大冶湖流域重金属污染现状及水质模型研究

摘要

重金属污染物毒性强、难降解，在环境中能够长期存留和累积，因此对其在环境中的迁移、归趋行为的研究是环境领域研究的重点。当水溶态重金属污染物进入河流湖泊时，可随水流长距离迁移，影响范围广，产生危害大。在应对突发水污染事故时，模拟预测水溶态重金属随水迁移的行为将对突发污染预警具有重要意义。
　　大冶湖流域内矿山采选等涉重金属企业众多，近年来大冶湖流域内水体的重金属污染问题显现。同时，这些企业也存在着很大的潜在重金属污染风险。本课题通过调查大冶湖流域内重金属污染情况，明确水体及底泥中重金属污染类型，分析其污染特征及变化趋势，对重金属污染情况作出评估。同时，利用EFDC模型（Environmental Fluid Dynamics Code）建立了特定的水动力场并进行了突发重金属污染事故模拟研究。主要结论如下：
　　（1）流域内水体中砷、镉、汞在个别河段（湖体）处有超标。罗桥东港（砷浓度1.26mg/L，镉浓度1.19mg/L）、罗桥西港（砷浓度0.48mg/L）、三里七湖（砷浓度0.41mg/L）等处污染最为严重，且砷、镉等重金属含量近年来有升高趋势。底泥中，铜、砷、镉存在超标现象，最严重的为罗桥东港入湖口（铜超标63.8％，砷超标1301％，镉超标930％）、罗桥东港左支流（铜超标183％，砷超标1077％，镉超标585％）和罗桥东港右支流（砷超标49％，镉超标925％）。镉和汞是流域内潜在生态危害的主要贡献因子；底泥潜在生态危害程度最大的河港为罗桥东港及其左、右支流，其多金属潜在生态风险系数RI值分别达到13232，12515和9536。
　　（2）模拟大冶湖外湖初始水位为16m，入流条件分别为40±3 m3/s、40±6m3/s、12±2m3/s时大冶湖外湖的水动力场。模拟结果显示，研究区域内水位波动不大，均在±0.5cm以内，水流流速在水深方向上的平均值为3~20cm/s左右。
　　（3）随着时间的推移，污染物衰减速度变慢，污染范围变大，污染物浓度梯度变小，分布趋于均匀。当衰减系数为1.0×10-5s-1时，重金属污染物浓度在10d左右可降低到极低值，其衰减速度显著高于其他两个量级的衰减系数。在水动力场1的条件下，当事故污染物泄漏浓度为10mg/L，泄漏时间为1h时，对于距离事故点2.7km处的下游a断面，重金属污染物到达时间为0.5d，停留时间2.5d，浓度峰值在1.5d时出现，为0.38mg/L。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 重金属污染研究进展

1.2.2 水环境模型研究进展

1.3 研究目的及意义

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 大冶湖流域重金属污染现状分析

2.1 调查及实验方法

2.1.1 资料收集

2.1.2 布点采样

2.1.3 检测方法

2.2 水体重金属污染现状分析

2.2.1 水体重金属污染特征

2.2.2 水体重金属污染变化分析

2.3 底泥重金属污染现状分析

2.3.1 底泥重金属污染现状

2.3.2 底泥重金属污染风险评估

3 大冶湖EFDC水动力模型建立

3.1 EFDC模型原理介绍

3.1.1 边界拟合线坐标系

3.1.2 基本控制方程

3.1.3 紊流闭合模型

3.1.4 水质模块原理

3.1.5 定解边界条件

3.2 水动力模型建立

3.2.1 计算区域网格剖分

3.2.2 网格水深匹配

3.2.3 水动力边界条件及参数率定

3.2.5 水动力场模拟结果

4 突发重金属水污染事故模拟

4.1 水质模型建立

4.1.1 参数率定

4.1.2 水质边界条件

4.2 重金属污染物迁移模拟分析

4.2.1 污染物浓度分布

4.2.2 污染物前锋迁移及衰减

4.2.3 污染物前锋的时间变化规律

4.2.4 横断面污染分析

4.3 突发重金属水污染事故应急措施

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献