河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響

翟 亮，金 鑫，陳伯儉，張 祺

（1.邯鄲市市政排水管理處，河北 邯鄲 056002；2.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.邯鄲市市政公用事業(yè)投資集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056002；4.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

河流懸浮顆粒物是指河流上覆水中粒徑介于0.45～63 μm之間的顆粒狀物質(zhì)，長久以來人們以“泥沙”的概念來描述這一顆粒狀物質(zhì)，特別重視其“數(shù)量”并重點(diǎn)關(guān)注了泥沙的水利學(xué)意義［1，2］。近年來隨著河流水環(huán)境問題的凸顯，人們更多的以“懸浮顆粒物”的概念來描述這一物質(zhì)，特別重視其“質(zhì)量”并重點(diǎn)關(guān)注了懸浮顆粒物的環(huán)境意義［3］。懸浮顆粒物與水是河流輸運(yùn)的重要物質(zhì)，水是懸浮顆粒物運(yùn)移的介質(zhì)，懸浮顆粒物在河流水中承受著復(fù)雜的物理（水動(dòng)力）以及化學(xué)（水環(huán)境）風(fēng)化作用［4］。物理以及化學(xué)風(fēng)化作用影響下懸浮顆粒物的表觀特征是最先發(fā)生響應(yīng)的重要方面，其所進(jìn)一步引發(fā)的懸浮顆粒物運(yùn)動(dòng)特征及對(duì)污染物吸附解吸附能力的改變會(huì)對(duì)眾多污染物在流域水生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響［5］。

懸浮顆粒物的表觀特征主要是指其表面微觀形貌的復(fù)雜程度，目前針對(duì)顆粒物表觀特征的描述主要基于主觀的定性描述，亦或是基于顆粒物表面圖像建立技術(shù)分析體系對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述（表面的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、微結(jié)構(gòu)地形以及微球狀曲率）［6，7］。然而這些方法雖然能夠?qū)︻w粒物表觀特征進(jìn)行描述，但不同河流之間懸浮顆粒物表觀特征的對(duì)比以及導(dǎo)致表觀特征差異的水環(huán)境及水動(dòng)力特征目前沒有有效的方法予以揭示。針對(duì)懸浮顆粒物的結(jié)構(gòu)，有相關(guān)學(xué)者將其劃分為外部的有機(jī)裹層與內(nèi)部的無機(jī)礦物，而微觀形貌的復(fù)雜程度是外部有機(jī)裹層的直觀呈現(xiàn)［8］，對(duì)顆粒物表觀特征的描述可以用有機(jī)裹層的量來定性表征，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮顆粒物表觀形貌差異的定量識(shí)別，從而進(jìn)一步揭示水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響［9］。

本文以海河流域牛尾河以及灤河為研究對(duì)象，探究不同水環(huán)境及水動(dòng)力條件下懸浮顆粒物的微觀形貌差異，并采用風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)從定量的角度明確水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異對(duì)懸浮顆粒物特征的影響。本文對(duì)于深入理解河流懸浮顆粒物的環(huán)境意義具有重要的支撐作用，特別是在重污染緩流河流中，懸浮顆粒物表觀特征差異所引發(fā)的懸浮顆粒物運(yùn)動(dòng)特征改變及其環(huán)境效應(yīng)需引起人們足夠的重視。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文選擇海河流域的牛尾河以及灤河為研究對(duì)象。牛尾河屬于海河流域子牙河水系，起源于邢臺(tái)市區(qū)，全長約39 km，周邊土地利用類型以城市用地和農(nóng)田為主。牛尾河地處的華北平原水資源匱乏、降雨量少，同時(shí)人口眾多、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活躍［10］，主要承接沿岸的污水廠排水及城鎮(zhèn)與農(nóng)田的面源污染匯入，是典型的污水補(bǔ)給型排污河，主要污染物的COD和氨氮［11］。灤河屬于海河流域?yàn)春铀?，起源于河北豐寧縣，流經(jīng)山區(qū)與平原最終于樂亭入渤海，其中灤河平原段河道寬闊，多呈辮狀發(fā)育［12］。與牛尾河相比，灤河水資源量充沛，年凈流量占海河流域的1/5，同時(shí)水質(zhì)較好，普遍達(dá)到III類水標(biāo)準(zhǔn)［13］。

1.2 樣品采集與處理

對(duì)牛尾河以及灤河平原段進(jìn)行廣泛踏查，為突出兩條河流水環(huán)境及水動(dòng)力典型特征，選擇牛尾河N點(diǎn)（114.770°E，37.172°N）及灤河L 點(diǎn)（118.823°E，39.801°N）為樣品采集點(diǎn)位，于旱季（12月）某日午時(shí)采集兩個(gè)采樣點(diǎn)河流中線處的上覆水為化學(xué)風(fēng)化模擬用水，利用有機(jī)玻璃管采集河流中線處表層2 cm 的沉積物并置于自封袋中。采用ultrameter-II 及LGY-II 測定采樣點(diǎn)水質(zhì)基本特征（溫度、電導(dǎo)率、pH、流速等），利用HACH COD測定儀測定上覆水COD濃度。

1.3 樣品分析方法

（1）天然及自生懸浮顆粒物制取。首先去除表層2 cm 沉積物中的樹枝，石子等較大非顆粒狀雜質(zhì)，隨后將表層沉積物置于定性濾紙上并將濾紙置于30目金屬篩網(wǎng)中，整體置于烘箱中（25 ℃）直至完全烘干，將干樣粉末狀沉積物取出，經(jīng)250 目篩網(wǎng)過濾后獲得的顆粒物即可代表天然懸浮顆粒物樣品［14］。采用高溫狀態(tài)下的強(qiáng)氧化劑以及強(qiáng)酸去除天然懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層獲得自生懸浮顆粒物。將一定量的天然懸浮顆粒物采用少量多次的6%過氧化氫溶液處理，同時(shí)利用電磁爐加熱至不再產(chǎn)生氣泡。在煮沸狀態(tài)下少量多次加入適量的優(yōu)級(jí)純HCl溶液并持續(xù)攪動(dòng)直至氣泡消失。利用去離子水反復(fù)多次沖洗顆粒物并利用0.45 μm 濾膜過濾樣品，最后置于烘箱（25 ℃）中直至完全烘干［15］。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖（以實(shí)驗(yàn)組1為例）Fig.1 Flow chart of the experiment（Experiment 1）

（2）有機(jī)裹層定量表征。天然懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層會(huì)在高溫下分解，然而過高的溫度以及過長的時(shí)間則會(huì)造成內(nèi)部無機(jī)礦物的損失。采用燒失量（LOI）的測定實(shí)現(xiàn)對(duì)天然懸浮顆粒物表面有機(jī)裹層的定量表征，利用質(zhì)量法測定馬弗爐（550 ℃，6 h）處理前后天然懸浮顆粒物的質(zhì)量差，并據(jù)此計(jì)算燒失量［16］。

（3）風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)置磁力攪拌器的攪拌速度來模擬不同的水動(dòng)力條件，采用不同河流的上覆水來模擬不同的水環(huán)境條件，以探究懸浮顆粒物在面對(duì)不同物理及化學(xué)風(fēng)化條件下有機(jī)裹層的變化情況［17］。

實(shí)驗(yàn)組1：選擇牛尾河自生懸浮顆粒物樣品為溶質(zhì)及牛尾河過濾后水樣為溶劑，利用燒杯配置6 個(gè)1 L 5 g/L 的溶液并用保鮮膜封口，將6 個(gè)燒杯分別置于6 臺(tái)磁力攪拌器上，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速（50、100、200、300、500和1 000 r/min）以模擬不同的水動(dòng)力環(huán)境。磁力攪拌器運(yùn)行5 天后停止并利用0.45 μm 濾膜過濾溶液，烘干濾膜并測定懸浮顆粒物的燒失量L1。考慮到濾膜內(nèi)部殘存的懸浮顆粒物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的潛在影響，利用對(duì)照組實(shí)驗(yàn)（牛尾河上覆水替換為去離子水）測定各燒杯中的懸浮顆粒物燒失量L2，定義Z1=L1-L2 為牛尾河懸浮顆粒物有機(jī)裹層的含量。其他實(shí)驗(yàn)組參照表1實(shí)施。

表1 化學(xué)與物理風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.1 Design table for chemical and physical weathering simulation experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 牛尾河與灤河水環(huán)境、水動(dòng)力特征及懸浮顆粒物表觀特征差異

表2為牛尾河與灤河的水環(huán)境及水動(dòng)力特征，我們以COD和COND 指標(biāo)來表征河流的污染水平，可以看出牛尾河的COD與COND 值高于灤河，表明牛尾河的污染水平高于灤河。以流速及流量來表征河流的水動(dòng)力條件，可以看出牛尾河的水動(dòng)力條件弱，灤河的水動(dòng)力條件強(qiáng)。綜上，牛尾河與灤河在水環(huán)境及水動(dòng)力特征上差異明顯，形成鮮明對(duì)比。

表2 牛尾河與灤河水環(huán)境及水動(dòng)力特征差異Tab.2 The difference of water environment and hydrodynamic characteristics between Niuwei river and Luanhe river

灤河與牛尾河天然懸浮顆粒物與自生懸浮顆粒物的表觀特征如圖2所示，我們發(fā)現(xiàn)灤河與牛尾河的自生懸浮顆粒物表面均未被有機(jī)裹層所覆蓋，表面棱角分明，呈現(xiàn)內(nèi)部無機(jī)礦物的特征。而灤河的天然懸浮顆粒物與牛尾河的天然懸浮顆粒物呈現(xiàn)不同的表觀特征，灤河天然懸浮顆粒物覆蓋較少的有機(jī)裹層，內(nèi)部的無機(jī)礦物顆粒裸露在外，而牛尾河天然懸浮顆粒物外表被有機(jī)裹層完全覆蓋，呈現(xiàn)更為復(fù)雜的表觀特征。

圖2 天然懸浮顆粒物與自生懸浮顆粒物掃描電鏡圖Fig.2 Microtopography of natural SPM and autogenous SPM

2.2 化學(xué)與物理風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層主要由有機(jī)物構(gòu)成，由于表觀特征難以定量，因此采用懸浮顆粒物的燒失量來定量表征其有機(jī)裹層的負(fù)載量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的定量識(shí)別。不同水環(huán)境及水動(dòng)力條件對(duì)牛尾河自生懸浮顆粒物的影響如圖3（a）所示。我們發(fā)現(xiàn)牛尾河自生懸浮顆粒物的有機(jī)裹層負(fù)載量因水環(huán)境及水動(dòng)力條件的不同而不同。相同水動(dòng)力條件、不同水環(huán)境條件下，較差的水質(zhì)造成了更多的有機(jī)裹層負(fù)載量。在相同水環(huán)境條件、不同水動(dòng)力條件下，自生懸浮顆粒物會(huì)因水環(huán)境條件的不同呈現(xiàn)不同的響應(yīng)結(jié)果。在面對(duì)牛尾河較差水環(huán)境條件時(shí)，隨著水動(dòng)力條件增強(qiáng)懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸增多，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到300 r/min 時(shí)，有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最大值1.32%，隨后隨著轉(zhuǎn)速增加有機(jī)裹層負(fù)載量驟減至最小值0.49%。在面對(duì)灤河較好水環(huán)境條件時(shí)，隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng)，其有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸減少，在轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)，其有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最小值0.08%。

不同水環(huán)境條件及水動(dòng)力條件對(duì)灤河自生懸浮顆粒物的影響如圖3（b）所示。我們發(fā)現(xiàn)灤河自生懸浮顆粒物的有機(jī)裹層負(fù)載量因水環(huán)境及水動(dòng)力條件的不同而不同。在相同水動(dòng)力條件、不同水環(huán)境條件下，較差的水質(zhì)造成灤河自生懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量較多。我們發(fā)現(xiàn)在面對(duì)牛尾河較差水環(huán)境條件時(shí)，灤河自生懸浮顆粒物隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng)其有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸增多，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min 時(shí)，有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最大值1.24%，隨后隨著轉(zhuǎn)速的增高有機(jī)裹層負(fù)載量驟減，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min 時(shí)，LOI降低至最小值0.42%。在面對(duì)灤河較好水環(huán)境條件下，灤河自生懸浮顆粒物隨著轉(zhuǎn)速的增高有機(jī)裹層的負(fù)載量逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最小值0.04%。

相同水環(huán)境條件不同水動(dòng)力條件對(duì)牛尾河天然懸浮顆粒物的影響如圖3（c）所示。我們發(fā)現(xiàn)在較好的水環(huán)境條件下，牛尾河天然懸浮顆粒物隨著轉(zhuǎn)速的增高其有機(jī)裹層的負(fù)載量從最高值3.12%逐漸降低至最小值0.12%。

圖3 不同水環(huán)境及水動(dòng)力條件下懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載情況Fig.3 Organic coating load of SPM under different water environments and hydrodynamic conditions

3 討 論

3.1 河流水環(huán)境條件對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響

通過牛尾河與灤河天然懸浮顆粒物表觀特征的對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)牛尾河懸浮顆粒物在較差的水環(huán)境及水動(dòng)力條件下微觀形貌較為復(fù)雜，外部被厚厚的有機(jī)裹層包裹。而灤河懸浮顆粒物在較好的水環(huán)境及水動(dòng)力條件下微觀形貌較為簡單，呈現(xiàn)內(nèi)部無機(jī)礦物的特征。這一現(xiàn)象引發(fā)了我們對(duì)懸浮顆粒物表觀特征變化原因的猜測，水環(huán)境條件的差異是否是造成懸浮顆粒物表觀特征差異的主要原因。通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3（a）與圖3（b）所示，我們發(fā)現(xiàn)無論是牛尾河還是灤河的自生懸浮顆粒物，在面臨較差的水環(huán)境條件（牛尾河上覆水）時(shí)，顆粒物的LOI均較較好水環(huán)境條件（灤河上覆水）高，表明水環(huán)境條件對(duì)有機(jī)裹層的附著起到了重要的作用。懸浮顆粒物是包括有機(jī)物在內(nèi)的眾多物質(zhì)在水體中輸移的重要載體，一方面其內(nèi)部的無機(jī)礦物顆粒能夠在范德華力的作用下對(duì)周圍水體中的有機(jī)物產(chǎn)生一定的吸附作用，實(shí)現(xiàn)一部分有機(jī)裹層的負(fù)載［18］。另一方面，水體中的氮、磷、微生物以及藻類也會(huì)附著在懸浮顆粒物上，微生物產(chǎn)生的胞外聚合物對(duì)水體中的眾多物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用，從而進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)裹層的附著［19］。在水環(huán)境條件較差的河流中往往含有大量的有機(jī)物、氮、磷、藻類以及死亡的動(dòng)植物殘?bào)w，為懸浮顆粒物負(fù)載有機(jī)裹層提供了基礎(chǔ)的水環(huán)境條件［20］。

3.2 河流水動(dòng)力條件對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響

通過相同水環(huán)境條件，不同水動(dòng)力條件自生懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量的變化我們發(fā)現(xiàn)水動(dòng)力也是影響懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載的重要因素。圖3（a）與圖3（b）揭示了水動(dòng)力條件逐漸增強(qiáng)的過程中自生懸浮顆粒物有機(jī)裹層的負(fù)載量會(huì)經(jīng)歷先增高后減小的趨勢，這表明在一定范圍內(nèi)（300 r/min 以內(nèi)）水動(dòng)力條件的增強(qiáng)能夠促進(jìn)自生懸浮顆粒物與周邊水體中各類物質(zhì)的交換，有利于有機(jī)裹層的附著，但隨著水動(dòng)力條件的繼續(xù)增強(qiáng)（300 r/min 以上），水流的剪切力能夠?qū)腋☆w粒物表面有機(jī)裹層的附著產(chǎn)生負(fù)面影響［21］。圖3（c）的結(jié)果則進(jìn)一步說明了在相同水環(huán)境條件下，水動(dòng)力條件是影響懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載的關(guān)鍵因素，天然懸浮顆粒物在較好水環(huán)境條件下隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng)其有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸降低，特別是當(dāng)水動(dòng)力條件達(dá)到一定程度后（300 r/min），有機(jī)裹層的負(fù)載量驟減。這表明當(dāng)河流水環(huán)境條件較好，無法為懸浮顆粒物的負(fù)載提供有效本底條件時(shí)，水動(dòng)力條件是影響懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量的關(guān)鍵因素［22］。值得一提的是天然懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層負(fù)載量受到河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件的雙重影響，是兩者雙重耦合作用的結(jié)果，而造成河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異的主要原因是河流水資源量及人類活動(dòng)的影響，可見懸浮顆粒物的表觀特征也是河流水資源量及人類活動(dòng)的終端響應(yīng)［23］。與此同時(shí)，在懸浮顆粒物從河流上游向下游輸移的過程中，水環(huán)境及水動(dòng)力條件也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，相應(yīng)的有機(jī)裹層負(fù)載量也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，因此天然懸浮顆粒物的表觀特征在同一條河流也會(huì)有相應(yīng)的差別。

4 結(jié) 論

（1）牛尾河與灤河的水環(huán)境及水動(dòng)力條件形成鮮明對(duì)比，牛尾河水環(huán)境及水動(dòng)力條件差，懸浮顆粒物微觀形貌復(fù)雜，灤河水環(huán)境及水動(dòng)力條件好，懸浮顆粒物微觀形貌較簡單，呈現(xiàn)內(nèi)部無機(jī)礦物的特征。

（2）水環(huán)境條件對(duì)有機(jī)裹層的附著起到了重要的作用，水環(huán)境條件越差，化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng)，越容易在自生懸浮顆粒物表面形成有機(jī)裹層，導(dǎo)致其表觀特征的變化。

（3）水動(dòng)力條件是影響河流懸浮顆粒物表觀特征的重要因素，水動(dòng)力條件差有利于無機(jī)礦物與水中各類物質(zhì)接觸，造成有機(jī)裹層更易于附著在無機(jī)礦物表面，水動(dòng)力條件強(qiáng)，水流會(huì)對(duì)顆粒物表面產(chǎn)生剪切力，從而使增長的有機(jī)裹層難以在無機(jī)礦物表層附著。

（4）河流懸浮顆粒物的表觀特征受到河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件的雙重調(diào)控，是物理風(fēng)化與化學(xué)風(fēng)化共同作用的結(jié)果。