河流環(huán)境中泥沙對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響研究

張兵

（鄭州澍青醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 鄭州 450011）

河流環(huán)境中泥沙對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響研究

張兵

（鄭州澍青醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 鄭州 450011）

河流環(huán)境中的泥沙是污染物遷移轉(zhuǎn)化的主要媒介。分析了泥沙在河流水環(huán)境污染中的作用，針對(duì)河流中泥沙污染物遷移轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，分析了泥沙吸附與解吸的主要模式及影響因素，探討了泥沙對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化特性和遷移轉(zhuǎn)化模型的影響。

河流環(huán)境；泥沙；污染物；遷移轉(zhuǎn)化；吸附作用；解吸作用

0 引言

河流是人類(lèi)文明的主要環(huán)境基礎(chǔ)條件。人類(lèi)的生存與發(fā)展從根本上依賴于對(duì)水的獲取和控制。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的不斷加快，人們對(duì)水資源的需求量不斷增加。與此同時(shí)，排入江河湖泊的廢水量也不斷增加。大量的工業(yè)廢水、生活污水等流入江河湖泊，使河流水體受到污染。水體污染不但對(duì)工、農(nóng)、漁等行業(yè)產(chǎn)生危害，還對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民群眾生活產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。

治理被污染的水環(huán)境和防止水資源進(jìn)一步被污染是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題［1］。泥沙是河流中的重要媒介，它們跟隨水流前進(jìn)、沉浮，不僅參與了對(duì)河床的塑造，還攜帶各種物質(zhì)、影響各種物質(zhì)在水環(huán)境中的狀態(tài)與進(jìn)程［2］。因此，在河流污染控制方面，河流泥沙的環(huán)境效應(yīng)必須受到重視。

1 河流水環(huán)境的污染特性

河流水環(huán)境由水、各種介質(zhì)、水生生物及底泥構(gòu)成，其中包括各種污染物和泥沙。懸移質(zhì)泥沙和底泥是污染物的重要載體。因此，河流泥沙可以作為水環(huán)境污染的指示劑［3］，反映水質(zhì)狀況。

1．1 河流水環(huán)境中的主要污染物

河流中量大而廣的主要污染物是耗氧的有機(jī)物，危害最大的是重金屬和難降解的有機(jī)物［4～6］。有機(jī)物污染的指標(biāo)COD和BOD越高，表示水體污染越嚴(yán)重。溶解氧（DO）濃度也是衡量水質(zhì)狀況的常用指標(biāo)，（DO）值越低，表明有機(jī)物污染越嚴(yán)重。

1．2 河流污染物的存在形式

河流污染物的存在形式主要有懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)和溶解物質(zhì)。懸浮物質(zhì)大部分來(lái)源于坡面侵蝕與溝渠匯流，包括一些重金屬；膠體物質(zhì)主要是各種有機(jī)物，水體中有機(jī)物的生物部分；溶解物質(zhì)主要是一些溶于水的鹽類(lèi)和溶解氣體。這些物質(zhì)的存在都與河流泥沙有關(guān)。要了解河流污染物的傳播擴(kuò)散遷移規(guī)律，就必然要關(guān)注河流泥沙的作用影響。

2 泥沙在河流水環(huán)境中的作用

河流水體本身都具有的凈化污染物的能力，這種自凈作用需要一定的時(shí)間、空間和媒介。河流泥沙就是主要的媒介之一。

2．1 泥沙的環(huán)境效應(yīng)

泥沙在河流中起著十分活躍和積極的作用。河床沖淤變化、河道演變、河流水環(huán)境質(zhì)量都與其有關(guān)。泥沙在河流環(huán)境中所起的作用通常分為5個(gè)方面：（1）在河流、湖泊系統(tǒng)中，泥沙顆粒通過(guò)對(duì)有機(jī)污染物、重金屬離子等的吸附及解吸作用，改變了污染物在水相與固相（泥沙顆粒）間的賦存狀態(tài)。同時(shí)，它們還通過(guò)在泥沙顆粒表面產(chǎn)生多種物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，影響污染物的轉(zhuǎn)化過(guò)程。（2）泥沙與水流都是污染物的載體。隨著泥沙在水環(huán)境中的輸移，與泥沙結(jié)合的污染物也在水環(huán)境中被遷移轉(zhuǎn)化，從而影響水生態(tài)環(huán)境的狀態(tài)。（3）吸附污染物的泥沙有可能進(jìn)入水生生物食物鏈，引起污染物的生物富集作用。（4）泥沙的存在使得水體處于渾濁狀態(tài)，透明度降低，影響水環(huán)境區(qū)域的生態(tài)景觀。（5）泥沙淤積所導(dǎo)致的河道、水庫(kù)防洪能力降低，有可能造成洪水淹沒(méi)區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)破壞。

2．2 泥沙的吸附作用

3．2．1 吸附模式

泥沙不規(guī)則的礦物質(zhì)表面能夠附著一定量的污染物質(zhì)或微生物。污染物從溶解態(tài)向基于泥沙的吸附態(tài)的轉(zhuǎn)移稱(chēng)為泥沙吸附。泥沙顆粒的吸附過(guò)程分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附主要與泥沙的比表面積（面積／重量）有關(guān)。泥沙粒徑越小、比表面積越大，所含活性成分就越多，有機(jī)物或重金屬吸附量也越大?；瘜W(xué)吸附與泥沙顆粒組成物質(zhì)所含的活性成分有關(guān)。

通常，吸附效應(yīng)可用向含有污染物的水溶液中加入定量沉積物，測(cè)定溶液中污染物的減少量與原有含量比來(lái)表示，其計(jì)算式如式（1）所示。

式中：fx為吸附效應(yīng)；Cx、Ci分別為加入沉積物前、后溶液中污染物濃度，mg／L。

吸附效應(yīng)與水體的pH值和泥沙沉積物的組成有關(guān)。泥沙的吸附模式可以采用平衡吸附等溫線和吸附動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述，并由此建立泥沙吸附量與吸附時(shí)間的相關(guān)方程。目前應(yīng)用較多的吸附方程為L(zhǎng)angmuir-Freandish模型［7］，其表達(dá)式如式（2）所示。

式中：CS為顆粒相上吸附質(zhì)的平衡吸附量，mg／g；Ce為水相中吸附質(zhì)的平衡濃度，mg／L；Sm為泥沙對(duì)污染物的最大吸附量，mg／g；kl為等溫吸附系數(shù)，n為吸附指數(shù)（常數(shù)）。

泥沙吸附對(duì)污染物生物的降解過(guò)程也可用生物降解動(dòng)力學(xué)模型（一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）表示，如式（3）所示。

式中：k′為污染物生物降解一級(jí)反應(yīng)綜合速率系數(shù)，是生物降解一級(jí)反應(yīng)速率系數(shù)k′b與泥沙對(duì)污染物衰減影響速率系數(shù)k′s之和，即k′=（k′b+k′s）；L為t時(shí)刻有機(jī)污染物濃度；t為時(shí)間。

若初始條件t=0，L=L0，式（3）可表示為式（4）。

該式只適用于低濃度的污染物生物降解過(guò)程。

從目前的研究看，懸移質(zhì)泥沙的存在增大了水體中有機(jī)污染物的生物降解速率，有利于污染物的生物降解。在含高濃度有機(jī)污染物的水沙體系中，泥沙粒徑對(duì)污染物的生物降解過(guò)程的影響比較小［8］。

3．2．2 影響泥沙吸附作用的因素分析

吸附作用是泥沙與污染物的相互吸引過(guò)程。影響吸附主體泥沙的主要因素有含沙量、粒徑和礦物質(zhì)組成。影響被吸附物與吸附環(huán)境的主要因素有污染物種類(lèi)、濃度，流場(chǎng)紊動(dòng)強(qiáng)度、溫度和pH值等。

（1）含沙量對(duì)吸附作用的影響。對(duì)不同含沙量的流場(chǎng)觀測(cè)表明，雖然有機(jī)污染物的生物降解趨勢(shì)基本一致，但水體中懸移質(zhì)的存在會(huì)增大污染物的生物降解速率。如圖1～圖2所示的實(shí)測(cè)資料顯示，隨著含沙量的增大，生物降解量也會(huì)增大，污染物濃度則會(huì)降低。泥沙對(duì)重金屬的吸附容量也有類(lèi)似變化特點(diǎn)。即，在水流強(qiáng)度和污染物濃度相同的條件下，水體中重金屬濃度隨含沙量增大而降低。泥沙的吸附容量隨含沙量增大而增強(qiáng)，但增加速率會(huì)逐漸降低，吸附容量最終趨于常數(shù)。在水沙體系中，水相中的污染物與泥沙中的污染物之間存在動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，一般而言，泥沙對(duì)污染物的吸附平衡時(shí)間會(huì)隨含沙量的增大而減少［9］。

（2）粒徑對(duì)吸附作用的影響。泥沙粒徑與吸附強(qiáng)度成反比，隨著粒徑增大，泥沙吸附量、吸附速率、分配系數(shù)都會(huì)減小，但各粒徑之間不存在干擾［10］。極細(xì)顆粒的比表面積大、有絮凝作用，所以吸附能力特別強(qiáng)。因此，有些污染河流中水庫(kù)的壩前淤積物中，污染物濃度相對(duì)較高。

（3）顆粒的礦物組成和流場(chǎng)的pH值對(duì)泥沙吸附作用的影響。顆粒的礦物組成和流場(chǎng)的pH值都會(huì)影響顆粒表面的電荷（即影響雙電層的擴(kuò)散層電位引起的范德華力），從而影響顆粒的聚凝作用和分散作用。通過(guò)影響顆粒的聚凝作用可提高泥沙吸附效果，通過(guò)影響顆粒分散作用可降低泥沙吸附效果。污染物的初始濃度對(duì)泥沙平衡吸附量具有一定影響，如重金屬初始濃度增加，泥沙平衡吸附量就顯著增大。水流的紊動(dòng)強(qiáng)度影響污染物的擴(kuò)散運(yùn)移狀態(tài)，水溫影響有機(jī)污染物的生命過(guò)程。當(dāng)然，紊流結(jié)構(gòu)、流速也通過(guò)影響顆粒的懸浮、沉降、起動(dòng)、上揚(yáng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)控制泥沙的吸附效果［9］。

（4）水溫對(duì)泥沙吸附作用的影響。若淮河某支流以總磷為主要污染物指標(biāo)，懸移質(zhì)中值粒徑為0．0302 mm，相距51 km的2個(gè)水文站A站與B站的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料如表1所示。由表1可以看出，水體溫度對(duì)于泥沙吸附磷酸鹽有重要影響，水溫升高，含沙量增加，泥沙的吸附量也增加，污染物濃度則降低。

圖1 含沙量對(duì)BOD降解過(guò)程的影響（D≤0．008mm）Fig．1 The effect of sediment concentration to BOD degradation process(D≤0.008mm)

圖2 某河總磷與含沙量變化關(guān)系Fig．2 The relation between TP and sediment concentration in a river

表1 某河兩水文站水質(zhì)及含水量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of water quality and concentration of two stations in a river

2．3 泥沙的解吸作用

3．3．1 解吸模式

污染物從基于泥沙的吸附態(tài)向溶解態(tài)的轉(zhuǎn)移稱(chēng)為泥沙解吸過(guò)程。泥沙解吸過(guò)程包括底泥中污染物的釋放和懸浮泥沙吸附污染物的釋放。按照河流的紊動(dòng)特征，可將泥沙解吸分為2類(lèi)：（1）當(dāng)水體紊動(dòng)微弱時(shí)，底泥（床沙）基本不起浮，底泥的釋放以孔隙水污染物向上擴(kuò)散遷移為主，釋放過(guò)程主要與污染物濃度及其環(huán)境梯度、擴(kuò)散通量、上覆水寄宿時(shí)間及水深有關(guān)。（2）當(dāng)水體紊動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，床沙與懸沙發(fā)生動(dòng)態(tài)交換，泥沙解吸除了床沙中污染物釋放外，還包括從富含污染物的床沙轉(zhuǎn)換為懸移質(zhì)的過(guò)程中懸浮泥沙的解吸，這對(duì)水中污染物的濃度影響很大［10］。

通常，解吸效應(yīng)可用含有污染物的底泥向水中釋放污染物的數(shù)量與底泥中污染物原有含量之比來(lái)表示，如式（5）所示。

式中：fy為解吸效應(yīng)；Cy、Ci分別表示底泥中污染物向水中釋放前、后的含量，mg／L。

泥沙解吸和吸附在一定條件下是可逆的過(guò)程。因此，它們具有形式相似的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。解吸過(guò)程通常用吸附模式的動(dòng)力學(xué)方程（如Langmuir模型、Freundlich模型等）進(jìn)行描述。在研究吸附和解吸的過(guò)程中，F(xiàn)reundlich模型中的吸附系數(shù)k1和解吸系數(shù)k2是有差異的，污染物性質(zhì)和環(huán)境因子對(duì)它們的影響也十分顯著。徐南妮通過(guò)對(duì)湘江株洲段重金屬吸附動(dòng)力學(xué)特征影響因素的研究表明［11］：泥沙對(duì)鎘（Cd）的吸附速率系數(shù)k1= 2．71×10-3～9．07×10-3L／s，解吸速率系數(shù)k2=3．11×10-6～1．83×10-5L／s。并且，吸附速率系數(shù)和解吸速率系數(shù)對(duì)水溫與含沙量的變化十分敏感。當(dāng)水溫由25℃上升到35℃時(shí)，k1值就從6．39×10-3L／s增加到81．6L／s；懸移質(zhì)含沙量由0．3kg／m3增加0．2kg／m3時(shí)，k1值就由2．53× 10-4L／s增加到5．49L／s，變幅十分巨大。因此，在使用Freundlich這類(lèi)模型時(shí)，要十分謹(jǐn)慎。

2．3.2 影響泥沙解吸污染物的主要因素

影響泥沙解吸污染物的主要因素有：水體紊動(dòng)強(qiáng)度、含沙量、污染物濃度、泥沙粒徑、沉積物厚度、水體溫度和pH值等。（1）水體紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)泥沙解吸污染物的影響。水流紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)懸移質(zhì)濃度、挾沙力和床沙交換具有決定性作用，從而也影響污染物的解吸和遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程。污染物的解吸釋放過(guò)程主要表現(xiàn)為，在水動(dòng)力的擾動(dòng)下，加速底泥污染物釋放、底泥被沖懸起后的污染物釋放和懸移質(zhì)吸附態(tài)污染物的轉(zhuǎn)移。所以，紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)污染物釋放有重要影響。流速、含沙量和重金屬釋放之間通常存在正相關(guān)關(guān)系，水流紊動(dòng)強(qiáng)度提高、含沙量增加，會(huì)造成沉積物中重金屬釋放量增大。提高沉積物上層水的紊動(dòng)擴(kuò)散強(qiáng)度，會(huì)增大表層沉積物間隙水中重金屬的濃度梯度，表層以下沉積物中重金屬的釋放強(qiáng)度也會(huì)得到提高。周孝德等人指出，重金屬釋放濃度與水流雷諾數(shù)為正相關(guān)關(guān)系。（2）含沙量和泥沙粒徑對(duì)泥沙解吸污染物的影響。試驗(yàn)和研究表明，不同粒徑泥沙解吸能力的差異很大。與吸附能力不同，泥沙解吸污染物的能力與泥沙粒徑為正相關(guān)關(guān)系。粗顆粒泥沙的吸附能力弱、解吸能力強(qiáng)，細(xì)顆粒泥沙則相反。在不同粒徑泥沙共存的解吸體系中，不同粒徑的泥沙互不干擾，總的剩余吸附量等于各粒徑獨(dú)自存在的加權(quán)和［12］。2002～2003年對(duì)三峽庫(kù)區(qū)河段進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，懸移質(zhì)泥沙對(duì)水中各種覆存形態(tài)的磷污染物濃度具有顯著影響。泥沙對(duì)磷的吸附量與含沙量、泥沙粒徑有密切關(guān)系。Langmuir方程對(duì)吸附解吸過(guò)程進(jìn)行的擬合表明，吸附速率系數(shù)k1隨泥沙粒徑增加呈遞增變化，而磷酸鹽飽和吸附量（解吸量）隨泥沙濃度和粒徑增加呈遞減（遞增）變化，解吸速率系數(shù)k2值隨著泥沙粒徑的增加而呈遞增變化［13］，具體情況如表2所示。（3）沉積物厚度對(duì)泥沙解吸污染物的影響。沉積物厚度對(duì)污染物釋放的影響受到間隙水中污染物垂向梯度的作用。根據(jù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，沉積物中重金屬釋放的有效厚度為4 cm［14］。由于懸移質(zhì)含沙量與泥沙解吸總量成正比，在疏浚河道或水庫(kù)時(shí)，要特別注意控制懸移質(zhì)濃度和淤積物粒徑。

表2 懸移質(zhì)泥沙對(duì)磷污染物的解吸特性Tab.2 desorption feature of suspended load sediment to Phosphorus pollutant

3 泥沙對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響

3．1 考慮泥沙影響的污染物遷移轉(zhuǎn)化特性

污染物在河流中的遷移轉(zhuǎn)化形式很多：有溶解態(tài)和懸移態(tài)污染物的對(duì)流擴(kuò)散，有沉積態(tài)污染物隨床沙的推移，有溶解態(tài)污染物被泥沙吸附向顆粒態(tài)轉(zhuǎn)移，有懸移態(tài)和沉積態(tài)吸附污染物的解吸，有伴隨床沙與懸移質(zhì)動(dòng)態(tài)交換的污染物遷移，有生物攝取、富集、微生物轉(zhuǎn)化，還有河流中污染物通過(guò)液面進(jìn)入空氣的氣態(tài)遷移。與泥沙運(yùn)動(dòng)相關(guān)的污染物遷移轉(zhuǎn)化模式有：懸移對(duì)流擴(kuò)散，隨床沙推移，泥沙吸附（水溶態(tài)污染物向顆粒態(tài)轉(zhuǎn)移），懸移態(tài)和沉積態(tài)泥沙解吸，床沙與懸移質(zhì)交換引起的污染物遷移等。河流污染物受水沙運(yùn)動(dòng)影響的遷移轉(zhuǎn)化，具有以下3種過(guò)程特征：（1）污染物在底泥（床沙）和水體之間的交換。隨著河床沖淤變化，與泥沙緊密相關(guān)的污染物在流場(chǎng)的空間位置隨之變換。（2）污染物在水沙兩相之間發(fā)生交換。在泥沙的吸附和解吸過(guò)程中，客體污染物改變了它們的存在方式，客體與主體泥沙之間的關(guān)系也隨之改變。（3）污染物沿程輸移。跟隨水沙運(yùn)動(dòng)，吸附在泥沙上的污染物也隨之被輸運(yùn)至下游。這3種過(guò)程相互影響、各有特點(diǎn)，但都是通過(guò)泥沙影響河流環(huán)境中污染物的存在狀態(tài)。

吸附在懸移質(zhì)與推移質(zhì)上的污染物總體上隨水流輸移，也有部分隨著部分運(yùn)動(dòng)泥沙沉降床面而遷移入底泥中。隨著一些床沙在水流沖刷下的起動(dòng)或上揚(yáng)，底泥中的污染物隨泥沙再遷移轉(zhuǎn)化為懸浮狀態(tài)。污染物的沉降、再懸浮和運(yùn)動(dòng)過(guò)程與水流泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)。因此，可以運(yùn)用河流動(dòng)力學(xué)原理，根據(jù)泥沙顆粒與污染物的相互關(guān)系，進(jìn)一步探尋水沙體系中污染物的交換遷移過(guò)程以及污染物的隨流輸移運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

在一定程度上，泥沙吸附污染物的垂向和縱向遷移擴(kuò)散過(guò)程可視為河流動(dòng)力學(xué)過(guò)程與吸附、解吸過(guò)程的疊加。床沙與懸沙動(dòng)態(tài)交換過(guò)程對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響是決定水沙體系中污染物傳播的主要機(jī)制。

3．2 考慮泥沙影響的污染物遷移轉(zhuǎn)化模型

研究河流中泥沙運(yùn)動(dòng)與污染物遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，可以從河流動(dòng)力學(xué)角度入手，同時(shí)考慮污染物的物理、化學(xué)及生物特性。如圖3所示，取一漸變流微分河段dx為控制體。設(shè)該河段的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為A，河寬為B，斷面平均流速為U，來(lái)流含沙量與河段水流挾沙能力分別為S和S*，y0為床面可沖刷層的厚度，Ab為床面變形區(qū)的面積。水流中的懸移質(zhì)泥沙與推移質(zhì)泥沙不斷地通過(guò)該河段形成對(duì)流輸移。同時(shí)，在該河段內(nèi)，污染物還因泥沙淤積床面引起沉降遷移、因床面泥沙沖刷引起擴(kuò)散遷移。

圖3 河流縱剖面示意圖Fig.3 River profile

3．2．1 吸附態(tài)污染物的遷移轉(zhuǎn)化模型

吸附在泥沙上的污染物在河流中的遷移轉(zhuǎn)化包括隨流輸移、懸移態(tài)與床沙態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，當(dāng)然還有吸附態(tài)與溶解態(tài)間的交換。基于研究河段污染物的質(zhì)量守恒原理，可以建立吸附態(tài)污染物的遷移轉(zhuǎn)化方程，如式（6）所示。

式中：CS為單位質(zhì)量懸移質(zhì)泥沙吸附污染物的質(zhì)量；α為恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速，m／s；Dx為縱向離散系數(shù)；kα為單位時(shí)間、單位質(zhì)量泥沙吸附量的變化率；Ck為斷面平均泥沙吸附量。

當(dāng)從床面上沖刷揚(yáng)起泥沙的污染物吸附量大于懸移質(zhì)泥沙的吸附量時(shí)，水環(huán)境中的污染物就增加，這時(shí)，底泥就是河流水環(huán)境中的二次污染源。反之，如果懸沙吸附能力大于沖刷泥沙吸附量，相對(duì)干凈的底泥則又會(huì)被沖起進(jìn)入水中，擔(dān)當(dāng)起凈化劑的角色。

3．2．2 重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模型

河流中重金屬是一種重要的污染物，泥沙也是它的主要載體。重金屬與泥沙的遷移轉(zhuǎn)化模式也可以利用河流動(dòng)力學(xué)原理，基于質(zhì)量守恒來(lái)反映。有關(guān)化學(xué)遷移過(guò)程則可以用化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理來(lái)處理?；诖耍S歲梁［12］提出了河流重金屬遷移轉(zhuǎn)化一維數(shù)學(xué)模型［4］，如式（7）所示。

式中：U和C分別為斷面平均流速和重金屬濃度；A，Ab和L分別為河流過(guò)水面積，對(duì)應(yīng)河床變形面積和濕周；N為懸移質(zhì)對(duì)重金屬的單位吸附量；Nb為底泥對(duì)重金屬的單位吸附量；Ex、Exs分別為水相重金屬和泥沙的綜合縱向擴(kuò)散系數(shù)，ρ′為泥沙干容重。

該方程適用于推移質(zhì)輸移量較小、可以忽略的條件下。

在研究重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模式時(shí)，可采用分相模型或整體模型。分相模型從質(zhì)量守恒原理出發(fā)，分別對(duì)水體中污染物的溶解態(tài)、懸浮態(tài)和沉積態(tài)建立控制方程。在分相模型中，采用以吸附態(tài)污染物為主體的方式，對(duì)污染物的每種形態(tài)分別建立對(duì)流擴(kuò)散方程。在控制方程中，將泥沙的作用處理為影響項(xiàng)，通過(guò)綜合項(xiàng)對(duì)泥沙沉降-懸浮進(jìn)行概化。整體模型也是從質(zhì)量守恒原理出發(fā)的，但它將溶解態(tài)、懸浮吸附態(tài)和推移吸附態(tài)污染物均納入一個(gè)方程中來(lái)體現(xiàn)，采用平衡輸沙模式，如周孝德提出的河流中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的一維整體模型［13，15］，其控制方程如式（8）所示。

式中：Cw為溶解態(tài)重金屬濃度；u為流速；Ex為綜合擴(kuò)散系數(shù)；h為水深；a為推移質(zhì)厚度；Ca1、Ca2分別為單位重量懸移質(zhì)、推移質(zhì)對(duì)重金屬的吸附量；Ca3為單位面積底泥的吸附量；S1、S2分別為懸移質(zhì)、推移質(zhì)濃度；R為水力半徑。

該模式假定推移質(zhì)和底泥對(duì)重金屬的吸附符合平衡吸附條件。根據(jù)簡(jiǎn)化后的定解條件，可以求得平衡輸沙條件下方程的解析解或數(shù)值解。但是，在泥沙污染物的遷移模擬中，泥沙不平衡輸送引起底泥沉積（淤積）或者再懸?。_刷），對(duì)于泥沙吸附解吸污染物過(guò)程和水質(zhì)變化具有重要影響。所以，采用不平衡泥沙輸移與泥沙吸附解吸模式結(jié)合的方式建立的模型應(yīng)該更加合理。

4 結(jié)語(yǔ)

河流水環(huán)境污染是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。河流環(huán)境中的泥沙是污染物遷移轉(zhuǎn)化的主要媒介，研究污染物在河流水沙系統(tǒng)中的傳播、擴(kuò)散、遷移規(guī)律，特別是受泥沙影響的污染物遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，有助于更全面地了解河流水環(huán)境污染的特點(diǎn)，并更加有效地加以防治。

［1］ 黃潤(rùn)華，賈振邦．環(huán)境學(xué)基礎(chǔ)教程［M］．北京：高等教育出版社，1997：140-144．

［2］ 陳靜生，周家義．中國(guó)水環(huán)境重金屬研究［M］．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1992：108-114．

［3］ 方濤，張曉華，肖邦定，等．水體懸移質(zhì)對(duì)重金屬吸附規(guī)律研究［J］．長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2001，10（2）：187-188．

［4］ 黃歲梁，萬(wàn)兆惠，張朝陽(yáng)．泥沙粒徑對(duì)重金屬污染物吸附影響的研究［J］．水利學(xué)報(bào)，1994，25（10）：54-55．

［5］ 黃歲梁．泥沙解吸重金屬污染物動(dòng)力學(xué)模式研究［J］．地理學(xué)報(bào)，1995，50（6）：497-499．

［6］ 何用，李義天．重金屬遷移轉(zhuǎn)化模型研究［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2004，15（5）：576-583．

［7］ 遲杰，黃國(guó)蘭，熊振湖．pH對(duì)五氯酚在水體懸浮顆粒物上吸附行為的影響［J］．天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，9 （1）：1-2．

［8］ 李崇明，趙文謙，羅麟．河流泥沙對(duì)石油的吸附、解吸規(guī)律及影響因素的研究［J］．中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1997，17（1）：23-26．

［9］ 黃文典．河流懸移質(zhì)對(duì)污染物吸附及生物降解影響試驗(yàn)研究［D］．成都：四川大學(xué)，2005：51-100．

［10］黃歲梁，萬(wàn)兆惠．河流泥沙吸附-解吸重金屬污染物試驗(yàn)研究現(xiàn)狀［J］．水利水電科技進(jìn)展，1995，15（2）：27-31．

［11］徐南妮．主要環(huán)境因子對(duì)重金屬吸附動(dòng)力學(xué)特征的影響［J］．環(huán)境科學(xué)情報(bào)，1986（1）：15-24．

［12］黃歲梁，萬(wàn)兆惠，張朝陽(yáng)．沖積河流重金屬污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型研究［J］．水利學(xué)報(bào)，1995，26（1）：48-54．

［13］王曉青，李哲，呂平毓，等．三峽庫(kù)區(qū)懸移質(zhì)泥沙對(duì)磷污染物的吸附解吸特性［J］．長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2007，16 （1）：33-35．

［14］周孝德．渭河泥沙對(duì)重金屬污染物吸附的實(shí)驗(yàn)研究［J］．水利學(xué)報(bào)，1993，24（7）：32-37．

［15］周孝德，黃廷林，唐允吉．河流底流中重金屬釋放的水流紊動(dòng)效應(yīng)［J］．水利學(xué)報(bào)1994，25（11）：50-55．

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Research on Effect of River Environment Sediment to Pollutant Migration and Transformation

Zhang Bing
（Zhengzhou Shuqing Medical College，Zhengzhou 450011，Henan，China）

The river environment sediment is the main medium of pollutant migration and transformation．It analyzes the effect of sediment in river water environment pollution．According to the phenomenon of river environment sediment pollutant migration and transformation，it also analyzes the main models and effect factors of sediment adsorption and desorption，discusses the effect of sediment to pollutant migration and transformation feature and model．

River environment；sediment；pollutant；migration and transformation；adsorption and desorption

TV213．5

A

10．13681／j．cnki．cn41-1282／tv．2017．02．004

2017-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：黃河下游洪水泥沙調(diào)控技術(shù)與造床機(jī)理（51079055）。

張兵(1976-)，男，河南鄭州人，助理工程師，主要從事土木工程及水利環(huán)境的研究工作。