底泥氟释放：冻层对高氟湖库水体影响

吉林省西部地区冬季湖泊结冰，冰层较厚，经2007年1月和2008年1月取样调查和现场测量，冰厚0.5～0.8m，为进一步了解湖泊冻层对水质和氟的影响，2008年1月在洋沙泡水库取样进行室内化学成分分析。根据实验结果分析冻层对洋沙泡水质的影响主要有以下几个方面。

1.水中氟被急剧浓缩

根据实验分析结果，相对于2007年10月25日第5次取样分析结果，2008年1月水中氟急剧加大，冰中氟含量较低。水中氟含量急剧升高不是底泥释放造成的，而是由于湖面结冰造成的。湖面结冰过程中，氟被析出留在水中，所以水中氟含量急剧增大，冰中氟含量较低。对比第5次水样实验结果，2008年1月10日第6次取样分析的氟平均含量是第5次水样的6.16倍，冰样中氟含量仅为第5次取样的0.16倍（表7.1）。水中其他成分也是如此，与第5次取样结果对比，水的矿化度平均值是第5次的5.11倍。冰样的矿化度平均值是第5次取样矿化度的0.103倍，即仅为第5次水样矿化度的十分之一左右。结冰后水中其他化学组分浓缩了约3～8倍（表7.1）。

表7.1　第5次取样与第6次取样分析成果对比表　单位：mg/L

*　第6次水样离子含量与第5次水样同类离子含量之比。
**　第6次冰样离子含量与第5次水样同类离子含量之比。

2.水中氟分布不均

一般来讲湖泊，特别是水深较浅的湖泊由于风动力的影响，一般混合比较均匀，水质差别不大。但结冰后湖水水质中氟含量差别较大，表现为湖泊中部水深较大的地段氟含量相对较低，周边水深相对较小的地段氟含量相对较大。如氟含量值最大的3个取样点（氟含量分别为111.33mg/L、94.54mg/L和79.66mg/L，水深为0.06m、0.13m和0.17m，而冰厚均大于0.6m。其他组分的特点亦是如此，这3点的矿化度分别为17.69g/L、12.85g/L和10.89g/L，均大于10g/L。分析其原因主要是由于结冰是从湖面开始，当湖面结冰后，风动力不再对冰下的水体产生影响，于是水体从紊动扩散运动变成分子扩散运动，所以结冰析出的离子虽然浓度较高，但仅由浓度梯度造成的分子扩散运动的速度是极为缓慢的，所以产生湖泊中氟分布不均匀的现象。

3.考虑冰层影响的水体氟浓度与总水深度关系分析

根据质量守恒定律，如果不考虑其他因素的影响，那么结冰前水体中的氟含量与结冰后水中氟含量和冰层中氟含量之和相等。

式中　c——水体结冰前的氟浓度，mg/L；

Vw，Vi——水体结冰后的水层体积与冰层体积，m3；

V——结冰前湖库的水体积，m3，V=Vi+Vw；(www.xing528.com)

cw，ci——水体结冰后的水层氟浓度与冰层氟浓度，mg/L。

考虑洋沙泡水库近于平底水库，可采用深度表示，有如下近似公式：

式中　c——水体结冰前的氟浓度，mg/L；

hw，hi——水体结冰后的水层厚度与冰层厚度，m；

h——结冰前湖库的水深度，m；

cw，ci——水体结冰后的水层氟浓度与冰层氟浓度，mg/L。

利用2008年1月冬季实测冰层厚度及冰层氟浓度资料，按实测冰层厚度0.80m分析计算了不同水深情况下水层氟浓度的变化情况（图7.10），可以看出，在研究区冬季冰层厚度为0.80m的情况下，当湖泊水库的总水深（冰层厚度与水层厚度之和）小于1.50m时，水体的氟浓度随着水层厚度的减小而急剧增大，这与冬季实测情况基本一致。

图7.10　冰层影响下水体氟浓度与总水深关系曲线

湖泊水库结冰前水体的初始氟浓度不同，冰层对水体氟浓度的影响也不同。总水深度相同时，在冰层影响下，低浓度时水体氟浓度的增加幅度较小，高浓度时水体氟浓度增加的幅度较大。

在冻层影响下，水体氟浓度与总水深度关系比较密切。随着总水深度的增加，冻层对水体氟浓度的影响明显减小，但不同的初始浓度其影响程度有着明显的差异，如图7.10中氟浓度为1.0mg/L，水深1.0m时，则结冰后水中氟浓度为1.5mg/L；初始氟浓度为3.0mg/L，水深为1.0m时，则结冰后水中氟浓度要大于10mg/L。可见随着水中氟初始浓度的增大，水深对结冰后水中氟浓度的影响也明显增大。