態(tài)，實現(xiàn)對底泥重金屬污染的實時動態(tài)監(jiān)測。建立的多水質Agent三角形面元網格見圖1。

2.2污染擴散的影響因素分析

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，當重金屬污染物被排放到水中時，多數(shù)會吸附在水體底泥上，從而形成固態(tài)顆粒。此時，重金屬污染物的溶解、釋放情況會受到水體的溶解氧（DO）、溫度（T）和pH值的影響。為進一步明確溶解氧（DO）、溫度（T）、pH值對底泥中各重金屬擴散能力的影響，獲得有效的污染擴散抑制方法，計算各采樣點的重金屬單因子污染指數(shù)，并對溶解氧（DO）、溫度（T）、pH值和7種重金屬在水體中擴散能力的相關性展開分析，結果見圖2。

通過圖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源，因此，對該水域的重金屬污染擴散展開控制時主要對影響Cr、Cu、Zn、Cd擴散程度的因素展開控制。

分析圖2（b）能夠發(fā)現(xiàn)，溶解氧（DO）與Zn、Cd、Hg的擴散能力呈正相關，因為這些重金屬在有氧條件下會發(fā)生化學反應形成更易溶解的絡合物，導致溶解度升高、在水中的擴散能力增強，而溶解氧（DO）與Cr、Cu、Pb的擴散能力呈負相關，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，導致其溶解度降低，擴散能力下降，溶解氧（DO）對Ni元素的影響不顯著。溫度（T）和各重金屬元素均呈正相關，因為水中溫度升高，原子通過能量起伏完成勢壘躍遷的概率增大，導致重金屬的擴散系數(shù)增加，且高溫會加快重金屬的化學反應，提升擴散能力。pH值對Hg元素的影響不顯著，和其余6種元素呈負相關，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降低，因此隨著pH值的升高，各重金屬元素的溶解度會降低，擴散能力下降。

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

3結束語

為了實現(xiàn)監(jiān)測底泥中重金屬的變化和擴散過程，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散動態(tài)監(jiān)測方法。采用了多水質Agent三角形網格系統(tǒng)，更準確地模擬和預測了水體中的各種物質傳輸和擴散情況。應用內梅羅污染指數(shù)，更直觀地判斷出了底泥中重金屬的污染程度，有利于實時監(jiān)測和風險評估。基于內梅羅污染指數(shù)的動態(tài)重金屬污染擴散監(jiān)測方法，使監(jiān)測不再局限于靜態(tài)數(shù)據，而是能夠及時反映污染物在水體中的變化過程，有助于快速響應和采取控制措施。根據獲取到的實驗結果可知，該方法在采樣測定和污染擴散的監(jiān)測精度上均較高，有助于提高監(jiān)測的可靠性和準確性，具有一定的應用性能。