寒区湖冰形成过程模拟及其对环境影响效应研究

寒区湖泊冰封期长，冰封期内冰层所占体积大，因此了解污染物在湖冰环境中的存在特性，对于研究湖泊污染机理不容忽略。本项目以内蒙古乌梁素海为研究区域，突出"气象、水质条件→冰环境特征形成→污染物迁移→冰体净化→冰下水污染加重"这一过程及其特征，首先进行湖泊水环境条件、气象条件下对结冰过程的耦合模拟，模拟中考虑气象指标数值大小、变化速度及水质不同价态离子浓度对结冰点的影响；然后进行盐分在由多项体系构成的复杂湖冰介质中的运移过程及机理研究，用能态观点理论建立污染物迁移基础模型，再与污染物的环境属性耦合，形成湖冰环境中污染物迁移转化模型；最后在前两个过程模拟及机理分析基础上，建立湖泊污染物在湖冰净化、冰下水中污染浓缩评价与预测模型，为内陆高盐碱湖具有地区特点的创新治理方法制定提供科学依据。

本项目获得资助后，严格按照计划实施，根据乌梁素海流域的实际情况，于2012年1月开始对乌梁素海主体湖区进行样品采集，在每个采样点同时采集冰样、水样和底泥样品。采用野外监测与室内模拟试验相结合的方法，进行寒区湖冰形成过程模拟及其对环境影响效应的研究，进行了乌梁素海湖冰形成过程中冰环境及污染物时空分布特征分析，在此基础上进行了湖泊气象条件、水环境条件对湖冰形成过程的耦合模拟研究，完成了湖冰形态、结构对污染物排出效应研究。目前已经完成本项课题的各项研究工作。主要成果及结论为：（1）水体结冰过程中污染物由冰体向冰下水体中迁移；冰体各冰层中污染物的浓度分布为中层小于顶层小于底层；湖水中不同污染物的分配系数不同：对于重金属，镉的分配系数最大，金属铬、砷的分配系数较小；各物质分配系数的大小顺序为：重金属>Na+、Cl-。（2）对含有单一重金属、氯化钠的水样在不同初始浓度、环境温度条件下进行室内结冰模拟，得出水样中各物质在单向结冰过程中从冰相向冰下水相迁移。水样初始浓度增加，物质由冰体向水体的迁移能力减弱；环境温度相对升高，物质的迁移能力增强。同一初始浓度下，不同物质分配系数K值不同。随着水样初始浓度的增大，冰体中重金属的K值呈下降趋势；而Na+和Cl-的K值呈上升趋势；相同初始浓度条件下，随环境温度的升高，各物质的K值均减小；Cu、Cr、Hg、As、Na+和Cl-的初始浓度、环境温度对其在冰-水介质中的分布有显著的影响。（3）初始浓度同为10mg/l的不同重金属溶液在-25℃、-15℃条件下结冰，冰体中的浓度大小顺序为：Fe>Cu>Mn>Zn>As>Cd>Pb>Hg>Cr。（4）构建了适用于乌梁素海模糊神经网络模型，且水质状况分类：小于1.402为Ⅰ类、1.402~2.513为Ⅱ类、2.513~3.494为Ⅲ类、3.494~4.471为Ⅳ类、4.471~5.327为Ⅴ类、大于5.327为劣Ⅴ类；对非冰封期的水质作评价，总体变幅较小，相对稳定。而在冻融过程中，冰下水的水质状况在结冰过程中逐渐变差，在融冰过程中又逐渐好转，冻结温度越低，污染物的迁移量越少；原水水质状况越差，结冰后冰体中污染物浓度越高。（5）根据迁移通量方程，算出乌梁素海在结冰过程中，冰体向冰下水体排出的TN、TP的量：MTP=3.38×105t；MTN=1.28×106t，排出数量较大。