不同水流速度条件下鄱阳湖典型入湖河流沉积物重金属Cu、Cd、Pb的释放特征

张丽萍,王世亮*,余 杨

(1.曲阜师范大学 地理与旅游学院,山东 日照 276826；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

近年来，重金属污染问题引起了学者和环境管理部门的高度重视。作为"汇"的沉积物也是水环境重金属污染重要的“源”；因为当外界环境条件发生变化时，吸附在沉积物中的重金属也会释放出来。水动力因素是影响沉积物物质迁移的重要因素之一。水动力扰动能够引起水体-沉积物系统物质的强烈交换[1]，沉积物的内源释放会直接或间接影响水生态系统[2]；而且沉积物中的所含有的大量其它物质也会伴随沉降和再悬浮过程中一起发生变化[3]。基于此，研究不同动力条件下沉积物重金属的释放是了解水体环境污染物迁移转化的关键问题。沉积物是水体环境中重金属污染的历史档案库，国内外有众多关于沉积物重金属污染的研究[4]；对水动力影响下沉积物重金属释放的研究也取得了有意义的结果[5]，但对不同水动力条件影响下沉积物重金属释放通量的相关研究还较为缺乏。

因此，本研究在实地监测的基础上，运用水槽试验对不同水动力条件影响下乐安河沉积物中典型重金属的释放特征进行模拟研究，通过对实地监测结果与模拟结果的对比检验，系统揭示沉积物重金属的释放规律。

1 材料和方法

1.1 试验装置与方法

本研究使用可循环流动水槽-水箱-水泵作为基本实验装置，水箱规格为4m (长) × 0.8m (宽) × 1m (高)；通过在水泵上安装流量计和闸门来控制流量大小，最大流量为100m3/h；通过水泵与安装在出水口的叶珊式尾门来控制水槽内水位的稳定。

本实验所用沉积物取自乐安河，以自来水为实验用水。先把沉积物均匀铺在水槽底部(10cm)静置24h；然后向水槽慢慢注入水至20cm，然后再静置24h后开始进行实验；控制流速分别为0，5，10，20，40，50，70cm/s，每个流速都保持1h。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集

在每个流速条件下取样一次，取样体积为50mL，所采集样品用硝酸把pH值至2.0，然后置于冰箱中保存，直至分析。

1.2.2 分析项目与方法

本研究涉及的Cu、Cd、Pb的监测分析方法按照《水和废水监测分析方法》[6]进行。在本实验过程中，沉积物的温度[7]、pH[8]，氧化还原电位[9]、沉积物粒径[10]、有机质含量[11]等理化性质并没有太多变化，故不进行监测分析。

1.2.3 计算方法

本实验有关重金属释放通量计算方法按下式进行计算[12]

r=[Va(Cn-C0)+∑nVi(Cj-1-Cn](/At)

(1)

式中r为重金属释放通量，μg/(m2·d)；Va为试验总用水体积，L；Cn为第n次取样时所测重金属浓度，μg/L；C0为重金属初始浓度，μg/L；Vi为每次取样体积，μg/L；Cj-1表示第j-1次取样时重金属浓度，μg/L；Cn为添加原水后重金属浓度，μg/L；t为重金属释放时间，d为水槽中与水接触的沉积物表面积，m2。

2 结果与分析

2.1 水槽试验过程及结果分析

2.1.1 泥沙悬浮过程

按照泥沙起动理论[13]，泥沙的起动过程包括将动未动、少量动、普遍动3种状态，在不同状态下，沉积物重金属的释放不同。在流速约为20 cm/s时，沉积物处于"将动未动"状态，沉积物表面所受剪切力开始慢慢增大，固液界面开始悬浮一层很薄的稀释悬扬转化[14]；当流速达到20～50cm/s时，沉积物将处于“少量动”状态，此时水流紊流作用增强，水槽中有部分小块泥沙被冲起而悬浮在沉积物表面[15]；当流速达到约60～70 cm/s时，沉积物处于"普遍动"状态，此时紊动作用更加明显，底部沉积物将被成片掀起[16]，水体很快呈浑浊状态。

2.1.2 不同流速条件下沉积物重金属的释放

对水槽实验水体中Cu、Cd、Pb的浓度进行监测分析，通过其浓度变化研究沉积物中上述元素的的释放速率；实验结果如图1和图2所示。

图1 不同流速条件下上覆水中重金属的浓度变化曲线

由图1可以看出，上覆水中Cu、Cd、Pb的浓度随着流速的增大而明显的升高；当流速低于20cm/s时，重金属的浓度增加幅度并不明显，这是由于此时沉积物只收到轻微的扰动，还没有出现明显悬浮；所以，此时释放的绝大多数是沉积物间隙水中的重金属。

随着流速变大，沉积物由“将动未动”向“少量动”状态转换，上覆水体中重金属的浓度出现了明显升高，这是由于此时沉积物已开始大量起动，间隙水中的重金属开始大量释放，同时沉积物吸附的重金属元素随着悬浮的加剧也开始释放到上覆水中。

随着流速进一步增大，达到约60 cm/s时，上覆水中重金属浓度及沉积物重金属释放通量以较大的幅度增加。当流速度达到70 cm/s时，Cu、Cd、Pb浓度约是静水状态的5倍，释放量也大幅度增加，如Pb释放通量是静水时48倍之多，由此可见，高流速条件可导致沉积物重金属的大量释放[17]，所以，水动力条件对水/沉积物系统中重金属的迁移有重要的影响。

图2 不同水动力条件下重金属的释放通量与流速的关系曲线

通过对图1和图2实验结果进行综合分析，对水槽实测数据与水流速度进行拟合处理，可以得到乐安河沉积物中Cu、Cd、Pb在不同水动力条件下释放通量(y，mg/(m2·d))与流速(x，cm/s)的关系式：

y=138.6e0.031x,(R2=0.981)

(2)

y=3.02e0.071x,(R2=0.984)

(3)

y=0.272e0.051x,(R2=0.969

(4)

通过式(2)-(4)的数量关系可以看出：沉积物重金属的释放量与流速之间呈指数关系；在一定流速范围内，释放量随流速的增长而增长。

2.2 模拟结果在实际环境中的应用

通过实测数据对上述数量关系进行验证。2017年11月底在乐安河注入鄱阳湖河口采集表层沉积物样品(0～10cm)，同时对采样断面水流速度进行实时监测,监测值如表1。

表1 不同流速下水体重金属浓度计算值与实测值的比较

采样点水深为5.89m，采样过程中经历无风静止、小风(流速0.05、0.10m/s)、中风(流速0.20、0.35 m/s)、大风(水体流速0.57、0.68 m/s)四个过程，代表性较好。每种状态下的水样采集后，对其Cu、Cd、Pb含量进行分析；先根据式(2)～(4)计算获得释放通量，然后将求出的释放通量值带入到公式(1)中，从而得到对应的重金属浓度值。实测值与计算值结果如表2所示。此结果表明：数量关系式计算值与实测值的相对误差保持在5%至25%之间，两个值吻合度较高，从而验证本研究所得到的沉积物重金属释放通量与流速的数量关系具有较好的适用性。

表2 不同流速下水体重金属浓度计算值与实测值的比较

3 结论与展望

本实验对不同水流速度条件下乐安河沉积物Cu、Cd、Pb的释放特征进行了研究，得到了如下主要结论：(1)随着水流速度的增大，沉积物中四种重金属的释放量都呈增大的趋势；(2)当沉积物的状态从“将动未动”转换为“少量动”时，水体中重金属浓度增加明显；(3)当沉积物状态为“普遍动”时，沉积物中重金属的释放通量增加幅度最为明显；(4)沉积物重金属的释放量与流速之间呈指数关系，此数量关系具有较好的科学性和适用性。