河流水动力和水环境对悬浮颗粒物吸附特性的影响研究

2022-12-26王立家

水利科技与经济 2022年12期

李悦，王立家

(1.深圳市南山区水务局，广东深圳 518052； 2.中建四局第五建筑工程有限公司，广东深圳 518052)

1 概述

河流生态系统对人类的渔业、畜牧业发展以及依托河流进行的运输业有着不可或缺的作用。河流中的物质主要可以概括为水和悬浮颗粒物，水与悬浮颗粒物是河流及河流动力运输的主要物质。

近年来，随着经济的发展及水环境问题的凸显，河流中的悬浮颗粒物开始进入人们的视线。在河流生态系统中，水动力和水环境对悬浮颗粒物的物理与化学性质的影响成为当前的研究热点问题，通过悬浮颗粒物的物化特征变化进一步导致悬浮颗粒物表观特性改变，使得其对污染物的吸附效果及污染物迁移产生影响[1-4]。倪兆奎[5]以洱海的主要入海河流为研究对象，采用同位素标记技术研究入海河流中的有机碳及有机氮来源，发现不同季节入海河流的悬浮颗粒物有机质来源不同，且有机氮、碳在不同季节的含量也不相同。栾兆坤[6]基于实际监测数据及实验室模拟，分析了铜矿酸碱矿水污染的江河流域水和悬浮颗粒物中铜的分配特征，并发现在被污染的河流域中水合氧化铁是控制并吸附河流中铜离子的主要悬浮颗粒物。王栋[7]通过采集海河流域的沉积物及悬浮颗粒样本对河流沉积物及悬浮颗粒物中的重金属来源进行了研究，并采用ICP-MS及ICP-OES方法对其中的重金属含量进行了对比分析，发现不同河流中的悬浮颗粒物重金属含量要显著高于沉积物中的重金属含量。Doug.、GB[8]借助锶同位素法研究了澳大利亚墨累达令河流中的悬浮颗粒物来源，发现不同河流中重金属元素含量及分布具有一定的差异性，但这种差异性会随着水系的汇总而降低。史鹏程[9]分析了降雨影响下的水库中水体悬浮颗粒物的时空分布特征与颗粒物影响下的沉降特征，借助自制的沉降物捕获器与监测浮标对水库水体颗粒物进行监测，发现水体中的悬浮颗粒物在不同季节不同位置其分布量均不同。

本文以某河流为例，通过河流动力及环境对悬浮颗粒物造成的影响，揭示悬浮颗粒对水环境的演变规律，为类似河流水环境污染物去除或生态调节提供一定参考依据。

2 工程概况

河流A横穿某市中部地区，主河道长约280 km，流域覆盖面积达14 500 km2，为该市的第三大河流。河流A储水量较为丰富，径流量年均约8.8×109m3，其主河道的径流量受季节影响较大，丰水期多伴有强风。河流A也是该市主要的产沙区，年均河沙输送量达2.1×109kg，但输沙时段基本集中在5-8月份的丰水期。河流A主要由2条支流构成，分别为支流1与支流2，均属于平原性河流。

河流A所在区域气候属于温带季风气候，由于径流量受季节影响较大，因此其降雨量与丰水期、枯水期均有明显的时空分布特征。该区域气温年平均范围在18℃～25℃，但受季节性影响，8月份气温最高，平均范围约为32℃～35℃；12月份最低，平均气温约为3℃～5℃。5年年均降雨量为1 586 mm，但4-8月份降雨量占全年降雨量的80%。河流流域内分布植物以针叶植物为主，总体植被覆盖率约为62%。河流A区域位于扬子板块东南部过渡带区域，其地质组成主要包含有泥盆纪、三叠纪的闪长岩、白云岩，局部含有玄武岩等。

3 研究方法

3.1 样本采集

为反映河流A的水动力及环境特征，分别对河流A的两条支流即支流1与支流2进行野外踏勘选点，并将支流1与支流2某处定为样品采集点。再分别于丰水期(8月份)与枯水期(12月份)在两处采用烧杯至样品采集点的河流中线处采集河流表面覆水，用以风化试验；并使用玻璃管采集同位置下的河流沉积物，密封后置于常温留存备用。对取得的水样及沉积物样本分别进行ultrameter-II与LGY-II试验，对水质的温度、pH、流速等特征进行测定，并使用HACH测量仪对水质的COD浓度进行测定。

3.2 样本制备

本次试验主要采用风化试验方法及质量测定法获取悬浮颗粒物的烧失量LOI，进而分析水动力及环境对悬浮颗粒物特性的影响。将试验样本分为两部分，分别为天然悬浮颗粒物与自生悬浮颗粒物。二者样本制备采取同种方法，即去除表层较为明显的杂物，然后将沉积物静置于定性滤纸上，将滤纸与沉积物放置在金属网罩上之后置于烘箱中12 h。此时样本呈现出粉末状，取出样本过筛后，制得天然或自生悬浮颗粒物样本。为了防止酸碱性对结果的影响，将制取的颗粒物放置于3%过氧化氢溶液烧杯中进行处理，将烧杯加热使其无气泡冒出为止，并在加热过程中定时加入一定的HCl溶液搅拌。待处理完毕后，使用超纯水进行冲洗，再次放于烘箱中烘烤12 h，待完全烘干后装袋密封留用。

悬浮颗粒物样品制备完成后，由于在高温处理下的天然悬浮颗粒物会产生分解，造成内部无机质的损失，需要采用烧失量LOI实现对悬浮颗粒物表层的裹层进行定量分析。因此，本文将其置于550℃的烤炉中烤制6 h，并称量处理前后的质量，根据差值计算出天然悬浮颗粒物的烧失量。

为了获取天然状态下的悬浮颗粒物裹层变化，本文还模拟风化条件进行风化试验，见图1。将等量的制备完成的悬浮颗粒物加入样本水样所在的烧杯中，采用搅拌器控制不同的转速来模拟不同水动力下的河流动力情况，待搅拌完成后，将颗粒物取出置于滤纸上烘干，再次测定烧失量LOI。

图1 试验方法示意图

该风化试验分为5组。其中，试验组1-4分别为试验组1：支流1悬浮颗粒溶于支流1的水样；试验组2：支流1悬浮颗粒物溶于支流2的水样；试验组3：支流2悬浮颗粒物溶于支流1的水样；试验组4：支流2悬浮颗粒物溶于支流2的水样；最后一组为对照组，对照组5中设置为支流1悬浮颗粒物溶于支流2水样。

4 结果分析

4.1 水动力及水环境分析

表1为ultrameter-II与LGY-II以及HACH测量仪测定的化学需氧量COD浓度、电导率COND、流速、流量以及温度。

表1 支流1与支流2的水动力及环境情况

表1为支流1与支流2的水动力及环境情况，本文分别以化学需氧量与水体电导率来描述两条支流的污染情况。从表1数据可以看出，支流1的化学需氧量浓度与电导率明显高于支流2，因此支流1较支流2污染更为严重。此外，河流流速与流量可表征两条支流的动力情况。从表1数据可以看出，支流1的流量与流速低于支流2，因此支流1的水动力情况与支流2相比较弱。

4.2 风化试验结果分析

为了定量描述悬浮颗粒物的裹层，采用烧失量LOI进行表征。为了便于识别，将4组试验组与1组对照组中的裹层质量分别标定为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5。通过前文设置的风化试验，测定其烧失量与裹层损失质量，并绘制支流1自生悬浮颗粒物烧失量随水动力及环境变化下的变化示意图，见图2。

图2 支流1自生悬浮颗粒物裹层在不同水动力环境下的变化图

图2中，转速表征模拟的水动力特征，Z1、Z2分别表征水环境特征。从图2中可以看出，支流1中的自生悬浮颗粒物裹层质量在不同水动力及环境情况下会有一定的变化。当水动力不变的情况下，不同水环境的自生悬浮颗粒物裹层质量相差较大，由于支流1污染效果较支流2严重，因此在水环境较差的情况下，自生悬浮颗粒物裹层质量更大，具备更多的颗粒表面裹层。在水环境不变的情况下，水动力越大，颗粒物对污染物附着效果更小，自生悬浮颗粒物裹层质量会呈现出减小的趋势。在水环境较差的情况下，以Z1为例，当转速从50 r/min上升至300 r/min时，颗粒物裹层质量增加至1.35%；但随着转速增加至1 000 r/min，裹层质量下降至0.42%。在水环境较好的情况下，以Z2为例，颗粒物裹层质量呈现出连续的下降趋势，从50 r/min时的0.37%下降至1 000 r/min时的0.16%。

图3为支流2中的自生悬浮颗粒物裹层质量在不同水动力环境下的变化图。图3中，转速表征模拟的水动力特征，Z3、Z4分别表征水环境特征。

图3 支流2自生悬浮颗粒物裹层在不同水动力环境下的变化图

从图3中可以看出，支流2中的自生悬浮颗粒物裹层质量同样随着环境与动力特征的变化而变化。在水动力相同的情况下，较差的水质条件会使得悬浮颗粒物的裹层质量大大上升。在水环境相同的情况下，水动力越大，颗粒物对污染物附着效果同样更小，自生悬浮颗粒物裹层质量整体上也会呈现出减小的趋势。在水环境较差的情况下，以Z3为例，当转速从50 r/min上升至300 r/min时，颗粒物裹层质量增加至0.92%；但随着转速增加至1 000 r/min，裹层质量下降至0.39%。在水环境较好的情况下，以Z4为例，颗粒物裹层质量呈现出连续的下降趋势，从50 r/min时的0.23%下降至1 000 r/min时的0.03%。

图4为支流1中的天然悬浮颗粒物裹层质量在不同水动力环境下的变化图。从图4中可以看出，在水质较好的情况下，随着水动力的加大，天然悬浮颗粒的裹层质量直接从50 r/min时的3.2%降至0.3%。

图4 支流1天然悬浮颗粒物裹层在不同水动力环境下的变化图

上述3种情况表明，水环境是影响悬浮颗粒物裹层附着效果的主要因素。由于悬浮颗粒物是水中的主要载体之一，其对水中颗粒物的吸附效果一是来源于分子间作用力对水体周围物质的吸附，二是来源于氮、磷、微生物分泌物等物质共同作用产生的吸附能力。但水动力同样也是影响悬浮颗粒物裹层附着效果的重要因素之一。随着水动力的增强，水中悬浮颗粒物与水体内其他物质的交换能力加强，所以在污染较为严重的水体之中，裹层质量会有所上升。但随着动力的进一步增强，水流的剪切能力会使得物质之间的交换能力下降。