（环境科学专业论文）物理扰动再悬浮作用下长江口近岸水体中汞的迁移与转化.pdf

2009 届研 究生硕 士学位 论文 学校代码 : 1 0269 学号 :5106080 1062 季束师忿尺 李 物 理扰 动再悬 浮作用 下长江 口近 岸 水体 中汞 的迁移与转化 院系 : 专业 : 研 究 方 向: 指 导 教 师 : 硕 士研 究 生 : 2009 年 5 月完 成 t ra n sf e rrin g a n d t ra n sf o rm in g o f mercu ry d u rin g r e su sp e n sio n u n d e r d y n a mic d istu r b in g a t t id a lf la t o f y an g tz e e stu a ry v jb ju n s h en s u p erv ised b y p ro fesso r z h en 一 lo u c h en a n d p ro fesso r s h i一 y u an x u ad issertatio n s u b m itted to e a st c h in a n o rm a 1 u n iv ersity f o r th e ma ster 5 d eg re e in e n v iro nmen t s c ien ee ma y， 2 0 0 9 s eh o o l o f r e so u re e s an d e n v iro nmen t s cien e e ， e a st c h in a n o rm a l u n iv ersity ， s h an gh ai， 2 0 0 0 62 ， p.r .c h in a 学位论文独创性 声 明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研 究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注 明引用的内容外，本论文 不包含其他个人 已经发表或撰写过的研 究成果 。 对本文的研 究做 出重 要贡献的个人和集体 ，均 已在文中作 了明确说 明并表示谢意。 作者签名:卿 日期 叫叫 .户 ， 了 玉 - 学位论文授权 使用 声 明 本人完全 了解华东师范大学有关保 留、使用学位论文的规定 ，学 校有权保 留学位论文并 向国家主管部 门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 。 有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论 文进入学校 图书馆被查 阅。 有权将学位论文的 内容编入有关数据库进 行检 索. 有权将学位论文的标题和摘要汇编 出版 . 保 密的学位论文在 解 密后适用本规定 。 学 位 论 文 作 者 签 名 :泌 军 导师签名 : 日期日期 丫夕了人以 叁致. 硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓 姓 名 名职称 称单位 位备注 注 吕 吕 炳全 全教授 授同济大学 学主席 席 蒋 蒋 辉 辉教授 授华 东师 范大学 学 学 郑 郑 祥 民 民教授 授华 东师 范大学 学 学 毕 毕 春娟 娟讲师 师华东师 范大 学 学秘 书 华东师范大学 2009 届硕士学位论文 摘要 长江 口滨岸带是一个特 殊 的开放系统 。 长江径流和河 口区潮波系统在这里汇 合 ，潮波流水动力作用 强烈 ，泥沙输移和物质 交换频繁 ，各物理要素 (悬浮颗粒 含量 、流速等 ) 和化 学要素 (盐度 、溶氧 、ph 、e h 等 ) 梯度变化剧烈 ，生物地 球化学作用非常复杂 ，物理化学要素梯度变化大 、生物种类丰富多样 。然而长期 以来 ，长江 口滨岸带 由于其特殊 的地理位置 ，以及气候 、水文 、人类活动 多要素 的高强度藕合作用影响，汞污染形势严峻，生态环境较为脆弱 。 本文选取长江 口陈行水库及其 附近岸段作为典型 区域 ， 选取典型有毒重金属 汞 (h g ) 为主要研 究对 象 ，分析在潮 汐再悬浮及其 与 ph 、盐度等环境条件祸合 影 响下 ，沉积 物 中汞 的沉积 物一 水 界面 分布 、累积 、迁 移 和 转化 规 律 。在 对 大 量 第 一手数据 资料进行综合分析 的基础上 ，本文主要得到 以下几条结论 : (1) 长江 口滨岸带 已经遭受到较严重 的汞污染 ，尤其是陈行水库地 区，上 覆水汞含量达到 0.1 59林 g几，超过 国家地表水m 类水标准 50% 以上 ，沉积物 中汞 累积量达到 0.133协 留g ，是长江 口长江 口沉积物底质标准 0. 027 林 g/g 的 4.93 倍 ， 对水源地取水造成 了严 重隐患 。 (2)潮汐扰动 导致表层沉积物发生再悬浮 ，水体理化性质也发生周期性变 化 。 一方面 ， 水体氧化还 原 电位和 盐度升 高 ， 有利于原本沉 降的汞 的溶 出和释放 ; 而另一方面 ，水体 ph 和悬浮颗粒物浓度升高 ，使水体环境总体 向有利 于汞 的吸 附沉 降 的方 向演化 。因此 ，再悬 浮过程 中汞 的释放和 沉 降 ，是 各 种环 境 条件祸 合 作 用 的综合 结果 。 (3 ) 潮 汐 再悬 浮过 程 中，潮 汐 动力扰 动和 颗粒 物 表 面 吸 附一 解 析过程 是控 制 汞再悬浮迁移转化 的主导过程 。在较强潮汐动力扰动下 ，沉积物发生再悬 浮 ，原 本 沉 降 的汞 将 向上覆 水 发 生再悬 浮释放 ; 同时在 较 强动 力 扰动 下 ，颗粒 物表 面 吸 附 的汞可 以解 析进 入 水体 。 这 是造 成水 体 可溶态 汞含 量 升 高 的两个 主要原 因 。而 在 在 动 力较 弱 时 ，通 过对 水 体 可溶 态 汞 的捕集 吸 附及 重 力沉 降 ，颗 粒 物 表现 为对 水 体 可溶 汞 的去 除 ，并最 终 回到 表层 沉 积物 。长江 口沉积 物 总体 上 仍 是汞 的汇 。 (4)水 动 力 强度 、ph 、盐度 是 影 响颗 粒物 表 面 吸 附一 解 析 平 衡 的主 要 环 境 因素 。 较 强水 动 力 条件有 利 于颗 粒物 表 面汞 的解 析 ;较 高 的 ph ( 8. 5) 、 盐度 (1 . 5 %0)环境 有 利 于颗 粒物 絮 凝沉 降 ，从而 表现 为对上覆 水 可溶 汞 的去 除 。 (5 ) 再 悬 浮底 泥 扰 动对 水 体 的直 接 影 响有 一个 范 围 ，对 上覆 水 影 响上 界 大 致 在 距 沉 积 物 一 水 界 面 100cm处 ，其 上 部 近 表 层 水 体 汞 的交 换 是 一 个 相 对 独 立 的 犷 华东师范大学 2009 届硕士学位论文 体系; 其沉积物影响的下界大约在 4一 scm 深度左右 。 关键词 : 汞再悬浮 迁移转化长江口滨岸带 华东师范大学 2009 届硕士学位论文 a b stra ct t he intertidal flat of eoastal areas of th en 认 n gtze estu田万 15 a eomp lex 一 op en eco sy stem in fl u en c ed b o th b y n atural faeto rs an d stro n g h u m an aetiv itie s. t h e nmo ff an d tide m eet here，m ak ing acuity distur b in g to tran sport and tran sfer o f san d an d suspensions.param eters here， both p勿sieal and c hem ical ehange quite oft en.50 its b io eh em istry p ro ee ss 15 v ery eo mplex ib le ，an d b iata 15 v ery sen sitiv e an d fra ilty . h ow ever， the environm eni of 、 乞 ngtze estuary 15 su ff e ring seriou s p ollution of m ercu ry b eeau se o f its sp eeial g eo g rap h y p o sitio n an d g at h erin g o f elim ate， h y d ro g rap h y an d hu m an aetiv ities. 5 0 h ere ，we eh o o se h enh an g w ellsp rin g a s ty p iea l case o f sam p lin g p ro file，in o rd er to stud y tr an sfer an d t ran sform o f mereu ry d u rin g r esu sp en sio n un d er d y n am ie d istu rb in g ， eo n eemin g a ff e etio n o f p h ， salin ity， an d d y n am ies. we eo n elu d e un d er fi rsth an d d ata s as follo w : 1) the tidefl at of 丫 五 ngtze estuary has suff e red serious m ereury pollution esp eeially at c he nh an g we llsp rin g . t he m ereury in w at e r reac he s 0 .15 9 林g/l ，5 0 % overroll to n ational standard of 111 surface w ater;and 0.133林 9/9 in sedim ent， 4. 93 tim e s m o re than s tan d ard o f sed im ent o f 、 ra n g tze riv er. t h e en v iro nmeni eo n d itio n m ak e s m u ch risk to d rink in g w atel 2) th e resuspension in surface sedim eni deal to tide distuxbing drives periodieal fl u ctu atio n o f w ater eh aracteristie s. o n the o n e h an d ，the risin g o f e h an d salin ity iniensify the release and disadsorption of m ercury:on the other hand， the ph and t ss e lim bup ，m ak in g it b en efi ts th e ad so rptio n an d d ep o sitio n o f m ercu ry. 5 0 it， 5 th e co m p o sitiv e resu lt o f re lease an d d ep o sitio n o f m ercu ry ，b y eo u p lin g a ctio n o f all en v iro lln len tal faeto rs. 3)tide disturbing and adsorbtion一 disadsorbtion on t s s are tw o faetors co niro llin g tran sfer an d tran sp o rt o f m ereu ry. u n d er stro n g d istu rb in g ，th e m ereu ry w o u ld re lea se fr o m surfaee sed im eni for resu sp en sio n ，an d p ar t iele m ercu ry wo u ld also d isso lv e into w ater. t h at w ill m ak e hig h eo n eent r atio n o f d isso lv e d m ereu ry . 华 东师范大学 2009 届硕士学位论文 h o we v er， t s s w o u ld ad so th m ereux y wh ile d y n am ies eh an g e w ea k er，an d m ereury wo u ld b ac k to sed im ent thro 林g h d ep o sitio n o f su sp en d in g p ar t ieles. 4)d yam ies，ph and salinity ean aff e et adsothtion一 disadsorbtion balance up on suspend ing par t ieles. str o ng 即n田 卫 ics，high ph ( 8. 5) 即d salini ty( 1 . 5) wo uld ad v an ee d ep o sitio n o f p ar t iele， b en efi t for w ip p in g o ff d isso lv ed m ereu ry. 5)th ere ar e boun daries for resuspension，wh ieh ar r anging 1 00em depth in w ater ， an d 4 一 s em in sed im e爪 fro m sed im e昨 w 众 r eo u n terfa c e . k ey w o rd s: m ere哪r esuspension，transfer transform ，tidal fl at of ya ngtze e stu ary 华东师范大学 2009 届硕士学位论文 1.1 河 口滨 岸 带水体 中汞再悬浮过程研 究 的科学背景和 意义 . . . . . . . . .一1 - 1. 2国 内外研 究进 展 . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， 一3 - 1. 3 研究工作总体 思路和框架 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一7 - 2. 研究区概况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一10 - 2.1 长江 口滨岸带及周边地 区 自然环境概况与社会环境特征 . . . . . . . . . . . . . 一10 - 2. 2 采样点设置及采样点概况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . 一12 - 3. 样 品采集和分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一16 - 3.1 表层沉积物和表层水样 的采集 与处理方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一16 - 3. 2 现场观测 与采样 方法 . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一16 - 3. 3 室 内模拟试验及样 品处理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . 一18 - 3. 4 实验 分析方法 . . . ， . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一22 - 4. 长江 口滨岸带水体汞 的时空分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一25 - 4.1 长江 口水源地及周边地区汞 的空 间分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一25 - 4.2 长江 口水源 地 潮 汐 再悬 浮过程及 汞 的迁 移转化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一27 - 4. 3 小 结 . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . 一52 - 5. 环境 因子对沉积物 中汞再悬浮行为的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一53 - 5.1 ph 再悬浮影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一53 - 5. 2 盐度 再悬 浮 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一62 - 5. 3 ph 、盐度 祸 合 再悬 浮影 响 . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一69 - 5. 4 动 力 、盐度 藕合 再悬 浮 影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一77 - 5. 5 小 结 . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一86 - 6.主 要结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . ， . ， 一 88 - 参考 文献 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一89 - 附录 . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一95 - 后 记 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一%- 华东师范大学 2009 届硕士学位论文 1. 绪论 1 .1 河 口滨岸 带水体 中汞 再悬浮过程研 究 的科学背景和意义 湿地具有 巨大的环境调节功能和生态价值 ，与森林 、海洋一起 并称为全球三 大生态系统 。一方面 ，湿 地可 以为各种水生生物提供栖息 、繁衍 的场所 ，也为人 类提供丰 富的生产 、生活 资料 ; 另一方面 ，湿地在 防洪抗旱 、调节气候 、控制污 染等方面更是具有其它系统 不可替代 的作用 ，被誉为 “ 地球之 肾” 。 为 了保护湿 地 ，1971 年 2 月 2 日，10 多个 国家在伊 朗的拉姆 萨 尔签署 了一 个 重要 的公约 一 拉姆 萨 尔公约 ，共 同致 力于通过全球各 国政府 间的合作 ，保 护湿地及其生物多样性 。我 国于 1992 年 7 月加入该公约 。 拉姆 萨尔公约 把湿 地 定义 为 : 不 问其 为天然或人 工 、长久或暂 时性 的沼 泽地 、泥 炭地或水域地 带 、静止或流动 、淡水或半咸水 、咸 水体 ，包括低潮 时水 深 不超 过 6 米 的水域 。 根 据这 一定义 ， 河 口滨岸 带也是湿地 的重要组成类 型之 一 。 河 口滨岸 带 主要 由河流 携 带 的 巨量泥沙在河 口地 区不 断淤积 而成 ，由于 处于 陆地 、海 洋和大气三相 界面 处 ，受到径 流 、海洋 、大气 、生物 、地质 过程和 人类 活动等诸 多因素综合祸合作用 的影响， 其环境过程复杂多变 ;同时极易受到台风 、 洪 水等 自然 灾害 ，以及滩涂 围垦 、沿岸排污等人类 活动 的影 响 ，生态 系统相对 脆 牙 马 。 我 国滨岸带湿地基本分布在东部沿海大河河 口区。近年来 ，随着我 国社会经 济的高速发展和城市化进程的加快，沿海地区为缓解工农业用地紧张的局面 ，对 潮滩围垦活动 日趋激烈， 导致滩地面积急剧减少， 生态功能和环境效益不断下降。 另一 方 面 ，由于财 力 、技 术 等 方 面 的原 因 ，我 国很 多沿 海 城 市 目前 均采 用 沿 岸 直 排 的方式处置工业废 水和 生活污水 ，对滨岸 带环境造 成 了不 同程度 的污 染 。虽然 潮滩 能通 过各种 生物地球化 学过程 降解和转化部分污 染物 ， 但仍 有许 多无机和有 机 污 染 物 如重 金属 、多环 芳烃 等 因为不 能 降解 而最 终 累积 于潮 滩 沉 积 物 中，并通 过食 物 链 逐 级 传 递 、富集 ，最 终危 及 人 体 健康 和 生命 。 大 多数 重金 属 都 具有 毒性 ，能通 过抑 制 生物 酶 的活性 ，破 坏 正常 的生物 化 学 反应 ，从 而 威 胁 人 体 健 康 。其 中 ，汞(h g ) 因其 具 有 高 毒 性 、持 久 性 和 易迁 移 性 等特 点 ， 越 来 越 为 国际社会 和研 究 团体 所 关注 (协 ealey ， 2000 ;philippe， 2007 )。 汞 是 一种 环 境 不 可 降解 的 、非人 体 必 须 的有 毒元 素 ，具 有 高毒 性 、持 久 性和 易迁 移 性 等特 点 ; 在 适 当条 件 下 还 能 转 化 为 具 有 更 强 生 物 毒 性 的 甲基 汞 ，通 过 食 物 链 在 生态 系统 中富集 。其 生物 毒 害性 主要体 现 为破 坏 细 胞 蛋 白质 琉 基 结构 ，损 华东师范大学 2009 届硕士学位论文 害生物神经系统 ，并能在肝 、脑 、肾等器 官中长期蓄积(a 雌er ， 加05); 同时 ，作 为 一 种 重 要 的 内分 泌 干 扰 物 ，汞 还 能 影 响 生物 体 正 常 的新 陈 代 谢 活 动 (刘 先 利， 2003;程 金平， 2006)。 饮水是最 重要 的人体汞暴露途径之一 ， 如发生在 日本 的水误病就是 因为饮用 水受到汞 的污染造成 的。由于河 、湖 、海洋的沉积作用 ，在进入水环境后 ，汞会 在水体不 同介质 中重新分配 ，并最终进入水底沉积物 ，从而起 到部分净化 的效果 (a 放ley et al. ， 1 996:e onrad et al. ， 2004 )。然而 ，累积 于沉积物 中的重金属不是 固定不变 的 。被污染 的沉积物在水动力作用 (潮 汐 、风 、波 浪 、海啸 、地 震 、航 运 、疏浚工程等 ) 和生物扰动作用 (底栖 、钻孔等 ) 下可 以被扬起 发生再悬浮 ， 吸 附在 悬 浮 沉 积 物 上 的污 染 物质 由无氧 环 境进 入 有氧 环 境 中将 会 被 再 一 次释 放 出来 ，造成水环境 的 “ 二次污染 ”(o am brell et al. ， 1991;形edel et al. ， 1999 )。如 h aag 等 (200 1) 研 究发现 ，在 发生较大 的洪水时，河流底部剪切压力造 成河流 沉积物 的侵蚀 ，使累积 于德 国 n eckar 河流沉积物 中的污染物发生释放 ，并 向河 流下游 发生迁 移 。w 如derley 等 (2006 ) 通过对 a m az o n 河下游 m adeira 河 谷废 弃金矿 区的长期监测发现 ，当地土地利用方式 的改变 ，导致原本 己经沉 降的汞发 生持续释放 ，对 当地水 生生态系统造成 了严重 的威胁 。另外 ，汞在 水环 境 中的行 为与悬浮颗粒物存在 高度 的相关 ，通过颗粒物 的沉 降和 再悬 浮 ，汞在 表 层 沉 积物 和 上覆 水之 间输 移(叭 厄 11m al m et al .，1 996) 。许 多文献 还指 出，颗 粒 态 汞 容 易为 浮 游 生 物 所 利 用 ，从 而 通 过 水 生 食 物 链 进 入 水 体 生态 系 统(c hapm an，1 997 ; isabelle et al. ， 2000 ; r am alhosa et al，2006 )，并造成 一些 再悬 浮物质 为食 的生物 体 内毒素 富集甚至死亡 。 同时就汞在鱼体 内的汞 的代谢和 生物 有效性 也 开展 了相 关试 验(d ri seoll et al. ， 1 995 )。 长 江 口滨岸 带是一个特殊 的开放系统 。 长江径流和 河 口区潮波 系统在 这里汇 合 ，潮波 流水 动力作用 强烈 ，泥沙输移和物质 交换频 繁 ，各物 理要 素 (悬浮 颗 粒 含量 、流速等 ) 和化学要素 (盐度 、溶氧 、ph 、e h 等 ) 梯度变化剧烈 ，生物地 球化学作用非常复杂 ， 物理化学要素梯度变化大 、 生物种类丰 富多样 (陈振楼 等 ， 2000)。滨 岸 带潮 滩 在这 里有 良好 的发育 ，不仅 为水 生 生物 提 供 了丰 富 的栖 息 、 繁 殖 之 所 ， 同 时 也 是 容 纳 和 净 化 陆 源 污 染 物 、 削 减 污 染 物 入 海 的 天 然 屏 障 (n edwe n et al.，1 996 )。同时受咸 淡水 交替 、出露和淹 没 交 替 、泥 沙 冲淤 交 替 等 海 陆交互 作用 的影 响 ，潮 滩 环 境 各种 环 境 、化 学 生物 条件 具有 显 著 的潮 汐 和 季 节 变 化 。另 外 ，上 海 地 处 中 国东 部 季 风 区 ，其 气 候 和 水 文 要 素 具 有 明显 的季 节 性 变 华 东师范大学 2 009 届硕士学位论文 化 ，亚热带季风气候 引发 的各种 自然灾害更是频频发生 。因而 ，长江 口滨岸带更 加容 易受外 界风暴潮 等水动力条件和温度 、ph 、盐度 等环境条件变化 的影 响 ， 导致沉积物 中的汞 发 生再悬 浮释放 。 长江 口地 区还 是上海重 要 的饮用水源 地 ，建有 陈行 水库 、青草沙水库 ，为上 海 提供 了 30% 的饮用 水 原水量 。但 随着长江流域经济 社会 的高速 发展 ，大规模 的 围垦活动 、大型工程建设 、大量城市工业和 生活污水 的沿岸排放等 高强度人类 活 动 ，更是在极大破坏滩地 自然 生态景观和 生态功 能之外 ，严重地干扰 了长江 口滨 岸潮滩正常的地球化学循环过程 。流行病学调查研究结果表 明，饮用水的安全性 与人体健康直接相关 。我 国癌症发病率和死亡率最高的一些地 区，都是水污染最 为严重 的地 区 ，究其 原 因是与水体 中的致突变和致癌物有 关 (闰鹏等 ，2004) 。 而 已有 的相 关研 究资料 表 明， 上海 市水源地及长江 口部分岸段 己经受 到汞 的污染 (丁振 华 ，20o5a，b) ，这 势必对 长江 口滨岸 带生态 安全造 成极大 的隐患 。 作为一个各环 境要素变化活跃 的祸合地 带 ， 滨岸带潮滩在河 口和近海污染 物 的迁移转化过程 中扮演着十分重要 的角色 ， 因此有关河 口潮滩污染物地球化学 行 为的研 究 已成 为国际湿 地研 究领域令人关注 的热 点之一 。然而 ，目前 国内外 已 有 的工 作 均 比较 偏 重 于对 河 口潮 滩 重金 属 污 染物 的时空分 布 和 迁 移 转化 规律 方 面 的研 究 ，但对 于再悬 浮过程对 汞环 境过程 影 响 的研 究还较 少 ，更缺乏对 再悬浮 过程汞迁 移转 化 内在机 制 的统 一认识 ; 国 内就 长江 口地 区饮用 水源 地水体 再悬 浮 过程对 水质 可 能造成 的安全 隐患更是从未给予应有 的关注 。 因此 ，本研 究主要选取 长江 口陈行 水库及其 附近 岸段作 为典型 区域 ， 以汞 (h g ) 为主要研 究对 象 ，采 取现 场观测 和 室 内模拟 相 结合 的方法 ，研 究物理扰 动再悬 浮作用 下汞 的迁移 转 化 ， 以及 ph 、盐度 等环境 条件藕 合影 响对 其环 境过 程 的影 响 ; 进 而探 讨沉 积物 再悬 浮 过 程对 水源 地 水质 安全 可 能造 成 的影 响 。以期 探 究 再悬 浮 过程 对滨 岸 带 生态环 境 质 量 的影 响 ，为 治理潮 滩 汞 污 染 ，维 持河 口生 态 系 统健 康 ，以及 我 国城 市饮 水 安全 防范 、预警 和应 急预 案 的制 定和 实施提 供 科 学 依 据 。 1. 2 国 内外研 究进 展 沉 积 物 是 汞 重 要 的 汇 ，重 金 属 在 沉 积 物 中 高 度 富集 ，并 被 底 泥 中孔 隙 水 中 av s 和 有 机 质 所 固定(an akel，1 995 ; m ay et al . ， 1 997 )。然 而 ，在 较 浅 的水 体 环 境 中 ，底 部沉 积物 容 易受 到物 理扰 动 发生 再悬 浮 ，这 种 物 理扰 动包 括 潮 汐 、波 浪 等 自然 作 用和 船 舶 航行 、疏 浚 、渔 业 活动 影 响 (l atim er et al .，1 999 )。下 文 主要 华东师范大学 2009 届硕士学位论文 旨在评述 国内外相关领域研究进展 的基础上 ，指 出不足和有待改进 的方 向，提 出 本研 究的科学依据和价值 。 1. 2.1 再悬浮过程对污染环境地球化 学行 为的影 响 在海 、湖和河 口区，悬浮颗粒物主要 由有机和无机 的物质组成 ，而在 浅海和 潮滩地 区 ，悬浮颗粒物 主要来源 于沉积物 的再悬浮 。由于其较大 的 比表 面积 ，悬 浮颗粒物对 于污染物有较强的吸 附能力 ; 而在环境条件改变 时，污染物 又会 从颗 粒物上解析下来 。通过水体 中悬浮颗粒物 的输送 、沉降和二次迁移过程 ，间接影 响着 污 染物在 沉 积 物一 水 界 面 的分布 、输送和 累积 等 生物地 球 化 学行 为 。另外 ， 许 多研 究都指 出，在河 口区咸 淡水交汇 区域 ，在低颗粒物浓度 范 围 ，颗 粒 物对 重 金属 的吸 附能力往往 随颗粒 物含量 的上 升而呈现 下 降趋 势 ，即所 谓 “ 颗 粒物 浓度 效应 ”(m ar t in， 1 993 ; 郭建 青 ，2007 )。因此 ，在 开展 再悬 浮 过程 对 污 染 物 迁 移 转化机 制 影 响 的研 究 中 ，首先要探 讨颗粒物对 污 染物 的动 力学 吸 附一 解 析 过程 的 影 响 。 一方面 ，在河 口地 区，通过悬浮颗粒 的吸附、凝聚 、沉 降 以及 生物 吸收作用 ， 悬浮颗粒物 能捕集大量重金属离子并发生沉 降 (杨晓兰 ，1999) ，因而溶解 态重 金属呈现 出除去行 为 。h eyes 等 (2004)对汞 污染较 为严 重 的 h ud son 河 口再悬 浮 过 程 中汞 的迁 移 发现 ， 颗 粒物 吸 附和沉 降过 程 强 烈控 制 着 该 地 区沉 积物 中汞 的 环境输移过程 ，导致 该地 区成 为一个汞 的汇 。张经等 (1994) 也观 察 到悬 浮颗 粒 物 结合态 的重金属含 量一般 高于水相和表层沉积物 。 而在动力扰动 、生物钻孔等再悬浮作用影响下 ，悬浮颗粒表面污染物发生解 吸 ，溶 解 态 重 金 属 的含 量 会 增 加 ，在 河 口区呈 现 出添 加 行 为 。大 量 研 究 表 明 (tu m er et al. ， 1 994;z wo lsm an et al. ， 1999;h at je et al. ， 2001;tum er et al. ， 2000 ;)， 沉 积 物 动 力 再悬 浮和 生物 扰 动 过 程 ， 可 以使底 泥 中 的重 金 属 重 新释 放 并进 入 上 覆 水 体 。在 氧化 作用和 吸 附作用 下 ，重金属将被 结合 到悬 浮颗粒物 上 ，从 而 改变颗 粒态 重金属 的时空分布特 征 。并有研 究表 明 (邵秘华 ，1992) ， 以非残 渣 态 为主 要存在形态 的重金属 ，水合铁锰氧化物是其在环境 中发生迁移转化 的主要载体 。 1. 2.2 影 响汞 再悬 浮过程 的主要环境 因素 1 . 2 .2 .1 p h ph可 以影 响重金 属 的溶解 度 和 颗 粒物 中 自然胶 体表 面 的吸 附特 征 ，对 重 金 属在水一 粒 界面 的吸 附和释放行 为施加显 著影 响 。李鱼等 (2003 ) 研 究发现 ，ph 值对底 泥重金属 的释 放影 响 巨大 ，在 ph 值 为 2 时重金属 的释 放 能力最 强 ，随着 华 东师范大学 2009 届硕士学位论文 ph 值 的增大重金属 的释放 能力减弱 。 叭n 等人 (1996) 的研 究指 出， 在 ph 6. 2一 8. 5 的范围内，ph 的增大与粘土矿物对h扩 +的吸附能力呈一定的正相关关系，间接 影响其在环境介质 中的分配 。 ph 还对汞 的形态影 响较大 ，在氯离子存在 的条件下 ，ph 在 0-2 时，以氯化 汞 的形式存在 ; 在 ph 为 2一 4 时转化 为氯化亚汞 : 而在 p班 7 时转化 为氢氧化汞 ， 利 于吸 附沉 淀(陈业 材 ， 1994 )。 另外 ，大量研 究证 明 (l at址op ， 1991; b loom ，一 991; 冯新斌 ，1996 )，水 体酸化可 以促进沉积物 中汞 的 甲基化速率 ， 并能极大提 高水生生物对 甲基汞 的富 集 能力 。 1. 2. 2. 2 盐度 河 口 区 水 体 中 ， 可 溶 性 盐 分 主 要 以 氯 化 物 为 主 。 大 量 研 究 表 明 (z wo lsm an， 1 997;g erritse， 1 998 )，在较低 盐度 范 围 内 (30编 ) 盐度对 重金属元 素普遍存在所谓 “ 盐度效应 ” ，即随盐度增大 ，颗粒物重金属有 与 cl 结合形成络 合物并从颗粒物表面解析下来 的趋势 。 cl一 是 h g 在 自然 界最常见 、最重要也是最有力 的竞争配位体 ，能形成稳 定的 络合态汞 ，从而极大地增加 h g 的溶解度 。因此 ，氯离子浓度 与 h g 在水体 中的 形态及迁移规律有着 极大 的相关性 (丁振华 ，zoosc )。这种 效果还与 ph 和溶液 的氧化还 原状态有关 (gr assi， 2000) ，但其 内在机理 尚不清 楚 。 1. 2. 2. 3 硫 化 物 av s 是沉 积 物 中可 被 酸 作 用 而 以 h zs 形 式释 放 出来 的 s ， 其含 量 对 于沉 积 物 一间隙水 界面重金属污染 的分配及 重金属 的生物有 效性 具有重 要 的控制作用 ， 从 而成 为 当前关于水 体重金属 生态危 害 的研 究热 点 。 大 量研 究表 明， av s 作 为氧 化还 原 电位变化 的敏 感指标 ，其 生成和 分解 过程 对 汞 的环 境 行 为有 极 大 的影 响 。如 fang 等(2005 ) 在 对 珠 江 口沉 积 物 柱进 行 分 析 的基础 上 ， 指 出在在沉积物 深层 ， 硫 酸盐 降解 为硫化 物 的过程对 重金属 的固定 ， 以及 重 金 属 生态 有 效 性 的影 响 是 明显 的 。c arapu钾 (2 004)等研 究 了有 植 被 覆 盖 的 盐 沼 带和 裸 露 光滩 表 层沉 积物 中 av s 及 对应 孔 隙水 h g 的垂 向分 布 ， 指 出植 被 的 根 际泌 氧对 于表层 沉 积物 中 av s 的 降解 和溶 解 态 汞含 量 的提 高具有 不 可 忽视 的 作用 。b illon 等(200 1) 研 究 了法 国 seine、fresn盯e 和 a uthie 湾 表 层 沉 积 物 中 硫 降解 产 物 的分 配 ，指 出在 疏 浚 或 水 动 力 改变 等 条 件 下 ，沉 积 物 中氧 化 还 原氛 围 的改变 可 导致 沉 积 物 中硫 的各种 形 态之 间 的配 比，间接 影 响 h g 、a s、c d 等 重 金 华东师范大学 2 009 届硕士学位论文 属元素 的重新释放 。kim (2006)等采用 同位素示踪 的方法 ，对人为模拟再悬浮过 程及对 照静水 组沉积物一 水界面汞 的 甲基化及 甲基汞去 甲基化过程进行 了追踪 ， 指 出沉积物再悬浮本身不直接作用汞形态转变的过程 ， 但却通过破坏汞在水体 中 的结合相 导致汞 的释放 ，间接对汞在沉积物一 水界面 的分配及其 生物有 效性产 生 重要影响。si m pson (1998 ) 等对 0一 8h 再悬浮实验中，沉积物中不同重金属硫化 物 含 量 的变 化 进 行 了研 究 ，指 出再悬 浮 过程 可 以导致 重 金属 硫 化 物 固定相 的破 坏 ， 使重金属进入上覆水体 ; 但游 离的重金属离子又很快与腐殖质络合 ， 或被铁 、 锰氢氧化物 吸 附， 在长期再悬浮实验后期表现 为水和沉积物之 间重金属分配 的平 衡 。 1. 2.3 水源 地 水质 安全评 价研 究进 展 健康风 险评价把水环境污染与人体健康联系起来 ， 是评价饮用水源地水质安 全 的一种 有 效 方法 。国外有 关健康风 险研 究 的方法 己经基本 定型 ，对 各种介 质和 不 同介质之 间污染物转移造成 的健康风 险建立 了相应 的模型 。 我 国的风 险评价起 步于 20 世 纪 90年代 ，主要 以介 绍和应用 国外 的研 究成果 为主 。如钱 家 忠等 (2004) 建立 了水环境健康风 险评价模式 ， 并根据某市供水水源地水质 实测 资料 ， 进行 了水源地健康风 险评价 。黄奕龙等 (2006) 定量评价 了深圳市饮用水源地 的 水环境健康风 险 ，并探讨 了进行水源地风 险管理 的对策 。孙树青等 (2006) 采用 美 国环保局推荐 的健康风 险评价模型 ，对湘江干流水环境健康风 险进行 了评价 。 但 目前 ，国内外有关水源地水质评价方法均建立在室 内模拟试验基础上 ，较 为缺 乏现场 观测 数据 的支持 ; 同时对水源地水质评价大 多建立在 静态取样 数据 的 基础上 ，并未考虑各种水动力过程和环境条件影响下 ，污染物 的动态迁移转化和 水体一 颗 粒 物 表 面 吸 附解 析 平衡 ，因而并不 能充分 反 映各种 自然 条件 下 ，水 体 可 能发 生 的沉 积物 再悬浮过程对水源地整体水质 安全 的影 响 。 1. 2.4 存 在