河流水-沉积物中重金属多组分动力学反应迁移模型-以山东招远界河为例

This project will study the reactive transport of trace elements (As,Cr,Cd,Cu,Zn,Pb) in heavyly polluted JieHe River and its tributaries in Zhaoyuan, Shandong. A reactive transport model will be developed by incorporating multicomponent kinetic reaction modules into existing water quality model. The model will have the capability of predicting fate and behavior of heavy metals in water and sediment under varying environmental conditions and will be used to support the scentific decision making for remediation and restoration of heavy metal contaminated streams and rivers. Data collection and field survey will be carried out to establish the baseline hydrologic conditions of the studied watershed. Advection-dispersion parameters in the reactive transport model will be obtained from in situ conservative tracer experiments. Synoptic sampling and chemical speciation of water and sediments will be performed at different sites along the stream reaches during critical low flow season. Response of stream water quality to heavy metal loading from various point and non-point sources in the watershed will be analyzed based on the sampling results. Multicomponent kinetic reaction model will be employed to describe the results of kinetic batch experiments and to quantify the retention and release rate of heavy metals from contaminated sediment at different pH and oxidation-reduction states. A one dimensional steady state reactive transport model of heavy metals in water-sediment of JieHe River and its tributaries will be developed based on the results from tracer experiment, synoptic sampling, and kinetic batch studies. The baseline numerical model will be used in combination with scenario analysis to establish management and remedaition plans for restoration of JieHe Watershed.

本项目将以受到重金属（砷、铬、镉、铜、锌、铅）严重污染的山东招远界河及其主要支流为典型案例，基于多组分动力学反应理论，结合原位和室内实验获取模型实测参数，建立能够准确模拟不同环境条件下水-沉积物中重金属行为和归趋的反应迁移模型，为河流重金属污染的科学治理决策服务。具体计划如下：在现有水质模型基础上，耦合多组分动力学反应模块，开发形成河流重金属反应迁移模型；应用模型中的溶质运移模块拟合原位示踪试验结果，获得河流对流弥散参数；在关键季节进行全局采样，分析污染源、水体和沉积物中重金属的化学形态与空间分布，建立模型输入和验证数据集；应用多组分动力学模型模拟批量动力学实验结果，确定不同pH和氧化还原条件下沉积物中重金属吸收和释放速率；在示踪试验、全局采样及动力学实验形成的模型参数基础上，建立一维稳态多组分动力学反应迁移模型，确定界河流域重金属污染源汇关系；应用模型进行情景分析，提出污染河流治理建议。

本项目以受到重金属（砷、铬、镉、铜、锌、铅）严重污染的山东招远界河及其主要支流为典型案例，基于多组分动力学反应理论，结合原位和室内实验获取模型实测参数，建立能够准确模拟不同环境条件下水-沉积物中重金属行为和归趋的反应迁移模型，为河流重金属污染的科学治理决策服务。主要成果与结论如下：.1、金矿开采产生的大量尾矿废石的风化氧化，以及受到严重污染的沉积物在环境条件变化后的释放，是重金属污染的主要来源。河道中砷的地球化学反应过程大致可以分为以下三个阶段：（1）黄铁矿（FeS2）和其他含砷矿物的风化氧化造成砷和二价铁等释放；（2）当超过水铁矿的溶解度时，风化氧化释放的铁发生沉淀作用;（3）最后水铁矿通过脱水作用产生针铁矿和赤铁矿。水体中的As通过吸附、共沉淀等作用再次吸持在水铁矿、针铁矿和赤铁矿等矿物的表面。.2、动力学释放实验表明不同类型沉积物中重金属都有明显释放，释放速率受pH影响较大。As的释放量主要受其在沉积物中赋存形态的影响，释放的As量仅占沉积物总含As量的一小部分。平衡-动力学反应迁移模型可以很好模拟重金属动力学释放过程，在快速释放阶段由平衡反应位点和动力学反应位点共同控制，之后长时间持续释放由动力学反应位点控制的。不同pH条件下的释放反应表明沉积物与淋洗液之间发生了酸碱中和反应，造成了多种重金属的大量释放。.3、应用WASP模型能够准确模拟保守性示踪物质（锂和溴）在河水和沉积物孔隙水中的迁移过程，也能够模拟重金属Zn和As溶解态和总量的分布。基于模型计算得到上游河段Zn和As的日污染负荷量分别为13.2和0.64kg. .4、根据调查和模拟结果，上游罗山河段4km位置和下游17.6km位置是河流重金属的主要污染源，需要重点治理。由于不同河段存在不同反应机理，需要分别采用不同治理措施，其中上游主要是对尾矿废石的治理，下游则需要清理严重污染的沉积物。研究建立的模型可以对不同污染修复方案进行评估，提供污染治理的科学决策支持。.