宁夏阅海冰封期污染物迁移变化特征分析

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中、高纬度河湖进入冬季,水体表层开始结冻,形成冰盖,进入“冰封期”,并且随着冬季气温降低,冰层逐渐变厚;来年春季,随着气温升高,冰层逐渐变薄而消融。由非冰封期到冰封期,再到非冰封期,水体状态由液态向固态再向液态变化,水体中的污染物也会伴随“水—冰—水”的状态转变而发生变化。尤其是湖面的冻结改变了湖泊内部水体的物理和化学过程,进而影响湖泊冬季生态条件,在特定环境背景下影响此区域的湖泊水环境。为探究湖泊冰封期污染物的时空分布及其迁移转化特征,本文以阅海为研究对象,于2020年至2021年,在阅海确定7个采样点,采集上层冰、下层冰样和冰下表层水、中层水、底层水样,进行了2次冰封期以及前后2次非冰封期水体取样监测,以采集冰样、冰下水样及非冰封期水样的水质数据为基础,综合运用对比分析、ArcGIS空间插值、主成分分析等多种统计分析方法,探讨冰封期污染物归趋,结果表明:(1)阅海冰封期各采样点的水深介于0.82~2.03 m之间,其平均值为1.34 m;采样点的冰厚介于0.23~0.28 m之间,平均值为0.25 m。阅海冰封期2020年12月与2021年1月对比,冰体中除总磷(TP)、悬浮物(SS)外,其余污染物浓度指标总体呈现2020年12月>2021年1月特征,且污染物在不同冰层间表现出上层冰>下层冰的特征。冰下水体中的污染物浓度指标总体呈2020年12月>2021年1月特征,冰下水体温度分层明显,但污染物并未随水温变化呈现规律性变化,这可能与水温、水环境化学作用及底泥释放等多种因素有关。反映出伴随着气温的下降,一方面冰冻过程持续进行,冰层厚度逐渐增加,上层冰中污染物向下层冰中迁移;另一方面随着冰体中污染物浓度指标的减少,污染物继续向冰下水体中迁移运动。(2)阅海冰封期、非冰封期污染物浓度指标总体呈冰封期冰下水体>非冰期水体>冰体的特征。在冰—水双介质中的垂向分布规律为冰下水体>冰体,上层冰>下层冰。其中,总氮(TN)质量浓度冰下水体是冰体中的2.21倍,氨氮(NH3-N)在冰下水体中是冰体中的1.64倍,硝态氮(NO3-N)在冰下水体中是冰体中的3.25倍。污染物结冰前后的分配系数显示,大部分采样点各污染物指标在结冰前的分配系数均大于冰封期,且结冰前的K值大于1,说明低温冰冻环境对水体中的污染物具有“浓缩效应”。说明冰封期在水体结冰的影响下,冰冻对污染物具有排出作用,造成冰下水体的浓度高于冰封前污染物的浓度。反映出湖泊水体从液态变为固态过程中,其中部分污染物被排斥到未结冻的液态水中,冰体“净化”而冰下水体“污化”。(3)阅海冰封期冰体污染物中悬浮物不同于其它污染物的表现特征,即冰体中悬浮物浓度指标呈现2020年12月<2021年1月特征,且上层冰>下层冰,2021年1月上层冰中悬浮物浓度远大于下层冰中悬浮物浓度。悬浮物成分分析表明,上层冰悬浮物增加主要是无机悬浮物的增加,反映出伴随冰冻过程持续,悬浮物沉积于冰层表面,这与本区域冬季风沙活动多、地表碎屑物丰富有关。(4)冰封期污染物空间表现,冰层(上层冰、下层冰)中污染物空间差异性减小,冰下(表层水、中层水、底层水)中污染物空间差异性也减小;2020年12月与2021年1月冰下水体各指标对比,溶氧(DO)变化明显,其中1-4#点位DO下降,高锰酸钾盐指数(CODmn)也下降,说明耗氧有机物分解作用依然进行;7-14#点位1月DO显著增加,且表层水>中层水>底层水,说明这些点位冰下水体DO得到大气补给,耗氧有机物下降程度与前者相当,并未明显减少,仍然显示出温度对污染物浓度的控制和影响作用。(5)阅海非冰封期各水质指标在时间分布上大部分表现为11月(冬季)高于4月(春季);在空间分布上各区域点位间无显著性差异,除化学需氧量(CODcr)和7号采样点总磷(TP)处于劣Ⅴ类水外,其余污染物均介于Ⅰ类水~Ⅲ类水标准之间;湖区水质南部优于北部,入水口和深水区水质较好,浅水区和排水口次之,芦苇区水质最差,水质数据相关性分析结果显示,在此时期DO对其他污染物的影响最为显著。(6)阅海冰封期低温冰冻环境反映出冰体“净化”而冰下水体“污化”的效应,可为湖泊污染治理、水质提高提供技术方法思路。
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