波流耦合作用下滨海湿地底泥与水体间重金属交换机理研究

Recently, heavy metal contaminants have become a serious threat to the wetlands environment. In the wetland environment, substance exchange occurs between bed sediment and water column all the time. It is closely related to the distribution of heavy metals. However, exchange mechanism of heavy metals between bed sediment and water column in coastal wetland is still unclear. In this research, Laogang in Nanhui coastal wetland in the estuary of Yangtze River is selected to study the exchange mechanisms of heavy metals between benthic sediment and water column in coastal wetlands with coupling of tides and waves. Through field observation, distribution and dynamic behavior characteristics of heavy metals in benthic sediment and water column are surveyed, and the key impact factors on the heavy metals exchange between benthic sediment and water column are discussed. Based on these results, laboratory tests are carried out to simulate the heavy metals settling from water and the release process from sediment. Effects of hydrodynamics, distribution characteristics of vegetations and physical parameter of water (pH, Temperature, salinity, et al.) on the exchange process are quantificationally analyzed. Under the multi-impacts and the vertical settling, heavy metal release from benthic sediment is detected. Consequently, the results will reveal the exchange mechanisms of heavy metals between bentic sediment and water column in coastal wetlands. It can also provide important theoretical basis and technical support for the control and treatment of heavy metal pollution in coastal wetlands in the future of China.

近年来，重金属污染物已成为我国湿地环境面临的严重威胁。湿地环境中的底泥沉积物时刻与水体进行着物质交换，与重金属分布密切相关。目前，滨海湿地底泥沉积物与水体中的重金属交换机理仍尚未明确。本课题选取长江口南汇边滩--老港段为研究对象，从相对微观和宏观角度开展波流共同作用下滨海湿地底泥沉积物与水体间重金属交换机理研究。通过现场观测，研究滨海湿地底泥沉积物与水体中的重金属分布及其对水动力条件的动态响应，讨论影响两者间重金属交换的关键因子。在此基础上，采用室内模型实验，模拟水体中重金属沉降及底泥重金属释放过程，定量地分析不同的波流组合条件、植物分布以及水体物理参数对滨海湿地底泥沉积物与水体间重金属交换的影响，探求综合多因子耦合影响和水体重金属沉降下的底泥重金属释放机制，最终揭示滨海湿地底泥沉积物与水体间的重金属交换机理。研究成果可为我国湿地环境保护和重金属污染控制及治理提供理论依据和技术支撑。

湿地污染已成为我国湿地环境面临的严重威胁，开展滨海湿地污染物输运及底泥沉积物与水体间的污染物交换机理研究对滨海湿地水环境保护与水污染治理具有重要意义。本课题基于南汇边滩滨海湿地植物特征空间分布形式，研究了植物影响下的波浪传播和水流结构；植物影响下的泥沙起动与输运；植物影响下的污染物输运以及底泥与水体间的污染物交换规律。基于本课题的研究，获得了不同密度植物及垂向密度不均匀植物影响下，振荡流、单向流、波流耦合条件下植物与水流间的相互作用规律，植物影响下的水流结构以及流速和紊动能量的垂向分布及沿程变化规律；揭示了不同植物特征和水动力条件下，含植物水流的泥沙起动机制和垂向分布特征，明确了湿地植物影响下泥沙浓度与水体紊动能量之间的相关性，提出了一种通过水流流速和水体紊动估算水体含沙量的方法，该方法可高效、快速预测湿地水体泥沙浓度，为湿地水环境研究提供基础数据；获得了不同植物特征和水动力条件下的污染物分布规律，量化了不同湿地植物(刚性植物和柔性植物)对不同污染源污染物输运的影响，得到了滨海湿地植物影响下的污染物扩散系数，揭示了多重动力耦合作用下的底泥与水体中的污染物交换规律，并提出了一种基于植物特征和植物雷诺数推求污染物扩散系数的方法，该方法可为湿地水环境质量预测提供重要参数。本课题研究成果可为滨海湿地污染控制提供科学依据，为近岸区域的水环境保护提供技术支撑，也可以为类似其他水域的水污染防治提供基础数据，具有重要的理论和现实意义。基于研究成果共发表论文10篇，其中SCI论文4篇；申请国家发明专利2项，登记软件著作权1项；研究人员参加学术会议7人次；培养博士研究生2名，硕士研究生4名(已毕业2人)。