小微水體底泥重金屬污染擴散動態監測方法研究

關鍵詞：小微水體底泥；重金屬污染擴散監測；Multi-Agent系統；三角形面元；內梅羅污染指數

中圖分類號：X830.2 文獻標志碼：B

前言

小微水體是生物多樣性和生態平衡的重要棲息地，水體底泥中的重金屬污染會對周圍環境和生態系統造成危害。底泥中的重金屬通過懸浮態或溶解態進入水體，影響水質和水體生物多樣性。了解重金屬的污染擴散動態有助于評估環境風險，保護水體生態系統健康。

文獻[2]通過遺傳算法優化后的偏最小二乘回歸算法獲得重金屬含量，完成重金屬污染程度的監測。光譜變換處理對于特定類型的底泥和重金屬污染情況效果較好，對于復雜的環境條件、底泥組分多樣性和重金屬污染來源復雜的情況，適用性會受到限制。文獻[3]利用夜間光污染分布狀況，實現光污染監測。該方法利用夜間照度，獲取和測量的數據存在誤差，導致預測的夜間照度結果不準確。文獻[4]根據指數重要性和雙變量局部空間關聯指標對水體重金屬污染結果展開分析。引入過多的空間協變量會增加模型的復雜性，在現實環境中泛化能力較差，產生過擬合的風險。文獻[5]基于微塑料的形狀、顏色與尺寸對其展開表征，以完成污染監測。由于顯微鏡觀察需要繁瑣的操作，會導致一些微塑料顆粒被遺漏或誤判為其他物質，影響監測結果的準確性。

為了解決上述方法中存在的問題，提出小微水體底泥重金屬污染擴散動態監測方法研究。

1材料與方法

1.1研究區域

工業和人員活動密集地區往往存在重金屬的污染源，如工業廢水排放、生活污水、農業活動等，這些活動會導致大氣降塵、廢水滲漏等途徑使重金屬進入水體底泥中，因此將采樣點設置在工業以及人員活動多的地區。將福建省漳州市東山縣作為研究區域，并在東山縣西埔鎮梧龍村、石埔村以及樟塘鎮下湖村、樟塘村各水體設置采樣點，利用DDC-2型箱式采泥器采集底泥作為研究樣品，采集深度設置為5～10cm。

1.2樣品測定

將采集到的小微水體底泥樣品放人冷凍干燥機中烘干，當樣品重量不再發生變化時結束烘干，翻動、壓碎和研磨底泥樣品，并經過尼龍篩除雜質，將樣品編號。通過電子天平稱取0.2g處理后的底泥樣品，放人含有（C₂F₄）_n的密閉罐中，向罐中放入HNO₃與HClO₄對樣品進行消解處理，獲取底泥樣品溶液。通過電感耦合等離子質譜儀對溶液中的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb六種元素的含量展開測定。同時經過電子天平稱取0.2g經除雜質處理后的底泥樣品，展開混合酸體系消解后，放入SnC12溶液中，通過冷原子熒光法對溶液中的Hg元素含量展開測定。

1.3小微水體底泥重金屬污染擴散動態監測

由于小微水體底泥重金屬污染是否發生擴散需要考慮方向以及速度等因素，為了能夠模擬不同個體之間的相互作用和信息傳遞，考慮底泥重金屬污染的非線性擴散過程，利用Multi-Agent系統對發生重金屬污染的小微水體底泥展開污染擴散分析，準確理解重金屬污染在小微水體底泥中的擴散動態，實現對底泥重金屬污染的實時動態監測。建立的多水質Agent三角形面元網格見圖1。

2.2污染擴散的影響因素分析

在小微水體底泥中，含有重金屬的污染物一般作為離子形態引起水體污染，可溶態含量極少，當重金屬污染物被排放到水中時，多數會吸附在水體底泥上，從而形成固態顆粒。此時，重金屬污染物的溶解、釋放情況會受到水體的溶解氧（DO）、溫度（T）和pH值的影響。為進一步明確溶解氧（DO）、溫度（T）、pH值對底泥中各重金屬擴散能力的影響，獲得有效的污染擴散抑制方法，計算各采樣點的重金屬單因子污染指數，并對溶解氧（DO）、溫度（T）、pH值和7種重金屬在水體中擴散能力的相關性展開分析，結果見圖2。

通過圖2（a）可知，東山縣整體的小微水體發生了輕度的Pb和Hg污染、中度的Ni污染以及重度的Cr、Cu、Zn、Cd污染，在一些采樣點的Ni最大值也含有一定的重度污染，由此可知，Cr、Cu、Zn、Cd是東山縣小微水體重金屬濃度變化的主要來源，因此，對該水域的重金屬污染擴散展開控制時主要對影響Cr、Cu、Zn、Cd擴散程度的因素展開控制。

分析圖2（b）能夠發現，溶解氧（DO）與Zn、Cd、Hg的擴散能力呈正相關，因為這些重金屬在有氧條件下會發生化學反應形成更易溶解的絡合物，導致溶解度升高、在水中的擴散能力增強，而溶解氧（DO）與Cr、Cu、Pb的擴散能力呈負相關，這些重金屬元素在富氧環境中更容易形成不溶性的氫氧化物或鹽類，導致其溶解度降低，擴散能力下降，溶解氧（DO）對Ni元素的影響不顯著。溫度（T）和各重金屬元素均呈正相關，因為水中溫度升高，原子通過能量起伏完成勢壘躍遷的概率增大，導致重金屬的擴散系數增加，且高溫會加快重金屬的化學反應，提升擴散能力。pH值對Hg元素的影響不顯著，和其余6種元素呈負相關，這是由于重金屬元素在酸性條件下更容易溶解，在堿性條件下的溶解度會降低，因此隨著pH值的升高，各重金屬元素的溶解度會降低，擴散能力下降。

水體的pH值的變化主要是人類活動與巖石風化引起的，水溫（T）主要和水體中工業污水廢水的含量有關，而溶解氧（DO）主要受到溫度和大氣壓的影響，因此，對重金屬污染水體沿線的污水排放加強監測，對即將排入水域的酸性污水展開處理后排放，降低溫度（T）和pH值能夠有效抑制水體底泥中重金屬的擴散速度。

3結束語

為了實現監測底泥中重金屬的變化和擴散過程，了解污染物在水體中的傳播途徑和范圍，研究了一種小微水體底泥重金屬污染擴散動態監測方法。采用了多水質Agent三角形網格系統，更準確地模擬和預測了水體中的各種物質傳輸和擴散情況。應用內梅羅污染指數，更直觀地判斷出了底泥中重金屬的污染程度，有利于實時監測和風險評估。基于內梅羅污染指數的動態重金屬污染擴散監測方法，使監測不再局限于靜態數據，而是能夠及時反映污染物在水體中的變化過程，有助于快速響應和采取控制措施。根據獲取到的實驗結果可知，該方法在采樣測定和污染擴散的監測精度上均較高，有助于提高監測的可靠性和準確性，具有一定的應用性能。