重金属在锦州湾沉积物-海水界面扩散迁移及其平衡分配行为的研究

发布时间：2020-05-20 21:20

【摘要】：锦州湾位于我国渤海辽东湾北部海域,湾内三面陆地,湾口面向东南,属于半封闭海区,为我国污染最严重的海湾之一。锦州湾周边有大量石油化工厂、锌厂等,工业排废造成锦州湾五里河、茨山河等河流重金属污染严重,使得锦州湾具有较长的重金属污染历史。重金属具有不可降解性,在沉积物-海水界面的沉降、扩散迁移和埋藏过程中迁移至海底通过生物、物理和化学等反应释放,转化为溶解态,但同时被污染的沉积物也可以成为上覆水体中重金属的源,造成二次污染,从而威胁海洋生物甚至人类的健康。本研究在2017年9月至2018年8月,分别在春季、夏季和秋季对锦州湾湾内、外进行样品采集,分析测定了海水、孔隙水和沉积物中重金属Fe、Mn、Cu、Co、Ni、Zn、Cd、Pb的含量,分析比较不同季节重金属在海水和孔隙水中的分布特征及在锦州湾沉积物-海水界面扩散迁移规律。研究表明锦州湾湾内溶解态重金属污染较湾外高,且夏季较其它季节高,其中Cd和Zn的含量远高于其它海湾,为污染较重的两种金属,受径流、工业排废和人类生活排污影响显著。锦州湾孔隙水中溶解态重金属(Co、Ni、Zn、Cd、Pb)随季节变化趋势一致,夏季孔隙水中Cu的含量远高于其它季节。孔隙水溶解态重金属垂向分布大多呈现表层高、底层快速降低的分布趋势。锦州湾表层沉积物中重金属的含量与国内外其它海湾的比较结果显示,Cd和Zn的污染较为严重。沉积物-海水界面扩散通量计算结果显示锦州湾重金属Cu、Zn、Co、Ni、Pb为沉积物向水体扩散,说明沉积物是上覆水体重金属的重要来源;重金属Cd为水体向沉积物扩散,说明水体为沉积物重金属的来源不断向沉积物迁移扩散,污染严重。应用SCEM模型,分析比较上层海水中几种金属的自由离子态浓度的实测值与预测值,结果显示Cu、Zn和Pb的实测值与预测值较为吻合,预测值略高于实测值,表明在锦州湾沉积物-海水界面未达到平衡状态,沉积物不断向海水扩散迁移重金属,与孔隙水扩散通量的研究结果一致,对海水造成二次污染。而Cd的预测值高于实测值,而其在孔隙水中为海水向沉积物扩散,与孔隙水测试结果不符,突破水体中Cd的毒性阈值,反映出上层水体中可能存在的生物自身抑毒机制。
【图文】：

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2）与外海水交换不畅。锦州湾是一个半封闭的浅水湾，近年来湾内围填海等项目导致纳潮面积萎缩，海水交换能力进一步下降。刘明等(2013)使用物理海洋模型模拟的研究结果显示，在2005到2010年间锦州湾的平均水交换律为仅为7%。与湾外的水交换率低下使得沉积物与上层水体足够的相互作用时间。一般来说，，沉积物与水体的相互作用、达到平衡的时间在几小时到几天之间(Gonzalez et al,1992; Mahony et al, 1996)；3）拥有较长的重金属污染历史。有研究显示，自上世纪四十年代开始，锦州湾就有了重金属污染的证据，一直到七八十年代出现了严重的污染问题(乔福裕等, 1991;李淑媛等, 1996)。据李淑媛等(1996)根据背景值计算，Cd 的污染指数能达到 700, 而 Cu、Zn、Pb 也有 90~160 之高（污染指数是通过样品浓度与背景值之间的比值计算得到的）；4）沉积物中金属浓度梯度较大。范文宏等(2006)在 2001 年的研究显示，从湾内五里河河口到湾外的沉积物中 Cu、Pb、Zn、Cd 的含量达到 2-3 个数量级的差别，这样巨大的浓度梯度为应用 SCEM 模型提供了一个绝佳的试验场。

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采样情况及站位分布如表 2-1 和图 2-1、2-2、2-3 所示。表 2-1 锦州湾样品采集统计（单位：个）Table 2-1 Jinzhou Bay Sample Collection Statistics (Unit: 1)季节日期海水样品海水形态表层沉积物孔隙水（沉积物短柱）春季 2018.05 19 3 16 3夏季 2018.08 14 3 0 3秋季 2017.09 14 5 0 3
【学位授予单位】：自然资源部第一海洋研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X55

【参考文献】