鄱阳湖重金属Cu的运动足迹研究

2019-09-26周闪闪刘晓晖闫怀宇方少文邓燕青王仕刚

中国环境科学 2019年9期

周闪闪,王华*,刘晓晖,闫怀宇,方少文,邓燕青,王仕刚

鄱阳湖重金属Cu的运动足迹研究

周闪闪1,2,王华1,2*,刘晓晖3,闫怀宇1,2,方少文4,邓燕青4,王仕刚5

(1.河海大学环境学院,江苏南京 210098；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京 210098；3.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海 200120；4.江西省水文局,江西南昌 330000；5.鄱阳湖水文局,江西庐山 332800)

选取我国典型的通江湖泊——鄱阳湖作为研究区域,采用MIKE21水动力模型耦合粒子追踪模型,模拟在重力型、顶托型、倒灌型3种不同湖流形态下鄱阳湖中重金属Cu的运动足迹.结果显示:(1)1月(重力型),长江下游处重金属运动速率最快,为2.111km/d,粒子一直沿着由北向南的方向运动至湖区中心的西北方向,之后突然改变运动方向;5月(顶托型),长江上游处重金属运动速率最大,达到2.901km/d;8月(倒灌型),与顶托型类似,长江上游处重金属运动速率最快,为3.287km/d.(2)从各支流重金属整体的运动情况来看,鄱阳湖水位受到五河来水及长江倒灌的影响,各点源重金属在湖区的运动足迹受顶托型和倒灌型湖流形态作用的影响较大,长江上、下游处重金属在不同湖流的影响下流速均较大,受湖流形态影响最小的是抚河的2个支流,粒子运动速率表现为: 倒灌型>顶托型>重力型.

通江湖泊；鄱阳湖；重金属；粒子追踪模型；湖流形态

湖泊具有多种生态系统功能[1-4].近年来,由于经济快速发展而产生的工业废物、污水径流和农业排放等,导致湖泊重金属污染严重[5-7].湖泊生态系统中的重金属污染由于其毒性、环境持久性以及对人类健康的危害,受到了世界各国的广泛关注[8-16].生态系统对流入重金属的响应在很大程度上取决于河流水在湖中的分布路径,了解污染物如何从其释放位置进入湖泊,以及湖泊的水动力学对湖泊内污染物迁移行为的影响程度和强度,有助于水质保护和湖泊生态保护[1-7].因此,重金属运动足迹的研究对水环境的保护具有重要意义.

鄱阳湖是我国最大的淡水湖,典型的通江湖泊,是全球自然基金公认的最重要的生态区域之一[18-19].位于乐安江中、下游的德兴Cu矿及位于信江中游的永平Cu矿是我国著名的大型Cu业生产基地,其开采过程中产生的含金属酸性废水的排放,是湖区重金属污染的主要来源,这使得重金属负荷不断增加,湖泊的生态功能日益遭到破坏[20-23].有研究表明,鄱阳湖沉积物中Cu,Zn和Pb的枯水期均值分别是背景值的8.68,4.67,9.28倍[24],鄱阳湖悬浮颗粒物中金属元素As,Cd,Cr,Cu,Ni和Pb的质量浓度均值分别为74.40, 5.92,343.24,99.27,61.61和160.32mg/kg,分别是江西省土壤背景值的7,59,7,5,5和3倍[25],而在对鄱阳湖湿地湖区底泥重金属的研究中发现,Cu和Pb的平均值均高于背景值,重金属污染较为严重[26].大量研究表明,鄱阳湖水质逐年下降,20世纪80年代,就各类水质参数平均值来说,鄱阳湖85%水体能达到地表水I、II类标准,水质良好.进入21世纪,特别是2003年以后,只有50%水体能达到I、II类水标准,III类水占32%,劣III类水体所占比例已上升至18%,下降趋势加剧[27-29].日益加重的湖泊污染负荷已经成为鄱阳湖生态环境安全所面临的极其严峻的挑战[30].

关于鄱阳湖重金属污染的研究可追溯到20世纪80年代[31-32].近年来,关于鄱阳湖重金属所开展的研究主要围绕不同形态重金属的污染分布特征研究[33-38]、重金属潜在的健康及生态风险评价[39-40]、不同水生植物对重金属的富集及生态效应研究等[41-43].相关研究对于掌握鄱阳湖重金属污染时空分布特征具有重要意义,然而很少有人研究鄱阳湖在重力型、顶托型和倒灌型3种不同流态下重金属的运动足迹问题.因此,本研究选取长江中游的通江湖泊——鄱阳湖作为研究对象,以湖泊中负载最高的重金属Cu为例,建立鄱阳湖二维水动力模型及粒子追踪模型,研究在3种不同流态下,重金属Cu在无风条件下的空间分布和运动足迹.本研究可以揭示鄱阳湖重金属Cu的空间分布特征,有助于合理有效地掌握鄱阳湖不同流态下重金属Cu的运动规律,反映该地区重金属迁移转换机制,对重金属防治具有一定的指导作用,可为鄱阳湖的生态保护及保障水质安全提供科学依据,此外,还可为其他通江湖泊水环境保护与治理提供参考.

1 研究材料与方法

1.1 研究区域

鄱阳湖是中国第一大淡水湖,位于江西省北部,长江中下游南岸,地理坐标为115°49'E~116°46'E, 28°24'N~29°26'N.鄱阳湖是通江湖泊的典型代表,是一个吞吐型、季节性的湖泊,承纳江西省境内的赣江、抚河、信江、饶河、修河5大江河的来水,调蓄后经湖口注入长江,水位变化受五河来水及长江倒灌的双重影响,高水位维持时间较长.每年4~6月,鄱阳湖水位随五河水系洪水入湖而上涨,7~9月因长江洪水顶托或倒灌而维持高水位,10月开始稳定退水.鄱阳湖水位常年变幅较大,最大为9.59~14.85m,最小为3.54~9.59m,水位变幅自北向南逐渐递减.根据流势、流向及江湖水文关系,可将鄱阳湖湖区的吞吐流分为重力型、顶托型和倒灌型3 种不同的类型[44].重力型是鄱阳湖的主湖区最主要、最基本的湖流类型,由于上游河流来水流入湖盆,形成由南至北的水面坡降,从而形成了自南向北的流向[45].鄱阳湖第二大水动力形态是顶托型,是介于重力型和倒灌型之间的过渡形态.一般发生在“五河”与长江同时涨水,或“五河”大汛已结束,长江涨水尚未达到倒灌条件的情况下,因长江水位较高,湖水下泄受到入江水的阻挡,未形成负落差,水面比降极小,此时,湖流流速较小,甚至为零.这个时期的水流主导流向仍是由南向北,但南区则普遍较为偏北方向,且在饶河入口处形成环流.顶托型湖流几乎每年都会出现,其出现时长仅少于重力型湖流[46].倒灌型主要是受长江洪水影响所形成.当五河来水基本结束、长江水位高于同时期水位时(一般出现在湖口水位18m以下,13m以上),则会形成倒灌型流态,北部流速大于南部,中部最小,主要发生时间段为7~10月,个别年6、11月也有发生.在入江口倒灌期间,受倒灌水的影响湖流的流向与吞吐流正好相反,此时湖水仍自北向南流动,但流速一般较小.

此外,鄱阳湖的功能定位为全国大湖流域综合开发示范区,长江中下游水生态安全保障区,其水体和湿地为核心保护区.鄱阳湖具有丰富的生物多样性,尤其是鸟类共310种,占全国鸟类总数的19.9%,珍禽包括白鹳、白头鹳、白鹤、白枕鹳、灰鹳等,其中13种被国际鸟类组织列为世界濒危鸟类,由于在生物多样性保护中具有重要的地位,鄱阳湖被列为中国生物多样性保护的关键区域[47].然而,近年来鄱阳湖重金属污染严重,对水环境产生不良的生态影响,破坏鄱阳湖的生态环境和生态功能,进而影响人类的生存.

1.2 数据来源

图1 研究区域示意

本文从不同来源收集模拟实验所需要的数据.根据江西省水文局1988~2015年的实测资料,确定了1988~2015年的边界数据,包括水量、悬浮泥沙和Cu的浓度,其中1988~2015年的水文和悬浮物资料取自“长江流域水文年鉴”.由于1983~1987年期间无定期监测到重金属Cu的浓度,在鄱阳湖水文局的帮助下,参照赣江、抚河、信江、饶河和修河入口处的野外观测资料,对输入数据进行了改进.建立几何模型所需的信息是从2007年10月5日获取的遥感图像中确定的[48].从1983年的调查中得出表层沉积物中Cu的初始含量[27],1980年收集的湖底数据与1990年的数据相结合,获得了初始的地形高程数据[49-50].从鄱阳湖周围的5个雨量站(湖口站、星子站、都昌站、鄱阳站和进贤站)收集到1983~2015年期间每个月的降雨量数据.根据从网上地面气象数据库获得的2005~2015年连续风资料,将1983~ 2004年的风资料离散为12个月,并对其发生频率进行了分类.将1985,2003和2013的实地调查中获得的表层沉积物中的Cu浓度,用于模型校准和验证.各监测点的位置如图1所示.

1.3 数学模型

数学模型是模拟鄱阳湖不同情况下水质动态变化的重要工具.本文通过MIKE21水动力模型耦合粒子追踪模型来模拟在重力型、顶托型、倒灌型3 种不同流态下,鄱阳湖中重金属Cu的运动足迹,依靠粒子的运动轨迹可以清楚地看到重金属Cu的空间分布和运动轨迹.本文所构建的数学模型以鄱阳湖为主体,外部包括主要入湖河道以及长江上、下游约30km的江段.

根据鄱阳湖边界及地形条件构建鄱阳湖二维水环境数学模型,同时根据出入河流的具体情况,将其概括为9个入流边界(长江上游、修河、赣江北支、赣江中支、赣江南支、抚河西支、抚河东支、信江、饶河)和1个出流边界(长江下游).模型运算以2008年为计算水平年,模型的模拟时段选取1月(重力型)、5月(顶托型)和8月(倒灌型),每个模拟时段在开始时均只释放一个粒子,每隔5d记录一次粒子的运动情况.

1.3.1 水动力模型基本公式水动力模型通过二维浅水湖泊风力-驱动模型模拟水流运动过程,模型考虑其中惯性力、地球自转偏向力和湍流粘性力以及风应力.基本公式如下: