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重金属在冰-水-底泥多相环境介质中的迁移规律农学研究

添加时间:2018-09-06 19:49:10   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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本文是一篇农学硕士论文,农学(农业科学)是研究农业发展的自然规律和经济规律的科学,因涉及农业环境、作物和畜牧生产、农业工程和农业经济等多种科学而具有综合性。林业科学和水产科学有时也包括在广义的农业科学范畴之内。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇农学硕士论文,供大家参考。

 
1 绪论
 
湖泊是陆地表面封闭洼地中积水形成比较宽阔的水域,是水资源和水力资源的重要储藏地,在调节地区气候、保持生态平衡、调蓄洪水、促淤造陆、降解污染物、美化环境等方面发挥着重要作用。因此合理利用与保护湖泊资源是社会经济发展的重大课题。近些年来,随着湖泊流域人口增长和经济发展,特别是近年来湖泊流域种(养)殖业、旅游业、采矿业以及沿湖工业和城镇化的不断发展,湖泊生态环境保护压力日益加大,一些水质较好的湖泊面临着水质退化、富营养化趋势加重、湖面萎缩、威胁饮用水供给、损害公众健康等问题。其中重金属污染在这些问题中比较突出,由于其污染具有持久性、易迁移性、高度生物富集性、不易降解性和强毒性等特性,导致湖泊重金属污染严重影响湖泊功能的正常发挥,并严重威胁人类的健康生活,已受到国内外学者的广泛关注。
 
1.1 选题背景及依据
水是人类生存和生产的根本,人类的各种活动都离不开水资源。我国水资源总量令人堪忧,干旱缺水现象十分严重。虽然地球表面面积被 72% 的水覆盖,但是淡水资源仅仅占到所有水资源的 2.5%,而实际能够被人们利用的淡水资源仅占到地球水资源总量的 0.26%。我国的淡水资源供给着世界上 7%左右的土地以及 21%以上的人口,对我国的水源也造成了很大的压力。2009 年我国淡水资源总量在28000 亿立方米左右,但是在众多土地以及人口的压力下,我国成为了全球 13 个人均水资源最贫乏的国家之一[1]。可供人类所利用的水资源主要包括河流、湖泊以及浅层地下水。由于数量众多、分布广泛,使得湖泊淡水资源属于极为珍贵与重要的国土资源与水资源。我国幅员辽阔,自然环境复杂、空间分异明显,这使得我国湖泊在空间分布上极不均匀。以地质-地貌特征为基础形成的三大地形阶梯、气候的南北分带以及主要由海陆分布引起的季风气候特点,我国湖泊可划分为五个自然分布区域,其中包括:东部平原湖区、蒙新高原湖区、云贵高原湖区、青藏高原湖区和东北平原湖区。以湖泊面积计,东部平原湖泊占我国湖泊总面积的 23.3%、蒙新高原湖区占 21.5%、青藏高原湖区占 49.5%、云贵高原湖区和东北平原湖区仅分别占 1.3%和 4.4%[2]。上述五大湖区包括了全国 99.8%的湖泊,由于各湖区的地理位置、气候特征和水文地质条件等差异,致使各湖区湖泊水资源具有明显的区域性特征,如表 1 所示。
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1.2 研究目的与意义
乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市东部,属于蒙新高原湖区。是黄河流域最大的淡水湖泊,同时也是中国八大淡水湖之一,地球上同纬度最大的湿地[16]。近些年来,随着流域内工农业的发展,大量重金属被排入到环境当中,并通过地表径流,大气沉降等方式进入到乌梁素海水系统中,使得湖泊在近些年来受重金属污染的范围和程度均有所增加。此外,由于乌梁素海地处寒区,湖泊在一年中约有 4~5个月处于封冻状态,湖水较浅而冰层较厚,冰层最厚可达水深的 1/3~1/2,重金属在冰生长期湖泊环境中的分配、迁移和归趋规律具有其特殊性。因此,本文以乌梁素海为研究对象,研究重金属在非冰封期和冰生长期乌梁素海中的污染现状和迁移规律,具有以下重要意义:乌梁素海所在地势相对较低,处于河套流域的末端,每年接纳河套灌区90%以上的农田退水,同时也是河套灌区生活和工业污水的主要承泄场所。乌梁素海的退水直接排入黄河,排水口距离黄河仅有 20 公里,是黄河内蒙古段最大的一个排污口,也是黄河枯水期主要的补给源之一,其水质在很大程度上决定了黄河的水质。乌梁素海还是是内蒙古第二大渔场,年产经济鱼类 700 多吨[17],水体中的重金属易富集在各种鱼类体内,了解湖泊中重金属的迁移状况和赋存形态对人民的生命安全和预测黄河水质的重金属污染状况具有重要意义。
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2. 研究区概况及材料与方法
 
2.1 研究区概况
乌梁素海(40°36′~41°03′N,108°43′~108°57′E),位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗境内,是全球荒漠半荒漠地区极为少见的大型草原湖泊,也是地球同一纬度最大的湿地。其成因与黄河主流改道有关,最早的黄河沿狼山南侧的乌加河作主流东流,后因地壳隆起,黄河受阻急转南流,冲出一个较大的洼地,这就是乌梁素海的前身。乌梁素海是中国八大淡水湖之一,素有“塞外明珠”之美誉,现已被国家林业部门列为湿地水禽自然保护示范工程项目和自治区湿地水禽自然保护区,同时列入《国际重要湿地名录》。如图 2 所示,乌梁素海整体形状像一瓣桔,被芦苇和香蒲分割成若干水域;南北长 35~40km,东西宽 5~10km,整体面积约 293km2,其中芦苇区面积为 119 km2,湖面高程 1018.5m,最大水深约 3m,大片水域水深在 1.8~2.5m之间,平均水深为 2m。岛屿率为 6.1%,湖盆特征形态系数为 22.2,湖泊水体的滞留时间约为 160~220 天[80]。乌梁素海流域处于北半球高纬度地区,属北温带干旱半干旱大陆性气候。主要气候特点是太阳辐射强,蒸发量大,年降雨量少且年内分配不均匀,气候干旱、湿度较低、风沙活动强烈、无霜期短,昼夜温差较大。春季风沙活动较强,降雨量少且干旱;夏季较炎热,降雨量多;秋季时干燥凉爽,昼夜温差大;冬季天气寒冷而又漫长(11 月-次年 3 月)。河湖湿地水环境保护与修复项目组于 2001 年在乌梁素海红圪卜扬水站附近建立了自动气象监测站(型号:AZWS-001,产地:澳大利亚),然后结合乌拉特前旗气象站多年气象监测资料,分析乌梁素海流域的气象特征。
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2.2 材料与方法
根据我国水环境及湖泊湿地调查规范,同时考虑乌梁素海排污入湖口的分布及水动力学特征,将乌梁素海在空间上以 2km×2km 为尺度进行正方形网格化,在正方形网格的交汇点,设置样品采集点。在实际采样过程中,可以根据现场采样条件和监测目的适当增加或减少采样点,但力求采样点能够均匀分布于整个湖区,增加采样点的代表性。本次试验一共设置 12 个采样点,如图 14 所示。本研究分别在乌梁素海非冰封期和冰生长期进行了水样、沉积物样、悬浮物样以及冰样的采集。取样方法、取样时间、取样深度/厚度等指标如表 2 所示。取样前,首先使用专用洗液去除取水器和盛放水样的聚乙烯瓶上的油污,并用超纯水反复冲洗,之后在用浓度为 10%的硝酸浸泡 24 小时以上,再用超纯水反复冲洗。在整个取样过程中,避免取水器、盛水器以及取冰器受到污染。每次采样均采用相同的采样点,采样点使用全球 GPS 定位。
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3. QWASI 模型的改进 .......... 26
3.1 模型简介 ...... 26
3.2 模型参数 ...... 26
3.3 模型构建 ...... 28
3.4 模型计算流程 ............ 29
3.5 迁移过程传输量 M ........ 29
3.6 模型输入参数 ............ 30
3.7 模型所需参数 ............ 32
3.8 模型改进 ...... 33
3.9 本章小结 ...... 36
4. 乌梁素海非冰封期与冰生长期多相介中重金属的含量及迁移规律 ......... 38
4.1 非冰封期与冰生长期水体中重金属的含量及迁移规律 ....... 38
4.2 非冰封期与冰生长期沉积物中重金属的含量及迁移规律 ..... 43
4.3 乌梁素海悬浮物中重金属赋存形态及可迁移性 ............. 50
4.4 乌梁素海冰体中重金属含量及分布特征 ......... 53
4.5 沉积物再悬浮、悬浮微粒沉降试验 .... 57
4.6 重金属在冰-水间的迁移速率分析...... 60
4.7 本章小结 ...... 66
5 乌梁素海非冰封期 QWASI 模型模拟 ....... 68
5.1 非冰封期重金属在水体相和沉积物相中的浓度 ............. 68
5.2 重金属迁移过程传输量.... 72
5.3 参数敏感度分析 .......... 76
5.4 本章小结 ...... 77
 
6 乌梁素海冰生长期 QWASI 模型模拟
 
将改进后的水相及沉积物相方程组成的二元一次微分方程组及模型所需参数带入 Matlab2014 进行求解,同时本研究将 2016 年 10 月 24 日乌梁素海沉积物 12 个采样点中重金属浓度的平均值以及 11月15日水体中12个采样点中重金属浓度的平均值作为初始浓度值带入 QWASI 模型计算。模型模拟了重金属在乌梁素海冰生长期冰体、水体和沉积物相中的浓度趋势,并计算了各类重金属在冰-水以及水-沉积物间的过程迁移量,最后对模型输入参数进行了敏感度分析,揭示了影响乌梁素海冰生长期驱使重金属在多相介质中迁移的主要影响因子。
 
6.1 冰生长期重金属在水体相和沉积物相中的浓度
Cu 的模拟结果如图 59 所示,冰生长期乌梁素海水体中 Cu 的浓度呈上升趋势,表层沉积物中 Cu 的浓度呈下降趋势。为了校验模型的实用性,本研究在乌梁素海冰生长期的第 60 天实测了 Cu 在水体中的浓度,结果显示,水体中 12 个采样点的 Cu 平均浓度为 6.07μg/L,模型计算出 Cu 在乌梁素海冰生长期第 60 天水体中浓度为 6.23μg/L,水体中 Cu 浓度的模型计算值和实测值的误差率为 2.6%。在冰生长期 60 天,表层沉积物中 12 个采样点的Cu 平均浓度为 26.39mg/kg,模型计算出的 Cu 在乌梁素海冰生长期第 60 天表层沉积物中浓度为 23.95mg/kg,表层沉积物 Cu 浓度的模型计算值和实测值的误差率为10.2%,模型计算值和实测值基本吻合。Zn 的计算结果如图 60 所示, 冰生长期乌梁素海水体中 Zn 的浓度呈上升趋势,表层沉积物中的 Zn 的浓度呈下降趋势。为了校验模型的实用性,本研究在乌梁素海冰生长期的第 60 天实测了 Zn 在水体中的浓度,结果显示,水体中 12 个采样点的重金属 Zn 平均浓度为 31.92μg/L,模型计算出 Zn 在乌梁素海冰生长期第 60 天水体中浓度为 29.16μg/L,水体中 Zn 浓度的模型计算值和实测值的误差率为 9.4%。在冰生长期 60 天,表层沉积物中 12 个采样点的 Zn 平均浓度为 60.4mg/kg,模型计算出的 Zn 在乌梁素海冰生长期第 60 天沉表层积物中浓度为 63.16mg/kg,表层沉积物 Zn 浓度的模型计算值和实测值的误差率为 4.6%,模型计算值和实测值基本吻合。
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结论
 
伴随我国工农业的迅速发展和城市化进程的加快,大量重金属被排入到环境当中,并通过地表水径流、大气沉降等方式进入到湖泊水体,致使众多湖泊出现不同程度的重金属污染,严重威胁到人类健康。环境中的重金属污染物难以降解,只能在大气、水体和沉积物介质内或介质迁移转化。由于各个环境介质的不同特性,重金属会不同程度的富集在环境介质中,使大气、水体、沉积物和冰体受到重金属污染。本文以乌梁素海为研究对象,在非冰封期和冰生长期对水体、沉积物、悬浮物、冰体中重金属的含量、形态以及迁移规律进行了试验调查与分析。为更全面的掌握乌梁素海非冰封期和冰生长期重金属在各环境介质中的迁移和归趋,本文依据乌梁素海非冰封和冰生长期环境特点,改进 QWASI 环境模型,并用其分别模拟了乌梁素海非冰封和冰生长期重金属在水-沉积物、冰-水-沉积物间的迁移和归趋,并得到以下结论:
(1)各类重金属在非冰封期水体中浓度变化不大,整体呈上升趋势。冰生长期时,重金属在冰生长过程中向下覆水体迁移浓缩,使得重金属浓度在冰生长期大于非冰封期。冰生长期沉积物中重金属 Cu、Cd 浓度在冰生长期均大于非冰封期,而沉积物重金属 Zn、Cr、Pb 在冰生长期小于非冰封期。非冰封期悬浮物中的重金属含量普遍大于沉积物中重金属含量,且可迁移态重金属比例在悬浮物中高于沉积物。通过对冰生长期冰体的调查分析显示,重金属在冰体上层中含量高于重金属中层和下层中含量。
(2)非冰封期沉积物再悬浮通量和悬浮物沉降通量与风速相关性很高。沉积物再悬浮通量和悬浮物沉降通量在非冰封期远大于冰生长期,且各类重金属非冰封期迁移和归趋主要受沉积物再悬浮悬浮物沉降影响。而冰生长期时,沉积物再悬浮悬浮物沉降对重金属的迁移影响减弱,重金属在冰生长期各环境相间的迁移和归趋受各个迁移过程综合影响。
(3)基于浅水型湖泊特征,改进 QWASI 环境模型,将模型中部分参数改为变量,然后利用改进后模型模拟了重金属 Cu、Zn、Cr、Cd、Pb 在乌梁素海非冰封期水体和沉积物中的迁移和归趋,结果显示,模型模拟的 Cu、Zn、Cr、Cd、Pb 在水体中浓度与实测值的误差率为从 2.8%~49.5%间变化,在沉积物中的误差率分别为从0.2%~19.3%间变化,模型模拟值和实测值基本吻合,说明基于参数变量化改进后QWASI 模型对于模拟重金属在浅水型湖泊中的迁移和归趋具有一定适用性。
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参考文献(略)

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