烏梁素海結(jié)冰過程中污染物遷移機理及其應用研究.pdf

1、湖泊是最重要的淡水資源之一，在國民經(jīng)濟發(fā)展中起到極為重要的作用。作為我國八大淡水湖之一的烏梁素海湖泊，是全球范圍內(nèi)半荒漠地區(qū)極為少見的具有很高生態(tài)效益的大型多功能湖泊。但是由于近年來氣候變化和人類活動的干擾，使得烏梁素海污染日益嚴重，引起了社會的廣泛關(guān)注，并開展了大量的研究。但這些研究大都在湖泊非冰封期進行的，而烏梁素海地處高緯度地區(qū)，冰封時間長，其污染特征必將有別于其他湖泊。該研究以烏梁素海為研究對象，緊扣烏梁素海冰封期長的特點，在對

2、湖泊結(jié)冰過程中氣象、水文等要素觀測的基礎上，研究湖泊結(jié)冰過程中污染物的遷移機理、效應及其在牧區(qū)飲水安全中的應用，得出如下結(jié)論：
　?。?）研制了用于現(xiàn)場采集冰芯、水樣和沉積物的成套儀器和室內(nèi)模擬裝置。在綜合現(xiàn)有的采樣方法的基礎上，論述該套儀器的適應性和可行性：冰芯采集器采樣方便，解決了進口采樣器價格昂貴的“瓶頸”問題；水樣和沉積物采集器配合冰芯采集器使用，可以采集湖泊冰-水界面等各部位的水樣和無擾動的柱狀沉積物。
　?。?）

3、通過分析野外觀測數(shù)據(jù)可知：氣溫對冰下水溫的影響不明顯，而冰溫隨著氣溫的升高也有較明顯的升高，且其隨著冰層深度的增加溫度逐漸升高；運用朱波夫半經(jīng)驗模型表達式 FDD=0.002T2-0.2251T可以較好地描述負累積溫度和冰厚度間的關(guān)系；湖冰生長期冰密度變化不明顯，在消融期，冰密度隨深度的增加有增大的趨勢；隨著冰的生長，冰體的層理結(jié)構(gòu)逐漸變化；湖面水深及冰厚有呈良好的負相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.53；烏梁素海冰封期冰下水體幾乎處于靜止狀態(tài)

4、。
　?。?）通過采集冰生長過程中不同冰厚度不同位置的冰樣和水樣，分析其污染物的含量，從結(jié)晶學理論和熱力學理論角度探討各結(jié)冰過程中污染物的遷移機理。
　　繪制了TDS分布輪廓線，定性和定量地闡述結(jié)冰過程中TDS在冰-水-沉積物體系間的遷移機理和過程。結(jié)果表明，在冰生長過程，約有80％的TDS由冰層遷移至水層；在冰層內(nèi)部，TDS的遷移只發(fā)生在冰的生長初期，而后幾乎不再遷移；湖冰中TDS的含量隨著冰厚度的增加而降低，兩者呈負指數(shù)

5、關(guān)系；在冰下水體內(nèi)部，在濃度差的作用下，TDS由冰-水界面向水體遷移直至達到平衡；在水和沉積物之間，約有60440950kg（約為冰水遷移量的16.78%）的TDS由水體遷移至沉積物；冰-水界面和水-沉積物界面TDS的遷移通量與冰生長率之間呈較好的線性正相關(guān)關(guān)系。
　　通過繪制pH值的輪廓線研究了結(jié)冰過程中pH值的變化。結(jié)果表明，由于碳酸鹽體系對水體PH值得緩沖作用，導致在冰生長過程中pH值并沒有明顯的變化規(guī)律，即不能用湖冰的排T

6、DS機理來解釋pH值的變化。
　　通過分析不同采樣時間的上、中、下層冰及冰-水界面水、中層水、水-沉積物界面水中各形態(tài)氮、磷、葉綠素a、COD和BOD5的時空變化曲線，探討各污染物在冰生長過程中的遷移機理。結(jié)果表明：冰生長過程對各污染物有不同的排斥效應，冰下污染物的濃度隨著冰厚的增加而升高。冰下水體中TN、NO3-、NO2-、NH4+的濃度分別是對應冰體中的2.06、1.77、1.26、2.35倍；冰-水界面水中各形態(tài)氮的含量高于

7、中層水、水-沉積物界面水中的，而中層水和水-沉積物界面水中各形態(tài)氮的含量相差不大；上層冰體各形態(tài)氮的含量高于中、下層冰體的，兩者的差值隨著冰厚的增加而減小，表明各形態(tài)氮在冰體內(nèi)部發(fā)生了遷移。冰下水體中 TP、DTP、PO43-的濃度分別是對應冰體中的1.50、1.57、1.82倍。冰下水體中葉綠素a的濃度是對應冰體中的1.64倍；冰-水界面水中葉綠素a的含量明顯高于中層水、水-沉積物界面水中的；冰體中葉綠素a與TN、TP的變化并沒有明顯

8、規(guī)律，而水體中三者變化規(guī)律基本一致。
　　湖冰對有機物的排斥效應明顯高于其對無機物的。冰下水體中COD是其對應冰體中的3.13倍；中層冰的COD均值略高于上、下層冰體的，水體的沉淀作用使得水體中的COD由上至下逐漸升高。冰下水體中BOD5是其對應冰體中的3.24倍；下層冰的BOD5均值略高于上、中層冰體的，水-沉積物界面水的BOD5高于中層和水-沉積物界面水的。冰下水體的ρBOD5/ρCOD高于冰融水的，表明冰下水體的可生化性較高

9、；不同采樣時間和不同采樣位置上COD與BOD5均呈較好的正相關(guān)關(guān)系。
　?。?）運用分形理論對烏梁素海湖泊結(jié)冰前、后的富營養(yǎng)化狀態(tài)進行了評價，以探討結(jié)冰過程的環(huán)境效應。結(jié)果表明，烏梁素海湖泊各采樣點結(jié)冰前水體、結(jié)冰后冰體和水體的富營養(yǎng)狀態(tài)分別為富營養(yǎng)、富營養(yǎng)和重富營養(yǎng)；結(jié)冰過程使得湖泊水體的富營養(yǎng)狀態(tài)加重，而部分低營養(yǎng)狀態(tài)的水被凍結(jié)在冰體中。針對湖泊冰封期的污染特征提出了可行的底泥疏浚、冷凍濃縮等湖泊富營養(yǎng)修復對策。
　　由

10、于結(jié)冰過程中平衡分凝系數(shù)的不確定性，采用加權(quán)馬爾可夫鏈對結(jié)冰過程中冰下水體的TDS濃度進行預測。其預測精度較高，能夠滿足預測的要求，可為環(huán)保部門提前制定水環(huán)境保護措施提供數(shù)據(jù)參考。
　?。?）針對我國牧區(qū)存在的飲水安全隱患及牧區(qū)豐富的自然冷能、太陽能和風能的優(yōu)勢條件，提出將結(jié)冰過程中污染物的遷移機理應用到牧區(qū)飲水中的構(gòu)想，設計了牧區(qū)飲用水的處理流程，并在考察室內(nèi)模擬方法可行性的基礎上，對流程中的冰厚、冷凍溫度、受冷面積與水深比、種