鄱陽湖重金屬Cu的運(yùn)動(dòng)足跡研究

周閃閃,王 華*,劉曉暉,閆懷宇,方少文,鄧燕青,王仕剛

鄱陽湖重金屬Cu的運(yùn)動(dòng)足跡研究

周閃閃1,2,王 華1,2*,劉曉暉3,閆懷宇1,2,方少文4,鄧燕青4,王仕剛5

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098；3.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120；4.江西省水文局,江西 南昌 330000；5.鄱陽湖水文局,江西 廬山 332800)

選取我國(guó)典型的通江湖泊——鄱陽湖作為研究區(qū)域,采用MIKE21水動(dòng)力模型耦合粒子追蹤模型,模擬在重力型、頂托型、倒灌型3種不同湖流形態(tài)下鄱陽湖中重金屬Cu的運(yùn)動(dòng)足跡.結(jié)果顯示:(1)1月(重力型),長(zhǎng)江下游處重金屬運(yùn)動(dòng)速率最快,為2.111km/d,粒子一直沿著由北向南的方向運(yùn)動(dòng)至湖區(qū)中心的西北方向,之后突然改變運(yùn)動(dòng)方向;5月(頂托型),長(zhǎng)江上游處重金屬運(yùn)動(dòng)速率最大,達(dá)到2.901km/d;8月(倒灌型),與頂托型類似,長(zhǎng)江上游處重金屬運(yùn)動(dòng)速率最快,為3.287km/d.(2)從各支流重金屬整體的運(yùn)動(dòng)情況來看,鄱陽湖水位受到五河來水及長(zhǎng)江倒灌的影響,各點(diǎn)源重金屬在湖區(qū)的運(yùn)動(dòng)足跡受頂托型和倒灌型湖流形態(tài)作用的影響較大,長(zhǎng)江上、下游處重金屬在不同湖流的影響下流速均較大,受湖流形態(tài)影響最小的是撫河的2個(gè)支流,粒子運(yùn)動(dòng)速率表現(xiàn)為: 倒灌型>頂托型>重力型.

通江湖泊；鄱陽湖；重金屬；粒子追蹤模型；湖流形態(tài)

湖泊具有多種生態(tài)系統(tǒng)功能[1-4].近年來,由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而產(chǎn)生的工業(yè)廢物、污水徑流和農(nóng)業(yè)排放等,導(dǎo)致湖泊重金屬污染嚴(yán)重[5-7].湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污染由于其毒性、環(huán)境持久性以及對(duì)人類健康的危害,受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[8-16].生態(tài)系統(tǒng)對(duì)流入重金屬的響應(yīng)在很大程度上取決于河流水在湖中的分布路徑,了解污染物如何從其釋放位置進(jìn)入湖泊,以及湖泊的水動(dòng)力學(xué)對(duì)湖泊內(nèi)污染物遷移行為的影響程度和強(qiáng)度,有助于水質(zhì)保護(hù)和湖泊生態(tài)保護(hù)[1-7].因此,重金屬運(yùn)動(dòng)足跡的研究對(duì)水環(huán)境的保護(hù)具有重要意義.

鄱陽湖是我國(guó)最大的淡水湖,典型的通江湖泊,是全球自然基金公認(rèn)的最重要的生態(tài)區(qū)域之一[18-19].位于樂安江中、下游的德興Cu礦及位于信江中游的永平Cu礦是我國(guó)著名的大型Cu業(yè)生產(chǎn)基地,其開采過程中產(chǎn)生的含金屬酸性廢水的排放,是湖區(qū)重金屬污染的主要來源,這使得重金屬負(fù)荷不斷增加,湖泊的生態(tài)功能日益遭到破壞[20-23].有研究表明,鄱陽湖沉積物中Cu,Zn和Pb的枯水期均值分別是背景值的8.68,4.67,9.28倍[24],鄱陽湖懸浮顆粒物中金屬元素As,Cd,Cr,Cu,Ni和Pb的質(zhì)量濃度均值分別為74.40, 5.92,343.24,99.27,61.61和160.32mg/kg,分別是江西省土壤背景值的7,59,7,5,5和3倍[25],而在對(duì)鄱陽湖濕地湖區(qū)底泥重金屬的研究中發(fā)現(xiàn),Cu和Pb的平均值均高于背景值,重金屬污染較為嚴(yán)重[26].大量研究表明,鄱陽湖水質(zhì)逐年下降,20世紀(jì)80年代,就各類水質(zhì)參數(shù)平均值來說,鄱陽湖85%水體能達(dá)到地表水I、II類標(biāo)準(zhǔn),水質(zhì)良好.進(jìn)入21世紀(jì),特別是2003年以后,只有50%水體能達(dá)到I、II類水標(biāo)準(zhǔn),III類水占32%,劣III類水體所占比例已上升至18%,下降趨勢(shì)加劇[27-29].日益加重的湖泊污染負(fù)荷已經(jīng)成為鄱陽湖生態(tài)環(huán)境安全所面臨的極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[30].

關(guān)于鄱陽湖重金屬污染的研究可追溯到20世紀(jì)80年代[31-32].近年來,關(guān)于鄱陽湖重金屬所開展的研究主要圍繞不同形態(tài)重金屬的污染分布特征研究[33-38]、重金屬潛在的健康及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[39-40]、不同水生植物對(duì)重金屬的富集及生態(tài)效應(yīng)研究等[41-43].相關(guān)研究對(duì)于掌握鄱陽湖重金屬污染時(shí)空分布特征具有重要意義,然而很少有人研究鄱陽湖在重力型、頂托型和倒灌型3種不同流態(tài)下重金屬的運(yùn)動(dòng)足跡問題.因此,本研究選取長(zhǎng)江中游的通江湖泊——鄱陽湖作為研究對(duì)象,以湖泊中負(fù)載最高的重金屬Cu為例,建立鄱陽湖二維水動(dòng)力模型及粒子追蹤模型,研究在3種不同流態(tài)下,重金屬Cu在無風(fēng)條件下的空間分布和運(yùn)動(dòng)足跡.本研究可以揭示鄱陽湖重金屬Cu的空間分布特征,有助于合理有效地掌握鄱陽湖不同流態(tài)下重金屬Cu的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,反映該地區(qū)重金屬遷移轉(zhuǎn)換機(jī)制,對(duì)重金屬防治具有一定的指導(dǎo)作用,可為鄱陽湖的生態(tài)保護(hù)及保障水質(zhì)安全提供科學(xué)依據(jù),此外,還可為其他通江湖泊水環(huán)境保護(hù)與治理提供參考.

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)域

鄱陽湖是中國(guó)第一大淡水湖,位于江西省北部,長(zhǎng)江中下游南岸,地理坐標(biāo)為115°49'E~116°46'E, 28°24'N~29°26'N.鄱陽湖是通江湖泊的典型代表,是一個(gè)吞吐型、季節(jié)性的湖泊,承納江西省境內(nèi)的贛江、撫河、信江、饒河、修河5大江河的來水,調(diào)蓄后經(jīng)湖口注入長(zhǎng)江,水位變化受五河來水及長(zhǎng)江倒灌的雙重影響,高水位維持時(shí)間較長(zhǎng).每年4~6月,鄱陽湖水位隨五河水系洪水入湖而上漲,7~9月因長(zhǎng)江洪水頂托或倒灌而維持高水位,10月開始穩(wěn)定退水.鄱陽湖水位常年變幅較大,最大為9.59~14.85m,最小為3.54~9.59m,水位變幅自北向南逐漸遞減.根據(jù)流勢(shì)、流向及江湖水文關(guān)系,可將鄱陽湖湖區(qū)的吞吐流分為重力型、頂托型和倒灌型3 種不同的類型[44].重力型是鄱陽湖的主湖區(qū)最主要、最基本的湖流類型,由于上游河流來水流入湖盆,形成由南至北的水面坡降,從而形成了自南向北的流向[45].鄱陽湖第二大水動(dòng)力形態(tài)是頂托型,是介于重力型和倒灌型之間的過渡形態(tài).一般發(fā)生在“五河”與長(zhǎng)江同時(shí)漲水,或“五河”大汛已結(jié)束,長(zhǎng)江漲水尚未達(dá)到倒灌條件的情況下,因長(zhǎng)江水位較高,湖水下泄受到入江水的阻擋,未形成負(fù)落差,水面比降極小,此時(shí),湖流流速較小,甚至為零.這個(gè)時(shí)期的水流主導(dǎo)流向仍是由南向北,但南區(qū)則普遍較為偏北方向,且在饒河入口處形成環(huán)流.頂托型湖流幾乎每年都會(huì)出現(xiàn),其出現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)僅少于重力型湖流[46].倒灌型主要是受長(zhǎng)江洪水影響所形成.當(dāng)五河來水基本結(jié)束、長(zhǎng)江水位高于同時(shí)期水位時(shí)(一般出現(xiàn)在湖口水位18m以下,13m以上),則會(huì)形成倒灌型流態(tài),北部流速大于南部,中部最小,主要發(fā)生時(shí)間段為7~10月,個(gè)別年6、11月也有發(fā)生.在入江口倒灌期間,受倒灌水的影響湖流的流向與吞吐流正好相反,此時(shí)湖水仍自北向南流動(dòng),但流速一般較小.

此外,鄱陽湖的功能定位為全國(guó)大湖流域綜合開發(fā)示范區(qū),長(zhǎng)江中下游水生態(tài)安全保障區(qū),其水體和濕地為核心保護(hù)區(qū).鄱陽湖具有豐富的生物多樣性,尤其是鳥類共310種,占全國(guó)鳥類總數(shù)的19.9%,珍禽包括白鸛、白頭鸛、白鶴、白枕鸛、灰鸛等,其中13種被國(guó)際鳥類組織列為世界瀕危鳥類,由于在生物多樣性保護(hù)中具有重要的地位,鄱陽湖被列為中國(guó)生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域[47].然而,近年來鄱陽湖重金屬污染嚴(yán)重,對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生不良的生態(tài)影響,破壞鄱陽湖的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)功能,進(jìn)而影響人類的生存.

1.2 數(shù)據(jù)來源

圖1 研究區(qū)域示意

本文從不同來源收集模擬實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù).根據(jù)江西省水文局1988~2015年的實(shí)測(cè)資料,確定了1988~2015年的邊界數(shù)據(jù),包括水量、懸浮泥沙和Cu的濃度,其中1988~2015年的水文和懸浮物資料取自“長(zhǎng)江流域水文年鑒”.由于1983~1987年期間無定期監(jiān)測(cè)到重金屬Cu的濃度,在鄱陽湖水文局的幫助下,參照贛江、撫河、信江、饒河和修河入口處的野外觀測(cè)資料,對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了改進(jìn).建立幾何模型所需的信息是從2007年10月5日獲取的遙感圖像中確定的[48].從1983年的調(diào)查中得出表層沉積物中Cu的初始含量[27],1980年收集的湖底數(shù)據(jù)與1990年的數(shù)據(jù)相結(jié)合,獲得了初始的地形高程數(shù)據(jù)[49-50].從鄱陽湖周圍的5個(gè)雨量站(湖口站、星子站、都昌站、鄱陽站和進(jìn)賢站)收集到1983~2015年期間每個(gè)月的降雨量數(shù)據(jù).根據(jù)從網(wǎng)上地面氣象數(shù)據(jù)庫獲得的2005~2015年連續(xù)風(fēng)資料,將1983~ 2004年的風(fēng)資料離散為12個(gè)月,并對(duì)其發(fā)生頻率進(jìn)行了分類.將1985,2003和2013的實(shí)地調(diào)查中獲得的表層沉積物中的Cu濃度,用于模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖1所示.

1.3 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是模擬鄱陽湖不同情況下水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的重要工具.本文通過MIKE21水動(dòng)力模型耦合粒子追蹤模型來模擬在重力型、頂托型、倒灌型3 種不同流態(tài)下,鄱陽湖中重金屬Cu的運(yùn)動(dòng)足跡,依靠粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以清楚地看到重金屬Cu的空間分布和運(yùn)動(dòng)軌跡.本文所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型以鄱陽湖為主體,外部包括主要入湖河道以及長(zhǎng)江上、下游約30km的江段.

根據(jù)鄱陽湖邊界及地形條件構(gòu)建鄱陽湖二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,同時(shí)根據(jù)出入河流的具體情況,將其概括為9個(gè)入流邊界(長(zhǎng)江上游、修河、贛江北支、贛江中支、贛江南支、撫河西支、撫河?xùn)|支、信江、饒河)和1個(gè)出流邊界(長(zhǎng)江下游).模型運(yùn)算以2008年為計(jì)算水平年,模型的模擬時(shí)段選取1月(重力型)、5月(頂托型)和8月(倒灌型),每個(gè)模擬時(shí)段在開始時(shí)均只釋放一個(gè)粒子,每隔5d記錄一次粒子的運(yùn)動(dòng)情況.

1.3.1 水動(dòng)力模型基本公式 水動(dòng)力模型通過二維淺水湖泊風(fēng)力-驅(qū)動(dòng)模型模擬水流運(yùn)動(dòng)過程,模型考慮其中慣性力、地球自轉(zhuǎn)偏向力和湍流粘性力以及風(fēng)應(yīng)力.基本公式如下:

式中:為水的密度;wx和wy分別表示風(fēng)應(yīng)力在和方向上的分量;bx和by分別為河床摩擦力在和方向上的分量;為地球自轉(zhuǎn)角速度;是緯度.

1.3.2 泥沙模型基本公式 綜合考慮泥沙在水流作用下的遷移擴(kuò)散與沉降起懸,二維泥沙輸運(yùn)方程可表達(dá)如下:

式中:為水體泥沙濃度;E、E為水流作用下泥沙縱向、橫向擴(kuò)散系數(shù);s為泥沙源匯項(xiàng),即泥沙起懸與沉降凈通量.

采用切應(yīng)力概念,源匯項(xiàng)可表達(dá)為:

式中:為泥沙的沉降概率;為泥沙沉降速度;為泥沙起動(dòng)系數(shù);d為臨界不淤流速;e為臨界起動(dòng)流速;當(dāng)￡d時(shí),泥沙發(fā)生沉降;當(dāng)3e時(shí),泥沙發(fā)生再懸浮.

1.3.3 粒子追蹤模型基本公式 采用隨機(jī)行走粒子跟蹤(Rwpt)模型進(jìn)行水交換模擬,Rwpt模型離線運(yùn)行,用水動(dòng)力模型輸出的速度來計(jì)算粒子路徑,采用四階精確龍格-庫塔方法,對(duì)粒子位置方程進(jìn)行積分,由于亞網(wǎng)格尺度擴(kuò)散過程中存在電流和隨機(jī)游走,可以將其描述為平流.

式中:X和XΔt分別表示時(shí)間和Δ的無源粒子位置矢量;為模型流場(chǎng)的速度矢量;Δ為隨機(jī)游走的時(shí)間步長(zhǎng);()為在區(qū)間?1~1內(nèi)的均勻分布隨機(jī)數(shù),這里是Fortran 90隨機(jī)數(shù)發(fā)生器給出的均勻偏差;K為水平方向隨機(jī)游動(dòng)的渦流擴(kuò)散系數(shù),由水動(dòng)力模型導(dǎo)出.

2.3.4 重金屬模型基本公式 重金屬可分為溶解金屬、顆粒金屬和沉積金屬,金屬方程可表示如下: