河流环境中泥沙对污染物迁移转化的影响研究

张兵

（郑州澍青医学高等专科学校，河南 郑州 450011）

河流环境中泥沙对污染物迁移转化的影响研究

张兵

（郑州澍青医学高等专科学校，河南 郑州 450011）

河流环境中的泥沙是污染物迁移转化的主要媒介。分析了泥沙在河流水环境污染中的作用，针对河流中泥沙污染物迁移转化现象，分析了泥沙吸附与解吸的主要模式及影响因素，探讨了泥沙对污染物迁移转化特性和迁移转化模型的影响。

河流环境；泥沙；污染物；迁移转化；吸附作用；解吸作用

0 引言

河流是人类文明的主要环境基础条件。人类的生存与发展从根本上依赖于对水的获取和控制。随着经济的增长和城市化进程的不断加快，人们对水资源的需求量不断增加。与此同时，排入江河湖泊的废水量也不断增加。大量的工业废水、生活污水等流入江河湖泊，使河流水体受到污染。水体污染不但对工、农、渔等行业产生危害，还对经济社会发展和人民群众生活产生巨大的负面影响。

治理被污染的水环境和防止水资源进一步被污染是当前迫切需要解决的问题［1］。泥沙是河流中的重要媒介，它们跟随水流前进、沉浮，不仅参与了对河床的塑造，还携带各种物质、影响各种物质在水环境中的状态与进程［2］。因此，在河流污染控制方面，河流泥沙的环境效应必须受到重视。

1 河流水环境的污染特性

河流水环境由水、各种介质、水生生物及底泥构成，其中包括各种污染物和泥沙。悬移质泥沙和底泥是污染物的重要载体。因此，河流泥沙可以作为水环境污染的指示剂［3］，反映水质状况。

1．1 河流水环境中的主要污染物

河流中量大而广的主要污染物是耗氧的有机物，危害最大的是重金属和难降解的有机物［4～6］。有机物污染的指标COD和BOD越高，表示水体污染越严重。溶解氧（DO）浓度也是衡量水质状况的常用指标，（DO）值越低，表明有机物污染越严重。

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悬浮物质、胶体物质和溶解物质。悬浮物质大部分来源于坡面侵蚀与沟渠汇流，包括一些重金属；胶体物质主要是各种有机物，水体中有机物的生物部分；溶解物质主要是一些溶于水的盐类和溶解气体。这些物质的存在都与河流泥沙有关。要了解河流污染物的传播扩散迁移规律，就必然要关注河流泥沙的作用影响。

2 泥沙在河流水环境中的作用

河流水体本身都具有的净化污染物的能力，这种自净作用需要一定的时间、空间和媒介。河流泥沙就是主要的媒介之一。

2．1 泥沙的环境效应

泥沙在河流中起着十分活跃和积极的作用。河床冲淤变化、河道演变、河流水环境质量都与其有关。泥沙在河流环境中所起的作用通常分为5个方面：（1）在河流、湖泊系统中，泥沙颗粒通过对有机污染物、重金属离子等的吸附及解吸作用，改变了污染物在水相与固相（泥沙颗粒）间的赋存状态。同时，它们还通过在泥沙颗粒表面产生多种物理、化学和生物反应，影响污染物的转化过程。（2）泥沙与水流都是污染物的载体。随着泥沙在水环境中的输移，与泥沙结合的污染物也在水环境中被迁移转化，从而影响水生态环境的状态。（3）吸附污染物的泥沙有可能进入水生生物食物链，引起污染物的生物富集作用。（4）泥沙的存在使得水体处于浑浊状态，透明度降低，影响水环境区域的生态景观。（5）泥沙淤积所导致的河道、水库防洪能力降低，有可能造成洪水淹没区生态环境系统破坏。

2．2 泥沙的吸附作用

3．2．1 吸附模式

泥沙不规则的矿物质表面能够附着一定量的污染物质或微生物。污染物从溶解态向基于泥沙的吸附态的转移称为泥沙吸附。泥沙颗粒的吸附过程分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要与泥沙的比表面积（面积／重量）有关。泥沙粒径越小、比表面积越大，所含活性成分就越多，有机物或重金属吸附量也越大。化学吸附与泥沙颗粒组成物质所含的活性成分有关。

通常，吸附效应可用向含有污染物的水溶液中加入定量沉积物，测定溶液中污染物的减少量与原有含量比来表示，其计算式如式（1）所示。

式中：fx为吸附效应；Cx、Ci分别为加入沉积物前、后溶液中污染物浓度，mg／L。

吸附效应与水体的pH值和泥沙沉积物的组成有关。泥沙的吸附模式可以采用平衡吸附等温线和吸附动力学方程来描述，并由此建立泥沙吸附量与吸附时间的相关方程。目前应用较多的吸附方程为Langmuir-Freandish模型［7］，其表达式如式（2）所示。

式中：CS为颗粒相上吸附质的平衡吸附量，mg／g；Ce为水相中吸附质的平衡浓度，mg／L；Sm为泥沙对污染物的最大吸附量，mg／g；kl为等温吸附系数，n为吸附指数（常数）。

泥沙吸附对污染物生物的降解过程也可用生物降解动力学模型（一级反应动力学）表示，如式（3）所示。

式中：k′为污染物生物降解一级反应综合速率系数，是生物降解一级反应速率系数k′b与泥沙对污染物衰减影响速率系数k′s之和，即k′=（k′b+k′s）；L为t时刻有机污染物浓度；t为时间。

若初始条件t=0，L=L0，式（3）可表示为式（4）。

该式只适用于低浓度的污染物生物降解过程。

从目前的研究看，悬移质泥沙的存在增大了水体中有机污染物的生物降解速率，有利于污染物的生物降解。在含高浓度有机污染物的水沙体系中，泥沙粒径对污染物的生物降解过程的影响比较小［8］。

3．2．2 影响泥沙吸附作用的因素分析

吸附作用是泥沙与污染物的相互吸引过程。影响吸附主体泥沙的主要因素有含沙量、粒径和矿物质组成。影响被吸附物与吸附环境的主要因素有污染物种类、浓度，流场紊动强度、温度和pH值等。

（1）含沙量对吸附作用的影响。对不同含沙量的流场观测表明，虽然有机污染物的生物降解趋势基本一致，但水体中悬移质的存在会增大污染物的生物降解速率。如图1～图2所示的实测资料显示，随着含沙量的增大，生物降解量也会增大，污染物浓度则会降低。泥沙对重金属的吸附容量也有类似变化特点。即，在水流强度和污染物浓度相同的条件下，水体中重金属浓度随含沙量增大而降低。泥沙的吸附容量随含沙量增大而增强，但增加速率会逐渐降低，吸附容量最终趋于常数。在水沙体系中，水相中的污染物与泥沙中的污染物之间存在动态平衡关系，一般而言，泥沙对污染物的吸附平衡时间会随含沙量的增大而减少［9］。

（2）粒径对吸附作用的影响。泥沙粒径与吸附强度成反比，随着粒径增大，泥沙吸附量、吸附速率、分配系数都会减小，但各粒径之间不存在干扰［10］。极细颗粒的比表面积大、有絮凝作用，所以吸附能力特别强。因此，有些污染河流中水库的坝前淤积物中，污染物浓度相对较高。

（3）颗粒的矿物组成和流场的pH值对泥沙吸附作用的影响。颗粒的矿物组成和流场的pH值都会影响颗粒表面的电荷（即影响双电层的扩散层电位引起的范德华力），从而影响颗粒的聚凝作用和分散作用。通过影响颗粒的聚凝作用可提高泥沙吸附效果，通过影响颗粒分散作用可降低泥沙吸附效果。污染物的初始浓度对泥沙平衡吸附量具有一定影响，如重金属初始浓度增加，泥沙平衡吸附量就显著增大。水流的紊动强度影响污染物的扩散运移状态，水温影响有机污染物的生命过程。当然，紊流结构、流速也通过影响颗粒的悬浮、沉降、起动、上扬等运动状态来控制泥沙的吸附效果［9］。

（4）水温对泥沙吸附作用的影响。若淮河某支流以总磷为主要污染物指标，悬移质中值粒径为0．0302 mm，相距51 km的2个水文站A站与B站的水质监测资料如表1所示。由表1可以看出，水体温度对于泥沙吸附磷酸盐有重要影响，水温升高，含沙量增加，泥沙的吸附量也增加，污染物浓度则降低。

图1 含沙量对BOD降解过程的影响（D≤0．008mm）Fig．1 The effect of sediment concentration to BOD degradation process(D≤0.008mm)

图2 某河总磷与含沙量变化关系Fig．2 The relation between TP and sediment concentration in a river

表1 某河两水文站水质及含水量统计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

污染物从基于泥沙的吸附态向溶解态的转移称为泥沙解吸过程。泥沙解吸过程包括底泥中污染物的释放和悬浮泥沙吸附污染物的释放。按照河流的紊动特征，可将泥沙解吸分为2类：（1）当水体紊动微弱时，底泥（床沙）基本不起浮，底泥的释放以孔隙水污染物向上扩散迁移为主，释放过程主要与污染物浓度及其环境梯度、扩散通量、上覆水寄宿时间及水深有关。（2）当水体紊动较强时，床沙与悬沙发生动态交换，泥沙解吸除了床沙中污染物释放外，还包括从富含污染物的床沙转换为悬移质的过程中悬浮泥沙的解吸，这对水中污染物的浓度影响很大［10］。

通常，解吸效应可用含有污染物的底泥向水中释放污染物的数量与底泥中污染物原有含量之比来表示，如式（5）所示。

式中：fy为解吸效应；Cy、Ci分别表示底泥中污染物向水中释放前、后的含量，mg／L。

泥沙解吸和吸附在一定条件下是可逆的过程。因此，它们具有形式相似的动力学基础。解吸过程通常用吸附模式的动力学方程（如Langmuir模型、Freundlich模型等）进行描述。在研究吸附和解吸的过程中，Freundlich模型中的吸附系数k1和解吸系数k2是有差异的，污染物性质和环境因子对它们的影响也十分显著。徐南妮通过对湘江株洲段重金属吸附动力学特征影响因素的研究表明［11］：泥沙对镉（Cd）的吸附速率系数k1= 2．71×10-3～9．07×10-3L／s，解吸速率系数k2=3．11×10-6～1．83×10-5L／s。并且，吸附速率系数和解吸速率系数对水温与含沙量的变化十分敏感。当水温由25℃上升到35℃时，k1值就从6．39×10-3L／s增加到81．6L／s；悬移质含沙量由0．3kg／m3增加0．2kg／m3时，k1值就由2．53× 10-4L／s增加到5．49L／s，变幅十分巨大。因此，在使用Freundlich这类模型时，要十分谨慎。

2．3.2 影响泥沙解吸污染物的主要因素

影响泥沙解吸污染物的主要因素有：水体紊动强度、含沙量、污染物浓度、泥沙粒径、沉积物厚度、水体温度和pH值等。（1）水体紊动强度对泥沙解吸污染物的影响。水流紊动强度对悬移质浓度、挟沙力和床沙交换具有决定性作用，从而也影响污染物的解吸和迁移、转化过程。污染物的解吸释放过程主要表现为，在水动力的扰动下，加速底泥污染物释放、底泥被冲悬起后的污染物释放和悬移质吸附态污染物的转移。所以，紊动强度对污染物释放有重要影响。流速、含沙量和重金属释放之间通常存在正相关关系，水流紊动强度提高、含沙量增加，会造成沉积物中重金属释放量增大。提高沉积物上层水的紊动扩散强度，会增大表层沉积物间隙水中重金属的浓度梯度，表层以下沉积物中重金属的释放强度也会得到提高。周孝德等人指出，重金属释放浓度与水流雷诺数为正相关关系。（2）含沙量和泥沙粒径对泥沙解吸污染物的影响。试验和研究表明，不同粒径泥沙解吸能力的差异很大。与吸附能力不同，泥沙解吸污染物的能力与泥沙粒径为正相关关系。粗颗粒泥沙的吸附能力弱、解吸能力强，细颗粒泥沙则相反。在不同粒径泥沙共存的解吸体系中，不同粒径的泥沙互不干扰，总的剩余吸附量等于各粒径独自存在的加权和［12］。2002～2003年对三峡库区河段进行的现场监测与室内试验研究表明，悬移质泥沙对水中各种覆存形态的磷污染物浓度具有显著影响。泥沙对磷的吸附量与含沙量、泥沙粒径有密切关系。Langmuir方程对吸附解吸过程进行的拟合表明，吸附速率系数k1随泥沙粒径增加呈递增变化，而磷酸盐饱和吸附量（解吸量）随泥沙浓度和粒径增加呈递减（递增）变化，解吸速率系数k2值随着泥沙粒径的增加而呈递增变化［13］，具体情况如表2所示。（3）沉积物厚度对泥沙解吸污染物的影响。沉积物厚度对污染物释放的影响受到间隙水中污染物垂向梯度的作用。根据静态实验研究，沉积物中重金属释放的有效厚度为4 cm［14］。由于悬移质含沙量与泥沙解吸总量成正比，在疏浚河道或水库时，要特别注意控制悬移质浓度和淤积物粒径。

表2 悬移质泥沙对磷污染物的解吸特性Tab.2 desorption feature of suspended load sediment to Phosphorus pollutant

3 泥沙对污染物迁移转化的影响

3．1 考虑泥沙影响的污染物迁移转化特性

污染物在河流中的迁移转化形式很多：有溶解态和悬移态污染物的对流扩散，有沉积态污染物随床沙的推移，有溶解态污染物被泥沙吸附向颗粒态转移，有悬移态和沉积态吸附污染物的解吸，有伴随床沙与悬移质动态交换的污染物迁移，有生物摄取、富集、微生物转化，还有河流中污染物通过液面进入空气的气态迁移。与泥沙运动相关的污染物迁移转化模式有：悬移对流扩散，随床沙推移，泥沙吸附（水溶态污染物向颗粒态转移），悬移态和沉积态泥沙解吸，床沙与悬移质交换引起的污染物迁移等。河流污染物受水沙运动影响的迁移转化，具有以下3种过程特征：（1）污染物在底泥（床沙）和水体之间的交换。随着河床冲淤变化，与泥沙紧密相关的污染物在流场的空间位置随之变换。（2）污染物在水沙两相之间发生交换。在泥沙的吸附和解吸过程中，客体污染物改变了它们的存在方式，客体与主体泥沙之间的关系也随之改变。（3）污染物沿程输移。跟随水沙运动，吸附在泥沙上的污染物也随之被输运至下游。这3种过程相互影响、各有特点，但都是通过泥沙影响河流环境中污染物的存在状态。

吸附在悬移质与推移质上的污染物总体上随水流输移，也有部分随着部分运动泥沙沉降床面而迁移入底泥中。随着一些床沙在水流冲刷下的起动或上扬，底泥中的污染物随泥沙再迁移转化为悬浮状态。污染物的沉降、再悬浮和运动过程与水流泥沙运动状态紧密关联。因此，可以运用河流动力学原理，根据泥沙颗粒与污染物的相互关系，进一步探寻水沙体系中污染物的交换迁移过程以及污染物的随流输移运动的规律。

在一定程度上，泥沙吸附污染物的垂向和纵向迁移扩散过程可视为河流动力学过程与吸附、解吸过程的叠加。床沙与悬沙动态交换过程对污染物迁移转化的影响是决定水沙体系中污染物传播的主要机制。

3．2 考虑泥沙影响的污染物迁移转化模型

研究河流中泥沙运动与污染物迁移转化的规律，可以从河流动力学角度入手，同时考虑污染物的物理、化学及生物特性。如图3所示，取一渐变流微分河段dx为控制体。设该河段的过水断面面积为A，河宽为B，断面平均流速为U，来流含沙量与河段水流挟沙能力分别为S和S*，y0为床面可冲刷层的厚度，Ab为床面变形区的面积。水流中的悬移质泥沙与推移质泥沙不断地通过该河段形成对流输移。同时，在该河段内，污染物还因泥沙淤积床面引起沉降迁移、因床面泥沙冲刷引起扩散迁移。

图3 河流纵剖面示意图Fig.3 River profile

3．2．1 吸附态污染物的迁移转化模型

吸附在泥沙上的污染物在河流中的迁移转化包括随流输移、悬移态与床沙态之间的转换，当然还有吸附态与溶解态间的交换。基于研究河段污染物的质量守恒原理，可以建立吸附态污染物的迁移转化方程，如式（6）所示。

式中：CS为单位质量悬移质泥沙吸附污染物的质量；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速，m／s；Dx为纵向离散系数；kα为单位时间、单位质量泥沙吸附量的变化率；Ck为断面平均泥沙吸附量。

当从床面上冲刷扬起泥沙的污染物吸附量大于悬移质泥沙的吸附量时，水环境中的污染物就增加，这时，底泥就是河流水环境中的二次污染源。反之，如果悬沙吸附能力大于冲刷泥沙吸附量，相对干净的底泥则又会被冲起进入水中，担当起净化剂的角色。

3．2．2 重金属的迁移转化模型

河流中重金属是一种重要的污染物，泥沙也是它的主要载体。重金属与泥沙的迁移转化模式也可以利用河流动力学原理，基于质量守恒来反映。有关化学迁移过程则可以用化学动力学原理来处理。基于此，黄岁梁［12］提出了河流重金属迁移转化一维数学模型［4］，如式（7）所示。

式中：U和C分别为断面平均流速和重金属浓度；A，Ab和L分别为河流过水面积，对应河床变形面积和湿周；N为悬移质对重金属的单位吸附量；Nb为底泥对重金属的单位吸附量；Ex、Exs分别为水相重金属和泥沙的综合纵向扩散系数，ρ′为泥沙干容重。

该方程适用于推移质输移量较小、可以忽略的条件下。

在研究重金属的迁移转化模式时，可采用分相模型或整体模型。分相模型从质量守恒原理出发，分别对水体中污染物的溶解态、悬浮态和沉积态建立控制方程。在分相模型中，采用以吸附态污染物为主体的方式，对污染物的每种形态分别建立对流扩散方程。在控制方程中，将泥沙的作用处理为影响项，通过综合项对泥沙沉降-悬浮进行概化。整体模型也是从质量守恒原理出发的，但它将溶解态、悬浮吸附态和推移吸附态污染物均纳入一个方程中来体现，采用平衡输沙模式，如周孝德提出的河流中重金属迁移转化的一维整体模型［13，15］，其控制方程如式（8）所示。

式中：Cw为溶解态重金属浓度；u为流速；Ex为综合扩散系数；h为水深；a为推移质厚度；Ca1、Ca2分别为单位重量悬移质、推移质对重金属的吸附量；Ca3为单位面积底泥的吸附量；S1、S2分别为悬移质、推移质浓度；R为水力半径。

该模式假定推移质和底泥对重金属的吸附符合平衡吸附条件。根据简化后的定解条件，可以求得平衡输沙条件下方程的解析解或数值解。但是，在泥沙污染物的迁移模拟中，泥沙不平衡输送引起底泥沉积（淤积）或者再悬浮（冲刷），对于泥沙吸附解吸污染物过程和水质变化具有重要影响。所以，采用不平衡泥沙输移与泥沙吸附解吸模式结合的方式建立的模型应该更加合理。

4 结语

河流水环境污染是一个亟待解决的问题。河流环境中的泥沙是污染物迁移转化的主要媒介，研究污染物在河流水沙系统中的传播、扩散、迁移规律，特别是受泥沙影响的污染物迁移转化的规律，有助于更全面地了解河流水环境污染的特点，并更加有效地加以防治。

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[责任编辑 杨明庆]

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

国家自然科学基金资助项目：黄河下游洪水泥沙调控技术与造床机理（51079055）。

张兵(1976-)，男，河南郑州人，助理工程师，主要从事土木工程及水利环境的研究工作。