水动力驱动下多介质系统中镉的植物富集动力学模型构建与机制解析

针对水-沉积物-植物系统中重金属迁移转化的水动力调控机制不明问题，研究人员通过环形水槽实验结合多相动力学模型，揭示了镉(Cd)在动态条件下的分布规律。研究发现水动力强度与Cd再吸附程度呈负相关，植物富集系数达0.22-0.25；提出基于人工神经网络(ANN)改进的植物富集因子(PEF)模型(r2 0.96)，为湿地重金属修复提供理论工具。

　　

水生生态系统正面临重金属污染的严峻挑战，其中镉(Cd)因其剧毒性和环境持久性成为焦点。不同于氧化还原敏感金属，Cd在pH 4-9范围内保持稳定水相形态，易通过水文循环扩散。沉积物-水界面的Cd吸附-解吸动态受水动力条件显著影响，而现有植物修复模型如生物浓缩因子(BCF)框架常忽略水动力与植物生物效应的耦合作用。这种认知缺口导致动态环境下重金属风险评估的偏差，亟需建立多介质系统的定量分析模型。

同济大学研究人员Sha Lou团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表研究，通过环形水槽模拟实验结合多相动力学建模，系统解析了水动力条件下Cd在水-沉积物-植物系统中的迁移转化规律。实验采用外径100 cm的有机玻璃环形水槽，设置10 cm沉积层和植被覆盖，通过控制流速模拟不同水动力条件(C1静态对照，C2-C4梯度流速)。结合伪二级动力学模型、植物富集因子(PEF)和人工神经网络(ANN)分析，定量揭示了Cd的跨介质迁移机制。

主要技术方法

1. 环形水槽系统模拟不同流速条件(0-0.35 m/s)
2. 伪一级/伪二级动力学模型拟合Cd解吸过程
3. 植物-沉积物分配系数定量富集效率
4. 人工神经网络(ANN)识别多介质非线性关系
5. 改进型PEF模型构建与验证

研究结果
Experiment setup and sample collection
实验装置实现沉积物-植物系统的水动力精确控制，流速梯度显著影响Cd的界面迁移。

Results
静态组(C1)水-沉积物分配系数最低，而水动力组(C2-C4)显示8小时内出现解吸峰后发生再吸附，流速与再吸附程度呈负相关(r=-0.82)。植物富集系数在实验末期达0.22-0.25，表明水动力促进长期富集。

Desorption kinetic models from sediment to water
伪二级动力学模型最佳拟合Cd解吸过程(r²

0.97)，速率常数k₂
随流速增加而升高，证实水动力加速界面传质。

Conclusion
研究首次量化了水动力-植物协同作用下的Cd跨介质迁移：1) 水动力强度通过剪切力改变根际边界层，使Michaelis常数K_m
波动58%；2) 传统PEF模型(r²
<0.77)低估动态条件下的富集效率，ANN改进模型(r²

0.96)成功捕捉非线性关系；3) 植物生物作用优势随实验进程增强，证实其在水动力环境中的生态修复潜力。

该研究建立的改进PEF框架突破了静态模型的局限，为湿地重金属修复提供了流速依赖的量化工具。通过揭示水动力-植物-重金属的三元相互作用，不仅完善了生物地球化学循环理论，更为动态水域的精准环境管理提供了方法论支持，对优化流域保护策略具有重要实践价值。