潮汐作用对通江湖泊重金属镉的三相分布特征影响

， ，，

(1.河海大学 a.浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室； b.环境学院，南京 210098；2.江苏润环环境科技有限公司，南京 210000)

1 研究背景

重金属具有高毒性、持久性、难降解性等特点[1-8]，长期以来，重金属污染问题热度居高不下。目前国内外学者针对重金属的研究主要有如下成果：何江等[9]评价黄河包头段水体中重金属的危害程度，结果表明，铅镉等重金属的危害性大，更易造成污染；于瑞莲等[10]测定锦江感潮河段表层沉积物中12种重金属含量并评价其潜在生态风险，发现镉污染及其生态危害性非常严重；Garcia等[11]监测了委内瑞拉西海岸重金属随时间变化情况，并进行荟萃分析，结果表明，2000年和2001年水中重金属浓度高于1995年和1997年，且镉浓度增长尤其明显；滕德强等[12]采用Hakanson潜在生态危害指数法对长江口及其临近海域的表层沉积物中重金属进行评价，发现影响最大的元素首先为镉，其次为汞；王沛芳等[13]分析太湖表层沉积物中的重金属含量发现，沉积物中镉的含量较低，但可交换态所占比例最高，迁移性最强，潜在生态风险最大；Hiller等[14]运用风险评价指数(RAC)法对斯洛伐克的Ruzin和Velke Kozmalovce水库沉积物重金属含量进行评价，发现镉对水环境构成了非常高的风险；孟博等[15]研究了北京凉水河沉积物不同粒径中重金属形态分布特征，其研究结果表明残渣态重金属含量远大于其他形态；毕春娟等[16]对长江口崇明东滩近岸水体的重金属铜、镉等含量的分析发现颗粒态重金属的潮周期变化主要与水动力条件有关；万群等[17]对三峡工程截流后洞庭湖内铜、锌等重金属的浓度值进行了分析，结果显示湖区内重金属的浓度在丰水期波动幅度较大，说明重金属含量受水文条件影响显著；黄本生等[18]根据重金属传质过程及其在体积单元中的质量变化率，建立河流重金属迁移转化耦合稳态模型与紊动模型，在一定的边界条件和起始条件下可实现模型的简化求解；黄岁梁等[19-20]从吸附反应动力学方程和质量法守恒方程出发，得到单位重量泥沙剩余吸附量和水相浓度的计算公式。

这些研究围绕重金属的探讨取得了显著成果，但针对通江湖泊开展的重金属3种相态(沉积态、悬浮态、溶解态)之间迁移转化规律的研究却不多见。重金属不同形态对环境有不同影响，水体中的重金属一般大量以悬浮态和沉积态存在，主要对水体中底栖生物和水生植物造成影响。重金属在水中的溶解度虽然不高，但易与水中的其他毒素或非毒素物质结合生成毒性更大的有害物质，严重危害水体及人类健康。

本文以长江下游典型的感潮通江湖泊镇江金山湖为例(图1)，选取金山湖潜在生态风险指数最大的镉因子[21]，通过试验定量研究镉在金山湖溶解-悬浮-沉积三相之间的分布，并分区对金山湖一个典型全日潮过程开展数值模拟，探究金山湖沉积物镉的三相分布规律，以期为进一步揭示通江湖泊重金属迁移运输过程提供借鉴和参考。

2 金山湖重金属镉三相转化试验

2.1 试验方法

为研究不同水动力扰动下，金山湖重金属在沉积物与上覆水之间的输移机制，本研究于2014年9月，在中国科学院南京地理与湖泊研究所开展了重金属迁移模拟试验，采用环形水槽(图2)模拟湖内水流过程。该环形水槽由上盘、下盘、计算机控制系统、动力系统及基础结构框架组成，下盘环形水槽内壁、外壁、槽底为有机玻璃材料，固定于可随电机转动的金属结构底盘上，外壁与内壁直径分别为120 cm和80 cm，中间宽度为20 cm，水槽高40 cm，样品可从外壁6，18，30 cm处的取样口取出。

图2 环形水槽试验装置Fig.2 Schematic diagram of annular sink

2.2 试验过程

试验前需用示踪物进行率定[22]，示踪物选择小而轻的圆球形干燥剂。针对本研究所设定试验流速、水深、底泥厚度，在模拟试验前对相应的流速及水深对应的上盘转速进行率定。

本研究布置了3组动力扰动试验，试验沉积物均为2014年8月金山湖湖床表层淤积的原型天然砂，上覆水为金山湖原位水样(采样点布设见图1，Ⅰ 区为引航道区， Ⅱ 区为中泓区， Ⅲ 区为北部湖区， Ⅳ 区为南部湖区， Ⅴ 区为焦南闸区)。每组试验沉积物厚度为6 cm，试验前将沉积物混合均匀，均匀铺在水槽底部，待其自然沉降密实1 d，之后缓慢注入原水至试验水深。3组试验水深h分别为12，18，24 cm。根据金山湖野外实测流速范围，设定水槽内水流速度为0,0.1，0.2，0.3，0.5，0.7 m/s，各转速分别旋转30 min以达到水流稳定。在本试验中，对影响输移过程的pH值、温度等因子，3组试验均维持一致水平(试验温度在20 ℃左右，pH调至7.0左右)。每组试验过程中，通过环形水槽外壁的取样口取适量水样及沉积物样测定。测定时采用ICP-MS法分别测定各组水样、悬浮泥沙及沉积物中镉含量。

图3 不同水深条件下床面切应力及悬浮物起悬浓度分布Fig.3 Distribution of bed shear force and suspended concentration under different water depth conditions

2.3 试验结果

2.3.1 沉积物起悬特征

沉积物起悬主要取决于床面附近的水流状况，因试验水深条件与实际水深条件的差异，采用能够描述底部水流情况的临界起动切应力进行分析更为合适[23-26]。本文运用式(1)将试验流速转化为临界起动切应力，分析沉积物重金属的释放规律。

(1)

式中：τe为床面剪切动应力；ρ为水的密度；u*为摩阻流速；uc为断面平均流速；κ为卡门常数；y为距床面高程0.37倍水深；ks为沙粒糙率，可取为泥沙粒径；Bs为床面附近水流特征的无量纲函数。

3组扰动试验切应力分布及沉积物起悬过程见图3，结果表明：在相同流速条件下，水深越小，床面剪切应力越大。

2.3.2 重金属镉的迁移特征

分析镉在沉积物-上覆水-悬沙三相间含量随水深、流速的变化情况，试验结果见图4。

图4 重金属镉在沉积物-上覆水-悬沙三相间的含量变化过程线Fig.4 Changes of cadmium concentration in sediment,overlying water, and suspended sediment

由图4可知：水深条件及床面扰动强度对环形水槽中沉积态-悬浮物吸附态-溶解态镉的迁移交换机制影响显著。

(1)床面扰动强度的影响。在低扰动强度下(0～0.2 m/s)，床面切应力很小，沉积态镉浓度基本稳定。随扰动强度增加，沉积态镉浓度基本呈递减趋势，悬浮物吸附态镉浓度基本呈现递增趋势；然而当扰动流速低于某一值时(本试验为0.5 m/s)，悬浮物吸附态镉与溶解态镉有着复杂的吸附与解吸过程(这与起悬颗粒粒径、起悬先后顺序即粒径小的颗粒先起悬、吸附解析平衡等有关)，这一过程同时带有一定选择性，因此溶解态镉浓度变化相对复杂。在高强度扰动下各组试验溶解态镉浓度均比初始试验浓度有所降低，说明镉在上覆水体中更易于以悬浮物吸附态存在。

(2)水深条件的影响。中高扰动强度下，水深与床面的切应力呈现显著负相关。相同流速下，水深越深，沉积物起悬量越小。但在床面剪切力并未达到能使沉积物大量起悬时，不同水深组沉积物上覆水中的颗粒浓度梯度不同，由于颗粒间的碰撞、絮凝等二次沉降作用，镉的三相分布并不满足上述关系。

3 金山湖重金属镉的迁移模型

3.1 基本控制方程与数值解法

基于二维水流、悬浮物、重金属耦合水环境数学模型，模拟金山湖镉迁移过程，基本控制方程用式(2)表示，其中水动力方程采用二维浅水方程描述水流过程；泥沙运输方程综合考虑泥沙在水流作用下的迁移扩散与沉降起悬[27]。

(2)

其中：

式中：Sfx，Sfy分别为x，y向的摩阻底坡；S0x，S0y分别为x，y向的河底底坡；Fx，Fy分别为摩擦力在x，y向上的分量(风应力即通过Fx，Fy而起作用)；ρ，ρa分别为水和空气的密度；h为水深；t为时间；CD为风拖曳系数；ua，va分别为风速在x，y方向上的分量；u，v分别为x，y方向垂线平均水平流速分量；g为重力加速度；f为科氏参数；S为水体悬浮颗粒浓度；Dx，Dy分别为水流作用下悬浮颗粒纵向、横向扩散系数；Fs为悬浮颗粒源汇项，即颗粒上扬与沉降净通量，采用切应力概念；Cd为水体中重金属镉浓度；Ex，Ey分别为水流作用下重金属镉的纵向、横向扩散系数，SCd为镉的源汇项;Zb为河床高程。

上述方程可以进行联合求解，写为以下形式[28]，即

(3)

式中：q为守恒物理量；f(q)，g(q)分别为x，y方向通量；b(q)为源汇项。具体解算过程见文献[29]和文献[30]。

图7 一个全日潮内各湖区镉浓度的三相分布数值模拟结果(2017年)Fig.7 Numerical simulation result of cadmium concentration in three phases in different lake areas within a diurnal tide in 2017

3.2 模型的率定验证

运用2007年8月金山湖实测水体镉浓度数据对模型进行率定验证，重金属本底值设定为本研究重金属监测值，水文条件参照《金山湖水系控制运行方案(试行)》确定。根据地形资料，应用gambit软件将金山湖划分为2 642个四边形单元网格，共2 880个节点，平均网格尺寸为50 m×50 m。以引航道以及焦南闸实测水文数据作为计算边界，考虑计算稳定性及精度，取时间步长t为1 s，湖底糙率0.025，紊动黏性系数0.2 m2/s，风拖曳系数CD=0.001 3，泥沙率定验证结果见图5。根据现有参数计算金山湖3个点位重金属镉的浓度值，并与实测值进行对比，见表1。结果表明：模型计算结果与实测值拟合效果较好，相对误差在25%以内，模型能够较准确地反映金山湖水动力条件及重金属镉的迁移。

图5 金山湖泥沙率定验证结果Fig.5 Calibration results of sedimentation in Jinshan Lake

点位实测值/(mg·L-1)计算值/(mg·L-1)误差/%A1×10-49.2×10-58B5×10-56.2×10-524C5×10-55.8×10-516

4 潮汐过程对金山湖镉的三态影响

金山湖分区如图6所示。运用所建数学模型分区对2014年全日潮过程金山湖镉的三相转化进行数值模拟，绘制过程线见图7和图8，根据结果分区分析全日潮镉的三相分布特征。

图6 金山湖分区Fig.6 Zoning of Jinshan Lake

图8 一个全日潮内金山湖镉的三相分布数值模拟Fig.8 Numerical simulation of cadmium distribution in three phases in Jinshan Lake within a diurnal tide

(1) 在每个湖区，镉的三相分布峰谷值规律及变化趋势大致相同，总体上每个湖区每种形态镉分别出现2个波峰和2个波谷。沉积态镉与溶解态镉变化趋势相近，与悬浮态镉变化趋势相反。这主要因为落潮阶段金山湖以出流为主，水流扰动较大，沉积物镉释放率较高，上覆水中的镉倾向于以悬浮吸附态存在；而在涨潮阶段，外部长江水位的顶托作用降低了金山湖水流挟沙力，水体中悬浮态重金属随泥沙颗粒沉降作用显著，沉积物释放较弱。

(2) 尽管每个湖区三相分布峰谷值规律相近，但到达峰谷值的时间各不相同，其三态浓度的变异系数(见表2)亦不相同，引航道区与焦南闸区的变异系数明显偏高。这是由于各湖区与长江水体的相对位置不同，其中，引航道区与焦南闸区分别与长江不同段直接相通，受长江径流与潮流的影响在时间上最早，强度上最大，而当径流与潮流的影响经过引航道区、焦南闸区的缓冲到达北部湖区、中泓区、南部湖区时，长江径流与潮流对这3个湖区的影响时间及程度都有所衰减。

表2 各湖区三相态镉变异系数Table 2 Coefficient of variation of cadmium ofthree phases in different lake areas

(3) 考虑镉在全湖的迁移情况，由于溶解态镉含量与颗粒态镉(悬浮态与沉积态)含量相差多个数量级，故这里仅考虑颗粒态镉的迁移情况。南部湖区与中泓区颗粒态镉相对平稳，北部湖区与焦南闸区颗粒态镉平均浓度变化趋势相似，均在18日20：00左右达到峰值，在19日7：00左右达到次高峰，在18日13：00与19日6：00左右达到谷值，而引航道区变化趋势与此相反。这主要因为落潮阶段金山湖以出流为主，湖内水流方向自西向东，汇向位置偏东的北部及焦南闸湖区；而在涨潮阶段，湖内流速放缓，东向流不显著，引航道区镉含量逐步回升，北部及焦南闸湖区则呈下降趋势。

5 结 论

为了研究不同动力扰动下，金山湖重金属在沉积物与上覆水之间的输移机制，采用环形水槽模拟湖内水流过程，进行重金属迁移模拟试验。结果表明：中高扰动强度下，在相同流速条件时，水深越小，床面剪切应力越大，随流速增加，沉积态镉与溶解态镉均呈现下降趋势，悬浮物吸附态镉则呈现上升趋势；低扰动强度时，水深与三相分布的关系受到颗粒性质、床面性质的影响，除了沉积态镉较为稳定，没有表现出其他明显的规律。

利用二维水流、悬浮物、重金属耦合水环境数学模型分区模拟金山湖一个全日潮镉迁移过程，结果表明：在每个湖区内部，三态浓度大致呈两波峰两波谷趋势，且溶解态镉和沉积态镉趋势相近，与悬浮态相反；各湖区之间由于与长江相对位置不同，受潮流影响时间不同，因而各区三态浓度到达波峰波谷的时间及变异系数亦不相同；从全湖来看，在潮汐影响下，受金山湖内水流流向及流速的影响，在落潮阶段，北部湖区及焦南闸区镉浓度较高；在涨潮阶段，该趋势逐渐消失。