河流水動(dòng)力和水環(huán)境對懸浮顆粒物吸附特性的影響研究

李 悅，王立家

(1.深圳市南山區(qū)水務(wù)局，廣東 深圳 518052； 2.中建四局第五建筑工程有限公司，廣東 深圳 518052)

1 概 述

河流生態(tài)系統(tǒng)對人類的漁業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)展以及依托河流進(jìn)行的運(yùn)輸業(yè)有著不可或缺的作用。河流中的物質(zhì)主要可以概括為水和懸浮顆粒物，水與懸浮顆粒物是河流及河流動(dòng)力運(yùn)輸?shù)闹饕镔|(zhì)。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及水環(huán)境問題的凸顯，河流中的懸浮顆粒物開始進(jìn)入人們的視線。在河流生態(tài)系統(tǒng)中，水動(dòng)力和水環(huán)境對懸浮顆粒物的物理與化學(xué)性質(zhì)的影響成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題，通過懸浮顆粒物的物化特征變化進(jìn)一步導(dǎo)致懸浮顆粒物表觀特性改變，使得其對污染物的吸附效果及污染物遷移產(chǎn)生影響[1-4]。倪兆奎[5]以洱海的主要入海河流為研究對象，采用同位素標(biāo)記技術(shù)研究入海河流中的有機(jī)碳及有機(jī)氮來源，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)入海河流的懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)來源不同，且有機(jī)氮、碳在不同季節(jié)的含量也不相同。欒兆坤[6]基于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)室模擬，分析了銅礦酸堿礦水污染的江河流域水和懸浮顆粒物中銅的分配特征，并發(fā)現(xiàn)在被污染的河流域中水合氧化鐵是控制并吸附河流中銅離子的主要懸浮顆粒物。王棟[7]通過采集海河流域的沉積物及懸浮顆粒樣本對河流沉積物及懸浮顆粒物中的重金屬來源進(jìn)行了研究，并采用ICP-MS及ICP-OES方法對其中的重金屬含量進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)不同河流中的懸浮顆粒物重金屬含量要顯著高于沉積物中的重金屬含量。Doug.、GB[8]借助鍶同位素法研究了澳大利亞墨累達(dá)令河流中的懸浮顆粒物來源，發(fā)現(xiàn)不同河流中重金屬元素含量及分布具有一定的差異性，但這種差異性會(huì)隨著水系的匯總而降低。史鵬程[9]分析了降雨影響下的水庫中水體懸浮顆粒物的時(shí)空分布特征與顆粒物影響下的沉降特征，借助自制的沉降物捕獲器與監(jiān)測浮標(biāo)對水庫水體顆粒物進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)水體中的懸浮顆粒物在不同季節(jié)不同位置其分布量均不同。

本文以某河流為例，通過河流動(dòng)力及環(huán)境對懸浮顆粒物造成的影響，揭示懸浮顆粒對水環(huán)境的演變規(guī)律，為類似河流水環(huán)境污染物去除或生態(tài)調(diào)節(jié)提供一定參考依據(jù)。

2 工程概況

河流A橫穿某市中部地區(qū)，主河道長約280 km，流域覆蓋面積達(dá)14 500 km2，為該市的第三大河流。河流A儲水量較為豐富，徑流量年均約8.8×109m3，其主河道的徑流量受季節(jié)影響較大，豐水期多伴有強(qiáng)風(fēng)。河流A也是該市主要的產(chǎn)沙區(qū)，年均河沙輸送量達(dá)2.1×109kg，但輸沙時(shí)段基本集中在5-8月份的豐水期。河流A主要由2條支流構(gòu)成，分別為支流1與支流2，均屬于平原性河流。

河流A所在區(qū)域氣候?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，由于徑流量受季節(jié)影響較大，因此其降雨量與豐水期、枯水期均有明顯的時(shí)空分布特征。該區(qū)域氣溫年平均范圍在18℃～25℃，但受季節(jié)性影響，8月份氣溫最高，平均范圍約為32℃～35℃；12月份最低，平均氣溫約為3℃～5℃。5年年均降雨量為1 586 mm，但4-8月份降雨量占全年降雨量的80%。河流流域內(nèi)分布植物以針葉植物為主，總體植被覆蓋率約為62%。河流A區(qū)域位于揚(yáng)子板塊東南部過渡帶區(qū)域，其地質(zhì)組成主要包含有泥盆紀(jì)、三疊紀(jì)的閃長巖、白云巖，局部含有玄武巖等。

3 研究方法

3.1 樣本采集

為反映河流A的水動(dòng)力及環(huán)境特征，分別對河流A的兩條支流即支流1與支流2進(jìn)行野外踏勘選點(diǎn)，并將支流1與支流2某處定為樣品采集點(diǎn)。再分別于豐水期(8月份)與枯水期(12月份)在兩處采用燒杯至樣品采集點(diǎn)的河流中線處采集河流表面覆水，用以風(fēng)化試驗(yàn)；并使用玻璃管采集同位置下的河流沉積物，密封后置于常溫留存?zhèn)溆?。對取得的水樣及沉積物樣本分別進(jìn)行ultrameter-II與LGY-II試驗(yàn)，對水質(zhì)的溫度、pH、流速等特征進(jìn)行測定，并使用HACH測量儀對水質(zhì)的COD濃度進(jìn)行測定。

3.2 樣本制備

本次試驗(yàn)主要采用風(fēng)化試驗(yàn)方法及質(zhì)量測定法獲取懸浮顆粒物的燒失量LOI，進(jìn)而分析水動(dòng)力及環(huán)境對懸浮顆粒物特性的影響。將試驗(yàn)樣本分為兩部分，分別為天然懸浮顆粒物與自生懸浮顆粒物。二者樣本制備采取同種方法，即去除表層較為明顯的雜物，然后將沉積物靜置于定性濾紙上，將濾紙與沉積物放置在金屬網(wǎng)罩上之后置于烘箱中12 h。此時(shí)樣本呈現(xiàn)出粉末狀，取出樣本過篩后，制得天然或自生懸浮顆粒物樣本。為了防止酸堿性對結(jié)果的影響，將制取的顆粒物放置于3%過氧化氫溶液燒杯中進(jìn)行處理，將燒杯加熱使其無氣泡冒出為止，并在加熱過程中定時(shí)加入一定的HCl溶液攪拌。待處理完畢后，使用超純水進(jìn)行沖洗，再次放于烘箱中烘烤12 h，待完全烘干后裝袋密封留用。

懸浮顆粒物樣品制備完成后，由于在高溫處理下的天然懸浮顆粒物會(huì)產(chǎn)生分解，造成內(nèi)部無機(jī)質(zhì)的損失，需要采用燒失量LOI實(shí)現(xiàn)對懸浮顆粒物表層的裹層進(jìn)行定量分析。因此，本文將其置于550℃的烤爐中烤制6 h，并稱量處理前后的質(zhì)量，根據(jù)差值計(jì)算出天然懸浮顆粒物的燒失量。

為了獲取天然狀態(tài)下的懸浮顆粒物裹層變化，本文還模擬風(fēng)化條件進(jìn)行風(fēng)化試驗(yàn)，見圖1。將等量的制備完成的懸浮顆粒物加入樣本水樣所在的燒杯中，采用攪拌器控制不同的轉(zhuǎn)速來模擬不同水動(dòng)力下的河流動(dòng)力情況，待攪拌完成后，將顆粒物取出置于濾紙上烘干，再次測定燒失量LOI。

圖1 試驗(yàn)方法示意圖

該風(fēng)化試驗(yàn)分為5組。其中，試驗(yàn)組1-4分別為試驗(yàn)組1：支流1懸浮顆粒溶于支流1的水樣；試驗(yàn)組2：支流1懸浮顆粒物溶于支流2的水樣；試驗(yàn)組3：支流2懸浮顆粒物溶于支流1的水樣；試驗(yàn)組4：支流2懸浮顆粒物溶于支流2的水樣；最后一組為對照組，對照組5中設(shè)置為支流1懸浮顆粒物溶于支流2水樣。

4 結(jié)果分析

4.1 水動(dòng)力及水環(huán)境分析

表1為ultrameter-II與LGY-II以及HACH測量儀測定的化學(xué)需氧量COD濃度、電導(dǎo)率COND、流速、流量以及溫度。

表1 支流1與支流2的水動(dòng)力及環(huán)境情況

表1為支流1與支流2的水動(dòng)力及環(huán)境情況，本文分別以化學(xué)需氧量與水體電導(dǎo)率來描述兩條支流的污染情況。從表1數(shù)據(jù)可以看出，支流1的化學(xué)需氧量濃度與電導(dǎo)率明顯高于支流2，因此支流1較支流2污染更為嚴(yán)重。此外，河流流速與流量可表征兩條支流的動(dòng)力情況。從表1數(shù)據(jù)可以看出，支流1的流量與流速低于支流2，因此支流1的水動(dòng)力情況與支流2相比較弱。

4.2 風(fēng)化試驗(yàn)結(jié)果分析

為了定量描述懸浮顆粒物的裹層，采用燒失量LOI進(jìn)行表征。為了便于識別，將4組試驗(yàn)組與1組對照組中的裹層質(zhì)量分別標(biāo)定為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5。通過前文設(shè)置的風(fēng)化試驗(yàn)，測定其燒失量與裹層損失質(zhì)量，并繪制支流1自生懸浮顆粒物燒失量隨水動(dòng)力及環(huán)境變化下的變化示意圖，見圖2。

圖2 支流1自生懸浮顆粒物裹層在不同水動(dòng)力環(huán)境下的變化圖

圖2中，轉(zhuǎn)速表征模擬的水動(dòng)力特征，Z1、Z2分別表征水環(huán)境特征。從圖2中可以看出，支流1中的自生懸浮顆粒物裹層質(zhì)量在不同水動(dòng)力及環(huán)境情況下會(huì)有一定的變化。當(dāng)水動(dòng)力不變的情況下，不同水環(huán)境的自生懸浮顆粒物裹層質(zhì)量相差較大，由于支流1污染效果較支流2嚴(yán)重，因此在水環(huán)境較差的情況下，自生懸浮顆粒物裹層質(zhì)量更大，具備更多的顆粒表面裹層。在水環(huán)境不變的情況下，水動(dòng)力越大，顆粒物對污染物附著效果更小，自生懸浮顆粒物裹層質(zhì)量會(huì)呈現(xiàn)出減小的趨勢。在水環(huán)境較差的情況下，以Z1為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速從50 r/min上升至300 r/min時(shí)，顆粒物裹層質(zhì)量增加至1.35%；但隨著轉(zhuǎn)速增加至1 000 r/min，裹層質(zhì)量下降至0.42%。在水環(huán)境較好的情況下，以Z2為例，顆粒物裹層質(zhì)量呈現(xiàn)出連續(xù)的下降趨勢，從50 r/min時(shí)的0.37%下降至1 000 r/min時(shí)的0.16%。

圖3為支流2中的自生懸浮顆粒物裹層質(zhì)量在不同水動(dòng)力環(huán)境下的變化圖。圖3中，轉(zhuǎn)速表征模擬的水動(dòng)力特征，Z3、Z4分別表征水環(huán)境特征。

圖3 支流2自生懸浮顆粒物裹層在不同水動(dòng)力環(huán)境下的變化圖

從圖3中可以看出，支流2中的自生懸浮顆粒物裹層質(zhì)量同樣隨著環(huán)境與動(dòng)力特征的變化而變化。在水動(dòng)力相同的情況下，較差的水質(zhì)條件會(huì)使得懸浮顆粒物的裹層質(zhì)量大大上升。在水環(huán)境相同的情況下，水動(dòng)力越大，顆粒物對污染物附著效果同樣更小，自生懸浮顆粒物裹層質(zhì)量整體上也會(huì)呈現(xiàn)出減小的趨勢。在水環(huán)境較差的情況下，以Z3為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速從50 r/min上升至300 r/min時(shí)，顆粒物裹層質(zhì)量增加至0.92%；但隨著轉(zhuǎn)速增加至1 000 r/min，裹層質(zhì)量下降至0.39%。在水環(huán)境較好的情況下，以Z4為例，顆粒物裹層質(zhì)量呈現(xiàn)出連續(xù)的下降趨勢，從50 r/min時(shí)的0.23%下降至1 000 r/min時(shí)的0.03%。

圖4為支流1中的天然懸浮顆粒物裹層質(zhì)量在不同水動(dòng)力環(huán)境下的變化圖。從圖4中可以看出，在水質(zhì)較好的情況下，隨著水動(dòng)力的加大，天然懸浮顆粒的裹層質(zhì)量直接從50 r/min時(shí)的3.2%降至0.3%。

圖4 支流1天然懸浮顆粒物裹層在不同水動(dòng)力環(huán)境下的變化圖

上述3種情況表明，水環(huán)境是影響懸浮顆粒物裹層附著效果的主要因素。由于懸浮顆粒物是水中的主要載體之一，其對水中顆粒物的吸附效果一是來源于分子間作用力對水體周圍物質(zhì)的吸附，二是來源于氮、磷、微生物分泌物等物質(zhì)共同作用產(chǎn)生的吸附能力。但水動(dòng)力同樣也是影響懸浮顆粒物裹層附著效果的重要因素之一。隨著水動(dòng)力的增強(qiáng)，水中懸浮顆粒物與水體內(nèi)其他物質(zhì)的交換能力加強(qiáng)，所以在污染較為嚴(yán)重的水體之中，裹層質(zhì)量會(huì)有所上升。但隨著動(dòng)力的進(jìn)一步增強(qiáng)，水流的剪切能力會(huì)使得物質(zhì)之間的交換能力下降。

5 結(jié) 論

本文以某地河流A的兩條支流為對象，通過ultrameter-II與LGY-II及HACH測量儀，分別測量兩條支流的水動(dòng)力及環(huán)境數(shù)據(jù)；采用風(fēng)化試驗(yàn)，測定不同水質(zhì)及不同水動(dòng)力特征下的懸浮顆粒物燒失量，并進(jìn)行研究分析，結(jié)論如下：

1) 水環(huán)境是影響懸浮顆粒物裹層質(zhì)量的主要因素。水質(zhì)環(huán)境越差，其顆粒物裹層質(zhì)量越大，顆粒吸附效果越好。

2) 河流中的水動(dòng)力也是影響懸浮顆粒物裹層質(zhì)量的重要因素。隨著水動(dòng)力的增強(qiáng)，會(huì)加強(qiáng)懸浮顆粒物的吸附能力；但當(dāng)動(dòng)力達(dá)到一定值后，水流的剪切力會(huì)使水體中的物質(zhì)難以附著在懸浮顆粒物表面。