河流水环境及水动力条件差异对悬浮颗粒物表观特征的影响

翟 亮，金 鑫，陈伯俭，张 祺

（1.邯郸市市政排水管理处，河北 邯郸 056002；2.河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；3.邯郸市市政公用事业投资集团有限公司，河北 邯郸 056002；4.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038）

0 引 言

河流悬浮颗粒物是指河流上覆水中粒径介于0.45～63 μm之间的颗粒状物质，长久以来人们以“泥沙”的概念来描述这一颗粒状物质，特别重视其“数量”并重点关注了泥沙的水利学意义［1，2］。近年来随着河流水环境问题的凸显，人们更多的以“悬浮颗粒物”的概念来描述这一物质，特别重视其“质量”并重点关注了悬浮颗粒物的环境意义［3］。悬浮颗粒物与水是河流输运的重要物质，水是悬浮颗粒物运移的介质，悬浮颗粒物在河流水中承受着复杂的物理（水动力）以及化学（水环境）风化作用［4］。物理以及化学风化作用影响下悬浮颗粒物的表观特征是最先发生响应的重要方面，其所进一步引发的悬浮颗粒物运动特征及对污染物吸附解吸附能力的改变会对众多污染物在流域水生态系统中的迁移转化过程产生重要影响［5］。

悬浮颗粒物的表观特征主要是指其表面微观形貌的复杂程度，目前针对颗粒物表观特征的描述主要基于主观的定性描述，亦或是基于颗粒物表面图像建立技术分析体系对其精细结构进行数学描述（表面的一阶导数、二阶导数、微结构地形以及微球状曲率）［6，7］。然而这些方法虽然能够对颗粒物表观特征进行描述，但不同河流之间悬浮颗粒物表观特征的对比以及导致表观特征差异的水环境及水动力特征目前没有有效的方法予以揭示。针对悬浮颗粒物的结构，有相关学者将其划分为外部的有机裹层与内部的无机矿物，而微观形貌的复杂程度是外部有机裹层的直观呈现［8］，对颗粒物表观特征的描述可以用有机裹层的量来定性表征，实现对悬浮颗粒物表观形貌差异的定量识别，从而进一步揭示水环境及水动力条件差异对悬浮颗粒物表观特征的影响［9］。

本文以海河流域牛尾河以及滦河为研究对象，探究不同水环境及水动力条件下悬浮颗粒物的微观形貌差异，并采用风化模拟实验从定量的角度明确水环境及水动力条件差异对悬浮颗粒物特征的影响。本文对于深入理解河流悬浮颗粒物的环境意义具有重要的支撑作用，特别是在重污染缓流河流中，悬浮颗粒物表观特征差异所引发的悬浮颗粒物运动特征改变及其环境效应需引起人们足够的重视。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本文选择海河流域的牛尾河以及滦河为研究对象。牛尾河属于海河流域子牙河水系，起源于邢台市区，全长约39 km，周边土地利用类型以城市用地和农田为主。牛尾河地处的华北平原水资源匮乏、降雨量少，同时人口众多、工农业生产活跃［10］，主要承接沿岸的污水厂排水及城镇与农田的面源污染汇入，是典型的污水补给型排污河，主要污染物的COD和氨氮［11］。滦河属于海河流域滦河水系，起源于河北丰宁县，流经山区与平原最终于乐亭入渤海，其中滦河平原段河道宽阔，多呈辫状发育［12］。与牛尾河相比，滦河水资源量充沛，年净流量占海河流域的1/5，同时水质较好，普遍达到III类水标准［13］。

1.2 样品采集与处理

对牛尾河以及滦河平原段进行广泛踏查，为突出两条河流水环境及水动力典型特征，选择牛尾河N点（114.770°E，37.172°N）及滦河L 点（118.823°E，39.801°N）为样品采集点位，于旱季（12月）某日午时采集两个采样点河流中线处的上覆水为化学风化模拟用水，利用有机玻璃管采集河流中线处表层2 cm 的沉积物并置于自封袋中。采用ultrameter-II 及LGY-II 测定采样点水质基本特征（温度、电导率、pH、流速等），利用HACH COD测定仪测定上覆水COD浓度。

1.3 样品分析方法

（1）天然及自生悬浮颗粒物制取。首先去除表层2 cm 沉积物中的树枝，石子等较大非颗粒状杂质，随后将表层沉积物置于定性滤纸上并将滤纸置于30目金属筛网中，整体置于烘箱中（25 ℃）直至完全烘干，将干样粉末状沉积物取出，经250 目筛网过滤后获得的颗粒物即可代表天然悬浮颗粒物样品［14］。采用高温状态下的强氧化剂以及强酸去除天然悬浮颗粒物表面的有机裹层获得自生悬浮颗粒物。将一定量的天然悬浮颗粒物采用少量多次的6%过氧化氢溶液处理，同时利用电磁炉加热至不再产生气泡。在煮沸状态下少量多次加入适量的优级纯HCl溶液并持续搅动直至气泡消失。利用去离子水反复多次冲洗颗粒物并利用0.45 μm 滤膜过滤样品，最后置于烘箱（25 ℃）中直至完全烘干［15］。

图1 实验流程图（以实验组1为例）Fig.1 Flow chart of the experiment（Experiment 1）

（2）有机裹层定量表征。天然悬浮颗粒物表面的有机裹层会在高温下分解，然而过高的温度以及过长的时间则会造成内部无机矿物的损失。采用烧失量（LOI）的测定实现对天然悬浮颗粒物表面有机裹层的定量表征，利用质量法测定马弗炉（550 ℃，6 h）处理前后天然悬浮颗粒物的质量差，并据此计算烧失量［16］。

（3）风化模拟实验。通过设置磁力搅拌器的搅拌速度来模拟不同的水动力条件，采用不同河流的上覆水来模拟不同的水环境条件，以探究悬浮颗粒物在面对不同物理及化学风化条件下有机裹层的变化情况［17］。

实验组1：选择牛尾河自生悬浮颗粒物样品为溶质及牛尾河过滤后水样为溶剂，利用烧杯配置6 个1 L 5 g/L 的溶液并用保鲜膜封口，将6 个烧杯分别置于6 台磁力搅拌器上，设置不同的转速（50、100、200、300、500和1 000 r/min）以模拟不同的水动力环境。磁力搅拌器运行5 天后停止并利用0.45 μm 滤膜过滤溶液，烘干滤膜并测定悬浮颗粒物的烧失量L1。考虑到滤膜内部残存的悬浮颗粒物对实验结果造成的潜在影响，利用对照组实验（牛尾河上覆水替换为去离子水）测定各烧杯中的悬浮颗粒物烧失量L2，定义Z1=L1-L2 为牛尾河悬浮颗粒物有机裹层的含量。其他实验组参照表1实施。

表1 化学与物理风化模拟实验设计表Tab.1 Design table for chemical and physical weathering simulation experiment

2 结果与分析

2.1 牛尾河与滦河水环境、水动力特征及悬浮颗粒物表观特征差异

表2为牛尾河与滦河的水环境及水动力特征，我们以COD和COND 指标来表征河流的污染水平，可以看出牛尾河的COD与COND 值高于滦河，表明牛尾河的污染水平高于滦河。以流速及流量来表征河流的水动力条件，可以看出牛尾河的水动力条件弱，滦河的水动力条件强。综上，牛尾河与滦河在水环境及水动力特征上差异明显，形成鲜明对比。

表2 牛尾河与滦河水环境及水动力特征差异Tab.2 The difference of water environment and hydrodynamic characteristics between Niuwei river and Luanhe river

滦河与牛尾河天然悬浮颗粒物与自生悬浮颗粒物的表观特征如图2所示，我们发现滦河与牛尾河的自生悬浮颗粒物表面均未被有机裹层所覆盖，表面棱角分明，呈现内部无机矿物的特征。而滦河的天然悬浮颗粒物与牛尾河的天然悬浮颗粒物呈现不同的表观特征，滦河天然悬浮颗粒物覆盖较少的有机裹层，内部的无机矿物颗粒裸露在外，而牛尾河天然悬浮颗粒物外表被有机裹层完全覆盖，呈现更为复杂的表观特征。

图2 天然悬浮颗粒物与自生悬浮颗粒物扫描电镜图Fig.2 Microtopography of natural SPM and autogenous SPM

2.2 化学与物理风化模拟实验结果

悬浮颗粒物表面的有机裹层主要由有机物构成，由于表观特征难以定量，因此采用悬浮颗粒物的烧失量来定量表征其有机裹层的负载量，以实现对悬浮颗粒物表观特征的定量识别。不同水环境及水动力条件对牛尾河自生悬浮颗粒物的影响如图3（a）所示。我们发现牛尾河自生悬浮颗粒物的有机裹层负载量因水环境及水动力条件的不同而不同。相同水动力条件、不同水环境条件下，较差的水质造成了更多的有机裹层负载量。在相同水环境条件、不同水动力条件下，自生悬浮颗粒物会因水环境条件的不同呈现不同的响应结果。在面对牛尾河较差水环境条件时，随着水动力条件增强悬浮颗粒物有机裹层负载量逐渐增多，当转速增加到300 r/min 时，有机裹层负载量达到最大值1.32%，随后随着转速增加有机裹层负载量骤减至最小值0.49%。在面对滦河较好水环境条件时，随着水动力条件的增强，其有机裹层负载量逐渐减少，在转速为500 r/min 时，其有机裹层负载量达到最小值0.08%。

不同水环境条件及水动力条件对滦河自生悬浮颗粒物的影响如图3（b）所示。我们发现滦河自生悬浮颗粒物的有机裹层负载量因水环境及水动力条件的不同而不同。在相同水动力条件、不同水环境条件下，较差的水质造成滦河自生悬浮颗粒物有机裹层负载量较多。我们发现在面对牛尾河较差水环境条件时，滦河自生悬浮颗粒物随着水动力条件的增强其有机裹层负载量逐渐增多，当转速达到300 r/min 时，有机裹层负载量达到最大值1.24%，随后随着转速的增高有机裹层负载量骤减，当转速达到1 000 r/min 时，LOI降低至最小值0.42%。在面对滦河较好水环境条件下，滦河自生悬浮颗粒物随着转速的增高有机裹层的负载量逐渐降低，当转速为1 000 r/min时，有机裹层负载量达到最小值0.04%。

相同水环境条件不同水动力条件对牛尾河天然悬浮颗粒物的影响如图3（c）所示。我们发现在较好的水环境条件下，牛尾河天然悬浮颗粒物随着转速的增高其有机裹层的负载量从最高值3.12%逐渐降低至最小值0.12%。

图3 不同水环境及水动力条件下悬浮颗粒物有机裹层负载情况Fig.3 Organic coating load of SPM under different water environments and hydrodynamic conditions

3 讨 论

3.1 河流水环境条件对悬浮颗粒物表观特征的影响

通过牛尾河与滦河天然悬浮颗粒物表观特征的对比，我们发现牛尾河悬浮颗粒物在较差的水环境及水动力条件下微观形貌较为复杂，外部被厚厚的有机裹层包裹。而滦河悬浮颗粒物在较好的水环境及水动力条件下微观形貌较为简单，呈现内部无机矿物的特征。这一现象引发了我们对悬浮颗粒物表观特征变化原因的猜测，水环境条件的差异是否是造成悬浮颗粒物表观特征差异的主要原因。通过室内模拟实验结果图3（a）与图3（b）所示，我们发现无论是牛尾河还是滦河的自生悬浮颗粒物，在面临较差的水环境条件（牛尾河上覆水）时，颗粒物的LOI均较较好水环境条件（滦河上覆水）高，表明水环境条件对有机裹层的附着起到了重要的作用。悬浮颗粒物是包括有机物在内的众多物质在水体中输移的重要载体，一方面其内部的无机矿物颗粒能够在范德华力的作用下对周围水体中的有机物产生一定的吸附作用，实现一部分有机裹层的负载［18］。另一方面，水体中的氮、磷、微生物以及藻类也会附着在悬浮颗粒物上，微生物产生的胞外聚合物对水体中的众多物质也会产生较强的吸附作用，从而进一步促进有机裹层的附着［19］。在水环境条件较差的河流中往往含有大量的有机物、氮、磷、藻类以及死亡的动植物残体，为悬浮颗粒物负载有机裹层提供了基础的水环境条件［20］。

3.2 河流水动力条件对悬浮颗粒物表观特征的影响

通过相同水环境条件，不同水动力条件自生悬浮颗粒物有机裹层负载量的变化我们发现水动力也是影响悬浮颗粒物有机裹层负载的重要因素。图3（a）与图3（b）揭示了水动力条件逐渐增强的过程中自生悬浮颗粒物有机裹层的负载量会经历先增高后减小的趋势，这表明在一定范围内（300 r/min 以内）水动力条件的增强能够促进自生悬浮颗粒物与周边水体中各类物质的交换，有利于有机裹层的附着，但随着水动力条件的继续增强（300 r/min 以上），水流的剪切力能够对悬浮颗粒物表面有机裹层的附着产生负面影响［21］。图3（c）的结果则进一步说明了在相同水环境条件下，水动力条件是影响悬浮颗粒物有机裹层负载的关键因素，天然悬浮颗粒物在较好水环境条件下随着水动力条件的增强其有机裹层负载量逐渐降低，特别是当水动力条件达到一定程度后（300 r/min），有机裹层的负载量骤减。这表明当河流水环境条件较好，无法为悬浮颗粒物的负载提供有效本底条件时，水动力条件是影响悬浮颗粒物有机裹层负载量的关键因素［22］。值得一提的是天然悬浮颗粒物表面的有机裹层负载量受到河流水环境及水动力条件的双重影响，是两者双重耦合作用的结果，而造成河流水环境及水动力条件差异的主要原因是河流水资源量及人类活动的影响，可见悬浮颗粒物的表观特征也是河流水资源量及人类活动的终端响应［23］。与此同时，在悬浮颗粒物从河流上游向下游输移的过程中，水环境及水动力条件也会发生动态变化，相应的有机裹层负载量也是一个动态变化的过程，因此天然悬浮颗粒物的表观特征在同一条河流也会有相应的差别。

4 结 论

（1）牛尾河与滦河的水环境及水动力条件形成鲜明对比，牛尾河水环境及水动力条件差，悬浮颗粒物微观形貌复杂，滦河水环境及水动力条件好，悬浮颗粒物微观形貌较简单，呈现内部无机矿物的特征。

（2）水环境条件对有机裹层的附着起到了重要的作用，水环境条件越差，化学风化作用越强，越容易在自生悬浮颗粒物表面形成有机裹层，导致其表观特征的变化。

（3）水动力条件是影响河流悬浮颗粒物表观特征的重要因素，水动力条件差有利于无机矿物与水中各类物质接触，造成有机裹层更易于附着在无机矿物表面，水动力条件强，水流会对颗粒物表面产生剪切力，从而使增长的有机裹层难以在无机矿物表层附着。

（4）河流悬浮颗粒物的表观特征受到河流水环境及水动力条件的双重调控，是物理风化与化学风化共同作用的结果。