洋沙泡水库底泥总铁迁移影响因素实验研究

2023-02-03高金花

节水灌溉 2023年1期

杨微，高金花，徐航

（1.松辽水利委员会水利工程建设管理站，长春 130021；2.长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012；3.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，长春 130012）

0 引言

铁是人体必不可少的一种微量元素，摄入铁的含量过高或过低均会对健康造成危害[1]。当水中铁元素超标时，水的颜色和味道均会变差[2,3]。如果使用铁元素超标的水体进行印花、染布等用途，则会影响布料的质量，留有黄色的印记；如果使用铁元素超标的水体作为人类生活饮用水，则会对人类的器官有害，从而引起疾病。当水中的铁元素过低时，人类会因缺铁而出现贫血、智力或体能发育不全等多种疾病[4-6]。由于水体中的铁较易被人体吸收，我国对水中铁的含量有着严格限定，GB 3838-2002《地表水环境质量标准》和GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》中均规定饮用水中铁含量不可大于0.3 mg/L。

随着经济的快速发展，我国对湖泊水库的开发利用规模加大速度加快，这使得湖泊和水库的生态系统受到了严重的破坏。近年来我国水环境受到很大污染，水体中重金属含量升高导致污染问题日趋显著。国内外学者对湖泊水库中的铁超标情况、来源及成因以及迁移释放规律进行了一系列研究。马越[7]等对铁元素超标成因进行研究，发现在上覆水体中加入还原剂以后沉积物-水界面的氧化还原电位迅速降低，沉积物中三价铁离子被还原为二价铁离子，而后向上覆水体扩散，导致水体中铁浓度升高。这表明，铁是对氧化还原反应非常敏感的一种元素，当再次引入水源后铁元素很容易被还原，从沉积物中迁移进入到上覆水体中，进而导致上覆水体总铁超标。Kazak E.S.[8]等通过实验和数值模拟来检测地下水中铁的来源并模拟其迁移情况，发现溶解的有机物还原氢氧化铁导致铁积累在底部沉积物中造成铁污染。Oluwafemi A.[9]等研究发现含水层和土壤中富含有机质的沉积物是铁的来源，有机和无机复合物的形成以及较长的停留时间会促进铁释放到地下水中。黄庆[10]对南宁市峙村河水库进行铁含量监测，发现以西江水系土壤中铁含量的背景值为标准评价，峙村河水库底泥中铁的含量平均值远远超过背景值，库底沉积物中铁的浓度较高。路林超[11]发现金盆水库水体中铁主要以颗粒态存在。这表明，上覆水体中的重金属在水体静止的情况下从水溶态逐渐迁移转化为颗粒态，悬浮颗粒物表面富含电子会对重金属进行吸附，从而沉积到底泥中。在湖泊强烈扰动的情况下沉积物颗粒再悬浮，释放重金属进入到上覆水体中，因此增加了水体中重金属的含量，说明内源污染是总铁超标的重要成因。

目前国内外学者对底泥中重金属超标的研究较多为氮磷元素，而对铁元素研究较少；针对铁元素超标研究大多集中在来源及成因方面，而对影响底泥中总铁迁移因素的研究甚少。本文针对底泥中总铁迁移释放影响因素进行研究。沉积物-水界面是沉积物和上覆水体两相组成的位置相对固定的边界环境，是底泥与上覆水体进行物质交换的重要场所[12-15]。界面处的环境条件是影响底泥中总铁迁移的主要因素，其中pH值可以直观反映出水质的变化情况；水温和溶解氧会影响水生植物及微生物的生长；水动力条件会导致水体浊度变化，进而对总铁迁移产生一定影响[16-18]。因此选取pH值、温度、溶解氧、水动力等水体环境条件研究其对底泥中总铁迁移影响情况。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

由于气候和水源的因素，洋沙泡历史上曾几度干涸，湖泊生态环境遭到严重破坏，水资源短缺限制了当地社会经济发展。白城市政府于2005年提出建设引嫩入白供水工程项目，采用洋沙泡作为反调节水库，由原来的季节性有水变成现在长期蓄水。嫩江通过引嫩入白输水总干渠向洋沙泡水库进水，成为洋沙泡水库的主要来水水源。

洋沙泡水库位于吉林省白城市镇赉县东屏镇境内，湖面南北长约8 km，东西宽约5 km，总面积约36 km2，平均水深约为1.5 m，为浅水湖泊，该区日照充足，多年平均日照时数为2 910 h，多年平均气温为4.9℃。全年无霜期约为135 d，每年10月份起霜至次年4月份融冰结束，水库从11月1日至来年4月20日没有补水条件。由于受季风气候的强烈影响，冬春季多西北风，夏秋季多西南风，风日多，风速大，最大风速可达34 m/s，年平均风速一般为3.4 m/s。该区属于温带大陆性季风气候，降水量少，蒸发量大。多年平均降雨量388.2 mm，多年平均蒸发量为1 792.5 mm，干旱指数达4.6，这是形成当地干旱的主要原因之一。

1.2 实验方案

在洋沙泡东北角处采集底泥，采集完成后，装入封口袋带回实验室。将底泥在实验室自然风干，去除石子、树枝等杂物后进行研磨、过筛，装入封口袋内备用。

（1）pH：洋沙泡水库的pH值呈偏碱性，年平均值在8.3左右。每组取干燥过筛后的底泥50 g均匀铺在烧杯底层，缓慢加入去离子水250 mL，尽量避免底泥的扰动。烧杯外壁用黑色塑料薄膜包裹避光，以消除日光影响，烧杯口用保鲜膜覆盖。通过加入（1+1）HNO3及8%浓度的NaOH溶液调节水体pH值分别为6.0、7.0、8.0、8.5、9.0。实验阶段控制温度在25℃，在静止条件下浸泡24 h后取上层清液进行第一次测定，以后每天同一时间测定总铁浓度，实验历时共10 d。

（2）水温：洋沙泡水库夏季平均水温约为25℃，冬季平均水温约为4℃。每组取干燥过筛后的底泥50 g均匀铺在烧杯底部，缓慢加入去离子水250 mL。分别将样品置于恒温水浴锅（25℃）和冰箱（4℃），在静止条件下浸泡24 h后取上层清液进行第一次测定，以后每天同一时间测定总铁浓度，实验历时共10 d。

（3）溶解氧：溶解氧主要是通过影响氧化还原反应来影响底泥中总铁的迁移。每组取干燥过筛后的底泥50 g均匀铺在烧杯底部，缓慢加入去离子水250 mL。分别将样品处于好氧状态、缺氧状态、厌氧状态。好氧状态是通过电动充气泵进行供氧，打开泵后氧气通过充气管进入到仪器中，过程要尽量避免充氧导致的水体扰动，使上覆水体始终处于好氧状态，同时用溶解氧仪器实时监测；缺氧状态是在不定期时间内打开电动充气泵向水体充入空气，使上覆水体控制在缺氧状态；厌氧状态是在烧杯中充入高纯氮气后用橡胶塞封闭杯口，实验期间全过程保证上覆水体处于厌氧状态。实验阶段控制温度在25℃，在静止条件下浸泡24 h后取上层清液进行第一次测定，以后每天同一时间测定总铁浓度，实验历时共

10 d。

（4）水动力：水动力过程决定着水体内部各种物质和能量的传输迁移转化过程，影响着水质的变化。对于浅水湖泊来说，风速是影响水动力的重要因素之一，通过调节转速改变水体的水动力条件来模拟风速大小。每组取干燥过筛后的底泥12 g，缓慢加入去离子水60 mL，共设置30组。实验阶段控制温度在25℃，用振荡器控制转速分别为0 rad/min、80 rad/min、150 rad/min，在0.5、1、2、4、6、8、12、16、20、24 h时分别测定总铁浓度。

1.3 数据分析方法

各处理均进行三组平行实验，取平均值作为分析计算结果，以降低实验误差。利用Microsoft Excel 2016对原始数据进行整理与分析，使用Origin软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 pH值对底泥总铁迁移的影响

不同pH值的总铁浓度随时间变化曲线如图1所示。由图1可知，各处理均呈现在前7天总铁浓度显著提升，增长幅度较大，增长速度较快，在第7天后总铁浓度增长缓慢的趋势。在同一迁移历时下，总铁浓度的关系为：pH=6.0时总铁浓度最大，其次依次为pH=7.0、pH=8.0和pH=8.5，pH=9.0时总铁浓度最小。这表明总铁浓度与pH值成负相关关系，pH值越小，总铁浓度越高；pH值越大，总铁浓度越低。这是由于酸性条件下底泥向上覆水体中迁移的总铁较多，迁移速率较快，因此上覆水体中总铁浓度较高；碱性条件下底泥向上覆水体中迁移的总铁较少，迁移速率较慢，上覆水体中总铁浓度较低。由此可见，酸性条件有利于底泥中总铁的迁移，碱性条件不利于总铁的迁移。

图1 不同pH值的总铁浓度随时间变化曲线Fig.1 Time varying curve of total iron concentration at different pH values

不同pH值条件下，底泥中总铁的迁移存在显著性差异。在弱酸性条件下（pH=6.0），第1天总铁浓度为0.096 mg/L，第10天为0.535 mg/L，提升了4.57倍。在碱性条件下（pH=9.0），第1天总铁浓度为0.032 mg/L，第10天为0.120 mg/L，提升了2.75倍。由此可见，在酸性条件下随着迁移时间的延长总铁浓度增长幅度较大，碱性条件下总铁浓度增长幅度较小。

pH影响着氧化还原界面反应的进行，当处于酸性条件下易发生氧化还原反应，Fe(OH)2沉淀会逐渐被溶解，总铁向上覆水体进行迁移。同时酸性条件下的氢离子加快了总铁的迁移，进而导致底泥中总铁的迁移速率加快，迁移量增大，上覆水体中的总铁浓度升高。当pH值处于碱性时，底泥中总铁的迁移受到抑制，铁的迁移量较小，迁移速率缓慢。这是由于提高pH值会降低氢氧化亚铁和碳酸亚铁等铁化合物的溶解度，并且底泥中的迁移出来的铁离子与碱性条件下的氢氧根结合，生成了难溶于水的Fe(OH)2沉淀再次沉降于底泥中，不易向上覆水体迁移扩散。pH值的升高会增强底泥对总铁的吸附量和吸附能力，因此上覆水体中的总铁浓度较低。

2.2 水温对底泥总铁迁移的影响

不同温度下总铁浓度与时间的变化曲线如图2所示。由图2可知，25℃和4℃下总铁浓度的变化规律有显著差异。在25℃下，总铁浓度在前3天增长速度较为快速，在第3天～第7天稍有缓慢，而后逐渐减缓；在4℃下，总铁浓度逐步上升，但上升幅度较小。这表明，在水温较低的环境下，底泥中的总铁不易迁移到上覆水体中。这可能是由于在温度较高的情况下底泥中的总铁较容易被迁移至上覆水体中，在源源不断地迁移7天后上覆水体中总铁浓度达到一个较高的水平，而底泥中残余的总铁含量较少，沉积物-水界面的通量变小，因此迁移速率变得缓慢。在温度较低的情况下底泥中的总铁很难迁移到上覆水体中，迁移周期变长，因此在10天的迁移历时下总铁浓度虽逐步提升但提升幅度很小。总铁浓度与温度成正相关关系。在同一迁移历时下，总铁浓度的关系为25℃＞4℃。这表明温度对底泥中总铁的迁移有一定程度的影响，温度升高会促进底泥中总铁向上覆水体的迁移。

图2 不同温度下总铁浓度随时间变化曲线Fig.2 Time varying curve of total iron concentration at different temperatures

在4℃下第1天总铁浓度为0.024 mg/L，第10天为0.043 mg/L，仅提升了0.79倍；在25℃下第1天总铁浓度为0.037 mg/L，第10天为0.153 mg/L，提升了3.14倍。由此可见，相比于4℃下的总铁浓度在25℃下的总铁浓度上升幅度更大。在第1天时25℃下总铁浓度是4℃下的1.54倍，在第10天时25℃下总铁浓度达到了4℃下的3.56倍，这表明温度对底泥中总铁的迁移有很大程度的影响。

当温度升高时，化学反应的速率加快，促进了底泥中总铁的还原，有利于总铁从底泥中向上覆水体进行迁移，进而加快底泥中总铁向上覆水体迁移的速率。微生物会对底泥中的有机物产生矿化作用，底泥中的有机质进行分解，产生有机酸，导致pH值下降，沉积物-水界面处的氧化还原电位降低，底泥中总铁的氧化速率降低，还原速率提高，使得可溶性铁从底泥中迁移到上覆水体；与此同时微生物的活动也会促使沉积物的再悬浮，增加上覆水体的浊度，因此上覆水体中总铁浓度较高。在10天的迁移历时下25℃的总铁浓度大幅度高于4℃的总铁浓度，这表明在不同的季节水库底泥中总铁的迁移强度会有所不同，这也验证了洋沙泡水库夏季总铁超标情况较冬季更为严重的现象。

2.3 溶解氧对底泥总铁迁移的影响

溶解在水中的分子态氧称为溶解氧，通常记作DO。水中溶解氧含量是衡量水体自净能力的一个指标，它与水的温度有着密切关系。水温越低，水中溶解氧的含量越高。溶解氧的浓度高于6.5 mg/L时称为好氧状态；溶解氧浓度处于2～4 mg/L之间处于缺氧状态；溶解氧浓度低于1 mg/L时称为厌氧状态。

不同溶解氧含量下总铁浓度与时间的变化曲线如图3所示。由图3可知，总铁浓度随着迁移时间的延长总体上呈现一种上升趋势，但在厌氧情况下总铁浓度的变化与好氧、缺氧情况下有所不同。在好氧、缺氧的情况下，总铁浓度在前7天逐步上升，增长幅度较大；第7天后增长变得缓慢，增长幅度变小。在厌氧状态下，前5天总铁浓度上升速度较快而后趋于缓慢，第8天总铁浓度达到最大，随后总铁浓度逐渐减小，说明底泥开始对上覆水体中的总铁进行吸附作用。在同一迁移历时下，总铁浓度的关系为：厌氧＞缺氧＞好氧。这是由于氧气的存在会导致水体中铁离子被氧化，形成难溶于水的铁氧化物，因此在缺氧和好氧状态下，总铁浓度明显比厌氧状态下低很多。

图3 不同溶解氧含量下总铁浓度随时间变化曲线Fig.3 Time varying curve of total iron concentration under different dissolved oxygen content

在好氧状态下，第1天总铁浓度为0.037 mg/L，第10天为0.153 mg/L，提升了3.14倍。在缺氧状态下，第1天总铁浓度为0.051 mg/L，第10天为0.251 mg/L，提升了3.92倍。在厌氧状态下，第1天总铁浓度为0.089 mg/L，第10天为0.447 mg/L，提升了4.02倍。第1天厌氧状态下的总铁浓度是好氧状态下的2.41倍，第10天厌氧状态下的总铁浓度达到好氧状态下的2.92倍。

溶解氧的含量影响着氧化还原界面反应的进行。在好氧状态下，溶解氧浓度高，低价态的铁离子容易发生氧化反应，生成高价态难溶于水的铁氧化物，并沉积于底泥中，很难向上覆水体中迁移，因此水中总铁浓度很低。当处于厌氧状态时，溶解氧浓度低，底泥中的微生物活性增强，活动速度加快，增加耗氧量，氧化还原电位降低，使得三价铁离子容易被还原成二价铁离子，底泥中的铁氧化物容易被还原成易溶于水的水溶性铁，迁移到上覆水体中，因此水中总铁浓度较高。

2.4 水动力对底泥总铁迁移的影响

不同转速下总铁浓度随振荡时间变化曲线如图4所示。由图4可知，在3种振荡速率下，总铁浓度均随振荡时间的增长而增大。在初期1 h内总铁浓度增长较为快速，而后逐步增长，在8～12 h间总铁浓度稍有减缓，在24 h时总铁浓度仍呈继续上升的趋势。在同一振荡时间下，总铁浓度的关系为：150 rad/min＞80 rad/min＞0 rad/min。比较3种振荡速率下的总铁浓度可以看出，底泥中的总铁浓度与振荡速率呈正相关关系。当振荡速率提高时，底泥中总铁的迁移速率加快，迁移量增大，总铁浓度随之升高，这表明底泥中总铁的迁移与水动力有很大关系。在静止状态（0 rad/min）下，底泥中总铁的迁移是一个由低浓度到高浓度的递变过程，扰动加快了这个过程的转变。随着扰动速率的提高，沉积物-水界面的通量显著增加，底泥中的总铁更容易迁移并扩散到上覆水体中；扰动能促进底泥颗粒再悬浮，使上覆水体的浊度变大，进而提升总铁浓度；扰动会加快氧的消耗，导致水中氧的含量降低，有利于底泥中总铁的迁移。

图4 不同转速下总铁浓度随时间变化曲线Fig.4 Time varying curve of total iron concentration at different speeds

当振荡时间为24 h时，0 rad/min下总铁浓度为0.037 mg/L，80 rad/min下总铁浓度为0.249 mg/L，是静止状态下的6.73倍；150 rad/min下总铁浓度为0.513 mg/L，是静止状态下的13.86倍。由此可知，扰动强度越大，总铁浓度越高。这表明水动力可以在一定程度上影响底泥中总铁向上覆水体中的迁移和水溶态铁在水体中的扩散速度。

风速是导致浅水湖泊总铁浓度增加的主要因素之一。风速会引起水体扰动，而扰动是影响沉积物-水界面反应的重要因素。尤其对于浅水湖泊来说，风力作用对底泥中总铁迁移的影响较为显著。同时在风的作用下，底泥中的颗粒会再次悬浮起来，重新进入上覆水体中。悬浮物对底泥中总铁的迁移有一定影响，扰动会导致水体浊度变大，进而总铁浓度升高。当水体处于静止状态时，底泥中总铁向上覆水体的迁移极为缓慢，总铁浓度较低。当风浪作用导致水体受到扰动时，沉积物-水界面通量变大，底泥中总铁向上覆水体的迁移速率加快，迁移量变大；同时水体浊度变大，底泥中的悬浮颗粒进入到水体中，进而总铁浓度上升。

3 讨论

湖泊、水库中水体污染除铁元素超标外，其他重金属元素超标情况同样较为严重，其中氮磷污染较为显著。Fan Xianfang[19]等以太湖富营养化程度最高的梅梁湾为研究对象，研究沉积物中微生物活动对磷的影响，研究发现灭菌降低了底泥对磷的固定能力，厌氧条件下磷含量更高。本文研究得出氧气的存在会导致水体中铁离子被氧化，形成难溶于水的铁氧化物，在缺氧和好氧状态下，总铁浓度明显比厌氧状态下低很多。这是由于厌氧状态时，溶解氧浓度低，底泥中的微生物活性增强，活动速度加快，增加耗氧量，氧化还原电位降低，使得三价铁离子容易被还原成二价铁离子，底泥中的铁氧化物容易被还原成易溶于水的水溶性铁，迁移到上覆水体中。这与Fan Xianfang等研究结果一致。Yu Bai[20]等对洋沙泡水库水体中总氮、氨氮、总磷进行研究，发现总氮、氨氮、总磷含量与风引起的底切应力显著相关，冬季冰层能有效抑制风的作用，总磷浓度明显低于春夏秋季。本研究通过调节转速改变水体的水动力条件来模拟风速大小，结果表明在风的作用下底泥中的颗粒会再次悬浮起来，扰动会导致水体浊度变大，进而总铁浓度升高，这与Yu Bai等研究结果一致。