河流潛流帶中膠體遷移的研究進(jìn)展

楊小全,金光球,李 凌,曹 淼

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院,貴州貴陽 550081)

膠體是指顆粒粒徑在1.0nm到10.0μ m之間的懸浮分散體系[1]。膠體廣泛存在于河流系統(tǒng)中,河流中的膠體可分為有機(jī)膠體和無機(jī)膠體兩大類。無機(jī)膠體主要包括金屬氧化物、礦物黏土、硅酸鹽、碳酸鹽等;有機(jī)膠體主要包括腐蝕物質(zhì)、病毒、細(xì)菌、人工合成的有機(jī)大分子等[2]。越來越多的研究表明:河流中的膠體本身對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)來說是污染物,但同時(shí)它還可以吸附其他污染物。膠體的存在是影響吸附性污染物遷移的重要因素,是吸附性污染物的攜帶者[3-6]。Buddemeier等[7]通過實(shí)地研究發(fā)現(xiàn),在危險(xiǎn)廢棄物處或者臨近天然鈾堆積處由于移動(dòng)性膠體的存在促使陽離子金屬和放射核的遷移。Kan等[8]發(fā)現(xiàn)溶解的有機(jī)物質(zhì)或者膠體可以增強(qiáng)DDT的遷移。由于膠體顆粒很小,具有較大的特殊性表面,對(duì)污染物(如重金屬、有機(jī)復(fù)合物與放射性核)具有較強(qiáng)的吸附能力,同時(shí)促進(jìn)了這些污染物在河流地表水和地下水交混區(qū)域——潛流帶中的移動(dòng)。遷移到河床中的膠體會(huì)破壞潛流帶的水環(huán)境,影響潛流帶中水生生物的棲息場(chǎng)所,損害潛流帶水生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)。因此,研究膠體在河流潛流帶中的遷移具有非常重要的意義。

1 膠體在潛流帶中的形成機(jī)理

潛流帶是指河流河床內(nèi)水分飽和的沉積物層,是河流地表水和地下水相互作用的區(qū)域,也是河床中能與河流存在物質(zhì)和能量交換的區(qū)域[9-10]。圖1是潛流帶位置示意圖。潛流帶中有很多因素可以促使膠體的形成,歸納起來主要有物理擾動(dòng)和化學(xué)條件變化[11]。例如,人工抽水或注水試驗(yàn)、快速降雨入滲、裂隙介質(zhì)中的地下水流動(dòng)、潛流帶中水溶液離子摩爾濃度(簡(jiǎn)稱濃度,下同)或pH值的變化、礦物表面吸附離子或大分子會(huì)造成表面電荷電性的改變,這些都可以促使膠體的形成。

1.1 物理擾動(dòng)促使膠體形成

圖1 潛流帶位置示意圖

在潛流帶中,促使膠體形成的物理擾動(dòng)主要是通過增大流速來實(shí)現(xiàn),這種增大流速的方法主要有人工抽水或注水試驗(yàn)、快速降雨入滲、裂隙介質(zhì)中的地下水流動(dòng)。當(dāng)潛流帶中水的流速超過正常流速時(shí),粒徑在膠體范圍之內(nèi)的顆粒就可能受水動(dòng)力剪切作用而轉(zhuǎn)化為膠體態(tài)物質(zhì)。Puls等[12]將泵吸速度從0.6L/min增大到92L/min,發(fā)現(xiàn)在金屬污染區(qū)的地下水取樣收集到的膠體粒徑隨之增大。對(duì)于因大氣降水入滲所形成的膠體,其濃度不僅與降水入滲速度有關(guān),而且與降水時(shí)間也有關(guān)系。Kaplan等[13]觀測(cè)出在3m×3m×1.5m的土柱中水流速度和膠體濃度的簡(jiǎn)單關(guān)系。在裂隙中,礦物風(fēng)化后可以形成膠體粒徑范圍內(nèi)的顆粒,在高速水流的作用下,這些顆?？梢赞D(zhuǎn)化為膠體態(tài)物質(zhì)。Degueldre等[14]在瑞士的Grimsel測(cè)試點(diǎn)探測(cè)出花崗巖中的斷裂處有大量粒徑為40～1000nm的膠體存在。

1.2 化學(xué)條件變化促使膠體形成

潛流帶中,化學(xué)條件的變化同樣是促使膠體形成的重要因素,化學(xué)擾動(dòng)主要包括以下2個(gè)方面。①潛流帶中水溶液pH值的變化,以及為治理含水層污染問題加入表面活性劑,都可能促使?jié)摿鲙е心z體的形成。Muecke[15]發(fā)現(xiàn)引入表面活性劑可以促進(jìn)石油的儲(chǔ)存和膠體的形成。②離子濃度的降低也可以促進(jìn)膠體的形成。降雨滲透、淡水灌溉農(nóng)田、人工注水試驗(yàn)、二次石油開采等事件均可造成潛流帶中離子濃度的降低,這將進(jìn)一步引發(fā)潛流帶中的礦物微粒轉(zhuǎn)化為膠體態(tài)物質(zhì),致使?jié)摿鲙е械哪z體濃度增大。擴(kuò)散雙電層理論認(rèn)為:由于雙電層的厚度會(huì)隨著水化學(xué)條件的改變而改變,從而使雙電層斥力受到水化學(xué)條件變化的影響。當(dāng)潛流帶中離子濃度降低時(shí),雙電層厚度變大,雙電層斥力隨之增加,導(dǎo)致礦物顆粒脫離含水層表面從而形成膠體[11]。

1.3 膠體與污染物的結(jié)合

相對(duì)于預(yù)測(cè)膠體遷移,目前對(duì)于膠體與污染物結(jié)合程度和范圍的預(yù)測(cè)要精確得多。由于膠體粒徑小,比表面積大,大多數(shù)膠體是低溶解態(tài)污染物的有效吸附劑[11]。許多潛流帶中的無機(jī)膠體(如腐蝕物、金屬氧化物、碳酸鹽)在離子交換和表面絡(luò)合的作用下對(duì)放射性物質(zhì)和金屬的吸附非常有效。污染物和膠體之間結(jié)合力的強(qiáng)弱對(duì)膠體攜帶污染物的遷移有著重要的影響,當(dāng)吸附態(tài)的污染物與膠體之間的相互作用弱于吸附態(tài)和溶解態(tài)污染物之間的平衡時(shí),吸附態(tài)污染物將從膠體中脫附出來,重新建立新的平衡。隨著吸附質(zhì)和膠體之間作用的增強(qiáng),吸附質(zhì)從膠體表面脫附出來的時(shí)間將會(huì)增加,導(dǎo)致膠體攜帶污染物的距離增加。如果膠體和污染物的結(jié)合力不是很強(qiáng),這將不能保證移動(dòng)性膠體有效地促進(jìn)污染物的遷移。Vilks等[16]基于放射性同位素的不平衡吸附特性,預(yù)測(cè)從加拿大Cigar湖中的沉積物中釋放出被膠體吸附的金屬鈾將長(zhǎng)達(dá)8000年。

2 膠體在潛流帶中的遷移機(jī)理

膠體在潛流帶中的遷移主要受3種作用影響:①泵吸交換和沖淤交換作用;②沉降作用;③過濾作用[17-18]。過濾主要是由化學(xué)和靜電作用引起的,由于沉降和過濾的作用,膠體顆粒的潛流交換速率比保守性溶質(zhì)的潛流交換速率快。同時(shí),由于與河床之間的長(zhǎng)期相互作用,膠體顆粒很容易堵塞河床。

2.1 泵吸交換和沖淤交換作用

泵吸交換主要是由河床形態(tài)或者其他不規(guī)則性引起河床表面的壓力變化,這些壓力變化誘導(dǎo)了對(duì)流傳輸,促使膠體向河床中遷移[19]。沖淤交換是指當(dāng)河床形態(tài)發(fā)生改變時(shí),河床的上游迎風(fēng)面受到水流沖刷,泥沙被沖走,釋放孔隙水[8];沖走的泥沙在河床的下游避風(fēng)坡處沉降,截留河道水充當(dāng)河床新位置的孔隙水,這個(gè)釋放和截留孔隙水的過程引起河床與河流間的膠體交換,稱為沖淤交換[20]。沖淤交換主要發(fā)生在河床沖刷區(qū)或者河床形態(tài)改變區(qū)。圖2是泵吸交換和沖淤交換示意圖。

圖2 典型河床形態(tài)引起的泵吸交換和沖淤交換示意圖[10]

2.2 沉降作用

在河床中遷移的膠體,當(dāng)顆粒粒徑小于2μ m時(shí)將不會(huì)沉降到河床下面,這是由于布朗力使他們懸浮在水中,因此被稱為布朗膠體。這些布朗膠體會(huì)沿著孔隙水流動(dòng)方向遷移并回到河流中[21]。但是,大多數(shù)的膠體(非布朗膠體)受自身重力作用的影響有一個(gè)沉積率。這樣泵吸作用將不能帶動(dòng)顆粒在河床中向上移動(dòng),顆粒將偏離流線而有下沉的趨勢(shì),進(jìn)入河床中的顆?？赡軙?huì)被河床吸附或過濾掉。Rodier等[22]應(yīng)用短脈沖技術(shù)研究膠體在充滿小玻璃顆粒的圓柱中遷移,進(jìn)而確定膠體的沉積率。Yan等[23]分析了短脈沖穿透試驗(yàn)曲線,確定了膠體在土柱中的沉積率和釋放率;同時(shí),短脈沖穿透試驗(yàn)也可應(yīng)用在研究污染物在土壤中的遷移模擬中,McCaulou等[24]運(yùn)用這種技術(shù)研究細(xì)菌在多孔介質(zhì)中的遷移。

2.3 過濾作用

與膠體的沉積作用一樣,膠體的過濾作用在泵吸模型中同樣也是必須考慮的重要因素,主要包括移動(dòng)性膠體在河床介質(zhì)附近的物理過程以及顆粒之間的靜電和化學(xué)作用。一般利用過濾系數(shù)來描述膠體在河床中的過濾程度[25],這種方法已經(jīng)比較成熟,并且在許多理論預(yù)測(cè)和試驗(yàn)測(cè)量文獻(xiàn)中被大量提及[26-27],確定過濾系數(shù)的模型為

式中:C為膠體在孔隙水中的摩爾濃度;s為膠體在河床中的遷移距離;λf為河床對(duì)膠體的過濾系數(shù)。

2.4 堵塞現(xiàn)象

懸浮水體中的膠體沉積到河床顆粒表面是一個(gè)水動(dòng)力現(xiàn)象,表現(xiàn)為一個(gè)短暫的、時(shí)間獨(dú)立的沉積過程。當(dāng)膠體堆積在顆粒表面時(shí),顆粒種類和顆粒之間的相互作用決定了沉積率是降低還是升高,當(dāng)顆粒之間相互排斥時(shí),沉積率降低,這種表面排斥現(xiàn)象稱為堵塞現(xiàn)象[28]。Johnson等[29]研究了膠體在河床中的堵塞現(xiàn)象,他們建立了動(dòng)力堵塞函數(shù)模型來描述顆粒的沉積作用,模型包括線性模型和非線性模型;Saiers等[30]采用一階和二階堵塞動(dòng)力方法模擬了膠體銳鈦礦、水軟鋁石以及硅石在含沙圓柱中的遷移和沉積;Abdel-Salam等[31]考慮了膠體是否滲透到河床介質(zhì)中的2種條件,給出膠體在同一介質(zhì)中遷移的一維解析解;Rehg等[28]通過不同粒徑膠體在循環(huán)水槽中遷移的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),膠體的粒徑大小是影響膠體在河床中遷移和河床淤堵的重要因素。大顆粒膠體隨著時(shí)間的增加在河床中的沉降量比小顆粒的沉降量多,而小顆粒的膠體遷移進(jìn)入河床的深度比大顆粒的要深。

3 影響膠體遷移的因素

發(fā)生在潛流帶中的膠體遷移受多種因素的影響,過程十分復(fù)雜。某些影響因素可能通過影響潛流交換,進(jìn)而影響膠體在潛流帶中的遷移。概括起來主要包括3個(gè)方面的影響:①河流上覆水的流速、深度以及河流形態(tài)。②河床沉積物本身的顆粒粒徑大小、粒徑分布的均勻性、水力傳導(dǎo)系數(shù)和滲透系數(shù),以及河床表面形狀。③河流的背景條件,這主要是指河流中離子濃度和pH值大小的影響。

3.1 河流上覆水

很多試驗(yàn)證實(shí)河流上覆水的流速、深度以及河流形態(tài)是影響潛流交換的重要因素。Packman等[32]通過多組水槽試驗(yàn)分析得出:河流上覆水與河床之間的交換率與河流流速的平方成正比,與河床的深度成反比。隨著河流流量的增大,相應(yīng)的濕周增大,從而增大了河流上覆水與河床的接觸面積,進(jìn)而增大了膠體遷移進(jìn)入河床的幾率;河岸浸潤的季節(jié)性變化對(duì)潛流交換勢(shì)的影響遠(yuǎn)小于河流流速對(duì)潛流交換勢(shì)的影響[33]。同時(shí)潛流交換對(duì)膠體在潛流帶中的遷移有重要的作用,因此河流上覆水特性對(duì)膠體遷移具有顯著的影響。

3.2 河床介質(zhì)

河床介質(zhì)本身的顆粒級(jí)配、顆粒分布情況以及河床表面沙丘的形狀是影響膠體遷移的重要因素。膠體遷移速度與河床介質(zhì)的滲透性成正比,與沉積物的孔隙率成反比。膠體在高滲透性的砂礫中遷移的速度非?？?致使河床孔隙水和河流地表水經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)后基本上達(dá)到完全的混合。膠體遷移的側(cè)向程度和垂向深度是由包括泥沙顆粒大小和滲透性在內(nèi)的表面河道地形以及河道特征決定的[34]。Bradford等[35]做了飽和土壤圓柱試驗(yàn),探測(cè)出膠體顆粒大小與土壤顆粒分布對(duì)多孔介質(zhì)中膠體遷移的影響。結(jié)果表明:出口處膠體濃度和膠體吸附在多孔介質(zhì)中的空間分布主要依賴于膠體顆粒的大小與土壤顆粒分布。Marion等[36]發(fā)現(xiàn)各種形態(tài)的河床對(duì)應(yīng)的交換量關(guān)系為:平整河床形態(tài)、自然形成的河床形態(tài)、正弦波形河床以及三角形河床對(duì)應(yīng)的交換量依次增大。

3.3 河流背景條件

影響懸沙或者膠體在河床中沉積的背景因素主要包括河流中離子濃度和pH值的大小。隨著離子濃度的增加,膠體與河床介質(zhì)之間的相互排斥作用減弱,使更多的膠體在遷移過程中被過濾在河床介質(zhì)中,導(dǎo)致河流上覆水中的懸浮泥沙減少,從而引起過濾系數(shù)的增加。同時(shí),腐蝕性酸、鈣離子以及示蹤金屬等對(duì)膠體遷移也有著重要的影響。腐蝕性酸對(duì)高嶺土的吸附增加了高嶺土膠體表面負(fù)電荷,從而降低了膠體沉積量。不同流速下的對(duì)比試驗(yàn)表明,表層具有腐蝕性涂層的高嶺土膠體的沉積率服從一階動(dòng)力率規(guī)律,其沉積率系數(shù)隨著懸浮液中鈣離子濃度的增加而增加。Rachid等[37]通過注入2種不同離子(Pb2+,Cu2+)濃度的懸浮液來確定金屬離子對(duì)膠體遷移的影響,結(jié)果表明離子濃度越高,高嶺土膠體沉積率越大,這是因?yàn)殛栯x子對(duì)表層具有腐蝕性涂層的高嶺土膠體具有較強(qiáng)的吸附力。

4 膠體對(duì)污染物在河流中遷移的影響及其定量模型

4.1 膠體對(duì)污染物在河流中遷移的影響

近些年來,很多研究都證實(shí)了膠體的存在在一定程度上改變了污染物在河流中的遷移。目前主要是通過2個(gè)方面來研究:①膠體本身與河床的相互作用,包括對(duì)流擴(kuò)散、沉積釋放,其中沉積部分可能堵塞孔隙從而影響膠體和污染物向河床介質(zhì)中遷移。②膠體對(duì)污染物在河流潛流帶中遷移的促進(jìn)或阻礙作用。傳統(tǒng)對(duì)于污染物在潛流帶中遷移的研究主要是通過對(duì)流擴(kuò)散理論來進(jìn)行,主要考慮潛流帶為液-固兩相系統(tǒng),但這樣得出的遷移距離是有限的。而實(shí)測(cè)的結(jié)果表明,污染物實(shí)際遷移的距離遠(yuǎn)大于預(yù)測(cè)結(jié)果,這主要是由于膠體具有較大的吸附性表面,能吸附污染物并攜帶污染物一起遷移,膠體的吸附特性對(duì)低溶解度污染物的遷移有著明顯的促進(jìn)作用[38-40]。Ren等[41]試驗(yàn)得出在存在高嶺土膠體的情況下,鋅在河床中的滯留時(shí)間比存在硅膠體的情況下要長(zhǎng)。這主要是因?yàn)?高嶺土對(duì)鋅的吸附能力強(qiáng)于硅膠體對(duì)鋅的吸附能力,而且高嶺土更容易沉積在河床中。赤鐵礦的濃度會(huì)影響鋅或銅的遷移,濃度高的赤鐵礦在河床中沉降得多,被其吸附的鋅或銅更多地滯留在河床中,從而河流上覆水中鋅或銅的濃度下降得更快。某些膠體和污染物的結(jié)合力不是很強(qiáng),則該類膠體的移動(dòng)將不能有效地促進(jìn)污染物的遷移,例如苯酚、西瑪津除草劑和殺蟲劑等。

4.2 膠體在河床中遷移的定量模型

在潛流帶中,膠體的聚沉與遷移規(guī)律對(duì)污染物的遷移和歸宿有著至關(guān)重要的影響,因此,采用模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)是很有必要的。Corapcioglu等[42]建立了膠體在非飽和介質(zhì)中遷移的一維均質(zhì)數(shù)學(xué)模型,他們以四相(水相、氣相、介質(zhì)固體相和膠體相)多孔介質(zhì)模擬地下水環(huán)境。Johnson等[43]建立了膠體在異質(zhì)多孔介質(zhì)中遷移的一維數(shù)學(xué)模型。Sun等[44]建立膠體在異質(zhì)多孔介質(zhì)中遷移的二維數(shù)學(xué)模型,并使用有限元方法得到方程的數(shù)值解。Packman等[25]做了多組循環(huán)水槽試驗(yàn),通過泵吸-沉積模型模擬膠體的遷移過程,取得了較好的成果?？傮w來講目前存在的遷移模型主要是基于對(duì)流擴(kuò)散模型建立起來的二維對(duì)流-彌散-沉降-釋放模型。目前存在的模型已經(jīng)能夠很好地反映潛流帶中膠體的遷移過程。

在多孔介質(zhì)中,膠體顆粒遷移過程可通過二維對(duì)流-彌散-沉降-釋放模型來模擬:

式中:Cc為孔隙水污染物的摩爾濃度;t為時(shí)間;xi和xj分別為i方向和j方向的傳輸距離;Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量分量;ui為孔隙水的速度;K1為膠體的沉積系數(shù);K2為膠體的釋放系數(shù);θ為介質(zhì)孔隙率;Sc為沉積在河床中的膠體摩爾濃度。

5 目前存在的問題

近年來,膠體對(duì)污染物遷移的促進(jìn)作用已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。因此,膠體研究所涉及的范圍越來越廣,深度也越來越大。但是,由于開展膠體在潛流帶中遷移研究的時(shí)間還不是很長(zhǎng),在膠體研究領(lǐng)域內(nèi)尚有不少問題需要解決:①在對(duì)潛流帶中膠體的研究過程中,處理膠體的絮凝仍然是一個(gè)棘手的問題,目前尚未有合理的方法可以解決。②對(duì)膠體在潛流帶中遷移的具體過程研究不足,這主要受到抽樣膠體技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的限制,因此需要提高孔隙水中膠體的檢測(cè)手段,以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)膠體在多孔介質(zhì)的遷移機(jī)理和過程。③目前很多研究是在小尺度上研究和估計(jì)膠體的遷移,如何對(duì)自然河流中大尺度的膠體遷移進(jìn)行量化或者估計(jì),將是一個(gè)很重要的研究方向。④河床結(jié)構(gòu)不均勻介質(zhì)對(duì)膠體在潛流帶的影響研究不足,自然河床中大多是不均勻的各向異性沉積物,對(duì)膠體在其中的遷移機(jī)理以及模擬方式有待于進(jìn)一步研究。⑤膠體在河床中的遷移對(duì)潛流帶生態(tài)環(huán)境影響的研究尚顯不足,包括膠體對(duì)微生物的影響、對(duì)生物棲息地的影響、對(duì)潛流帶生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)群落的影響。⑥缺乏對(duì)膠體在潛流帶中遷移和沉積過程的模擬。前人雖然建立了簡(jiǎn)單的概化理論模型——膠體的泵吸交換模型,但是這些模型主要分析潛流帶的凈交換量和界面通量,不能對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行有效的模擬。

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