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      河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響

      2022-07-27 03:14:56陳伯儉
      中國農(nóng)村水利水電 2022年7期
      關(guān)鍵詞:牛尾灤河負(fù)載量

      翟 亮,金 鑫,陳伯儉,張 祺

      (1.邯鄲市市政排水管理處,河北 邯鄲 056002;2.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;3.邯鄲市市政公用事業(yè)投資集團(tuán)有限公司,河北 邯鄲 056002;4.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

      0 引 言

      河流懸浮顆粒物是指河流上覆水中粒徑介于0.45~63 μm之間的顆粒狀物質(zhì),長久以來人們以“泥沙”的概念來描述這一顆粒狀物質(zhì),特別重視其“數(shù)量”并重點(diǎn)關(guān)注了泥沙的水利學(xué)意義[1,2]。近年來隨著河流水環(huán)境問題的凸顯,人們更多的以“懸浮顆粒物”的概念來描述這一物質(zhì),特別重視其“質(zhì)量”并重點(diǎn)關(guān)注了懸浮顆粒物的環(huán)境意義[3]。懸浮顆粒物與水是河流輸運(yùn)的重要物質(zhì),水是懸浮顆粒物運(yùn)移的介質(zhì),懸浮顆粒物在河流水中承受著復(fù)雜的物理(水動(dòng)力)以及化學(xué)(水環(huán)境)風(fēng)化作用[4]。物理以及化學(xué)風(fēng)化作用影響下懸浮顆粒物的表觀特征是最先發(fā)生響應(yīng)的重要方面,其所進(jìn)一步引發(fā)的懸浮顆粒物運(yùn)動(dòng)特征及對(duì)污染物吸附解吸附能力的改變會(huì)對(duì)眾多污染物在流域水生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響[5]。

      懸浮顆粒物的表觀特征主要是指其表面微觀形貌的復(fù)雜程度,目前針對(duì)顆粒物表觀特征的描述主要基于主觀的定性描述,亦或是基于顆粒物表面圖像建立技術(shù)分析體系對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述(表面的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、微結(jié)構(gòu)地形以及微球狀曲率)[6,7]。然而這些方法雖然能夠?qū)︻w粒物表觀特征進(jìn)行描述,但不同河流之間懸浮顆粒物表觀特征的對(duì)比以及導(dǎo)致表觀特征差異的水環(huán)境及水動(dòng)力特征目前沒有有效的方法予以揭示。針對(duì)懸浮顆粒物的結(jié)構(gòu),有相關(guān)學(xué)者將其劃分為外部的有機(jī)裹層與內(nèi)部的無機(jī)礦物,而微觀形貌的復(fù)雜程度是外部有機(jī)裹層的直觀呈現(xiàn)[8],對(duì)顆粒物表觀特征的描述可以用有機(jī)裹層的量來定性表征,實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮顆粒物表觀形貌差異的定量識(shí)別,從而進(jìn)一步揭示水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響[9]。

      本文以海河流域牛尾河以及灤河為研究對(duì)象,探究不同水環(huán)境及水動(dòng)力條件下懸浮顆粒物的微觀形貌差異,并采用風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)從定量的角度明確水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異對(duì)懸浮顆粒物特征的影響。本文對(duì)于深入理解河流懸浮顆粒物的環(huán)境意義具有重要的支撐作用,特別是在重污染緩流河流中,懸浮顆粒物表觀特征差異所引發(fā)的懸浮顆粒物運(yùn)動(dòng)特征改變及其環(huán)境效應(yīng)需引起人們足夠的重視。

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)域概況

      本文選擇海河流域的牛尾河以及灤河為研究對(duì)象。牛尾河屬于海河流域子牙河水系,起源于邢臺(tái)市區(qū),全長約39 km,周邊土地利用類型以城市用地和農(nóng)田為主。牛尾河地處的華北平原水資源匱乏、降雨量少,同時(shí)人口眾多、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活躍[10],主要承接沿岸的污水廠排水及城鎮(zhèn)與農(nóng)田的面源污染匯入,是典型的污水補(bǔ)給型排污河,主要污染物的COD和氨氮[11]。灤河屬于海河流域?yàn)春铀?,起源于河北豐寧縣,流經(jīng)山區(qū)與平原最終于樂亭入渤海,其中灤河平原段河道寬闊,多呈辮狀發(fā)育[12]。與牛尾河相比,灤河水資源量充沛,年凈流量占海河流域的1/5,同時(shí)水質(zhì)較好,普遍達(dá)到III類水標(biāo)準(zhǔn)[13]。

      1.2 樣品采集與處理

      對(duì)牛尾河以及灤河平原段進(jìn)行廣泛踏查,為突出兩條河流水環(huán)境及水動(dòng)力典型特征,選擇牛尾河N點(diǎn)(114.770°E,37.172°N)及灤河L 點(diǎn)(118.823°E,39.801°N)為樣品采集點(diǎn)位,于旱季(12月)某日午時(shí)采集兩個(gè)采樣點(diǎn)河流中線處的上覆水為化學(xué)風(fēng)化模擬用水,利用有機(jī)玻璃管采集河流中線處表層2 cm 的沉積物并置于自封袋中。采用ultrameter-II 及LGY-II 測定采樣點(diǎn)水質(zhì)基本特征(溫度、電導(dǎo)率、pH、流速等),利用HACH COD測定儀測定上覆水COD濃度。

      1.3 樣品分析方法

      (1)天然及自生懸浮顆粒物制取。首先去除表層2 cm 沉積物中的樹枝,石子等較大非顆粒狀雜質(zhì),隨后將表層沉積物置于定性濾紙上并將濾紙置于30目金屬篩網(wǎng)中,整體置于烘箱中(25 ℃)直至完全烘干,將干樣粉末狀沉積物取出,經(jīng)250 目篩網(wǎng)過濾后獲得的顆粒物即可代表天然懸浮顆粒物樣品[14]。采用高溫狀態(tài)下的強(qiáng)氧化劑以及強(qiáng)酸去除天然懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層獲得自生懸浮顆粒物。將一定量的天然懸浮顆粒物采用少量多次的6%過氧化氫溶液處理,同時(shí)利用電磁爐加熱至不再產(chǎn)生氣泡。在煮沸狀態(tài)下少量多次加入適量的優(yōu)級(jí)純HCl溶液并持續(xù)攪動(dòng)直至氣泡消失。利用去離子水反復(fù)多次沖洗顆粒物并利用0.45 μm 濾膜過濾樣品,最后置于烘箱(25 ℃)中直至完全烘干[15]。

      圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖(以實(shí)驗(yàn)組1為例)Fig.1 Flow chart of the experiment(Experiment 1)

      (2)有機(jī)裹層定量表征。天然懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層會(huì)在高溫下分解,然而過高的溫度以及過長的時(shí)間則會(huì)造成內(nèi)部無機(jī)礦物的損失。采用燒失量(LOI)的測定實(shí)現(xiàn)對(duì)天然懸浮顆粒物表面有機(jī)裹層的定量表征,利用質(zhì)量法測定馬弗爐(550 ℃,6 h)處理前后天然懸浮顆粒物的質(zhì)量差,并據(jù)此計(jì)算燒失量[16]。

      (3)風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)置磁力攪拌器的攪拌速度來模擬不同的水動(dòng)力條件,采用不同河流的上覆水來模擬不同的水環(huán)境條件,以探究懸浮顆粒物在面對(duì)不同物理及化學(xué)風(fēng)化條件下有機(jī)裹層的變化情況[17]。

      實(shí)驗(yàn)組1:選擇牛尾河自生懸浮顆粒物樣品為溶質(zhì)及牛尾河過濾后水樣為溶劑,利用燒杯配置6 個(gè)1 L 5 g/L 的溶液并用保鮮膜封口,將6 個(gè)燒杯分別置于6 臺(tái)磁力攪拌器上,設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速(50、100、200、300、500和1 000 r/min)以模擬不同的水動(dòng)力環(huán)境。磁力攪拌器運(yùn)行5 天后停止并利用0.45 μm 濾膜過濾溶液,烘干濾膜并測定懸浮顆粒物的燒失量L1。考慮到濾膜內(nèi)部殘存的懸浮顆粒物對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的潛在影響,利用對(duì)照組實(shí)驗(yàn)(牛尾河上覆水替換為去離子水)測定各燒杯中的懸浮顆粒物燒失量L2,定義Z1=L1-L2 為牛尾河懸浮顆粒物有機(jī)裹層的含量。其他實(shí)驗(yàn)組參照表1實(shí)施。

      表1 化學(xué)與物理風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.1 Design table for chemical and physical weathering simulation experiment

      2 結(jié)果與分析

      2.1 牛尾河與灤河水環(huán)境、水動(dòng)力特征及懸浮顆粒物表觀特征差異

      表2為牛尾河與灤河的水環(huán)境及水動(dòng)力特征,我們以COD和COND 指標(biāo)來表征河流的污染水平,可以看出牛尾河的COD與COND 值高于灤河,表明牛尾河的污染水平高于灤河。以流速及流量來表征河流的水動(dòng)力條件,可以看出牛尾河的水動(dòng)力條件弱,灤河的水動(dòng)力條件強(qiáng)。綜上,牛尾河與灤河在水環(huán)境及水動(dòng)力特征上差異明顯,形成鮮明對(duì)比。

      表2 牛尾河與灤河水環(huán)境及水動(dòng)力特征差異Tab.2 The difference of water environment and hydrodynamic characteristics between Niuwei river and Luanhe river

      灤河與牛尾河天然懸浮顆粒物與自生懸浮顆粒物的表觀特征如圖2所示,我們發(fā)現(xiàn)灤河與牛尾河的自生懸浮顆粒物表面均未被有機(jī)裹層所覆蓋,表面棱角分明,呈現(xiàn)內(nèi)部無機(jī)礦物的特征。而灤河的天然懸浮顆粒物與牛尾河的天然懸浮顆粒物呈現(xiàn)不同的表觀特征,灤河天然懸浮顆粒物覆蓋較少的有機(jī)裹層,內(nèi)部的無機(jī)礦物顆粒裸露在外,而牛尾河天然懸浮顆粒物外表被有機(jī)裹層完全覆蓋,呈現(xiàn)更為復(fù)雜的表觀特征。

      圖2 天然懸浮顆粒物與自生懸浮顆粒物掃描電鏡圖Fig.2 Microtopography of natural SPM and autogenous SPM

      2.2 化學(xué)與物理風(fēng)化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層主要由有機(jī)物構(gòu)成,由于表觀特征難以定量,因此采用懸浮顆粒物的燒失量來定量表征其有機(jī)裹層的負(fù)載量,以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的定量識(shí)別。不同水環(huán)境及水動(dòng)力條件對(duì)牛尾河自生懸浮顆粒物的影響如圖3(a)所示。我們發(fā)現(xiàn)牛尾河自生懸浮顆粒物的有機(jī)裹層負(fù)載量因水環(huán)境及水動(dòng)力條件的不同而不同。相同水動(dòng)力條件、不同水環(huán)境條件下,較差的水質(zhì)造成了更多的有機(jī)裹層負(fù)載量。在相同水環(huán)境條件、不同水動(dòng)力條件下,自生懸浮顆粒物會(huì)因水環(huán)境條件的不同呈現(xiàn)不同的響應(yīng)結(jié)果。在面對(duì)牛尾河較差水環(huán)境條件時(shí),隨著水動(dòng)力條件增強(qiáng)懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸增多,當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到300 r/min 時(shí),有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最大值1.32%,隨后隨著轉(zhuǎn)速增加有機(jī)裹層負(fù)載量驟減至最小值0.49%。在面對(duì)灤河較好水環(huán)境條件時(shí),隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng),其有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸減少,在轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí),其有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最小值0.08%。

      不同水環(huán)境條件及水動(dòng)力條件對(duì)灤河自生懸浮顆粒物的影響如圖3(b)所示。我們發(fā)現(xiàn)灤河自生懸浮顆粒物的有機(jī)裹層負(fù)載量因水環(huán)境及水動(dòng)力條件的不同而不同。在相同水動(dòng)力條件、不同水環(huán)境條件下,較差的水質(zhì)造成灤河自生懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量較多。我們發(fā)現(xiàn)在面對(duì)牛尾河較差水環(huán)境條件時(shí),灤河自生懸浮顆粒物隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng)其有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸增多,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min 時(shí),有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最大值1.24%,隨后隨著轉(zhuǎn)速的增高有機(jī)裹層負(fù)載量驟減,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min 時(shí),LOI降低至最小值0.42%。在面對(duì)灤河較好水環(huán)境條件下,灤河自生懸浮顆粒物隨著轉(zhuǎn)速的增高有機(jī)裹層的負(fù)載量逐漸降低,當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí),有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最小值0.04%。

      相同水環(huán)境條件不同水動(dòng)力條件對(duì)牛尾河天然懸浮顆粒物的影響如圖3(c)所示。我們發(fā)現(xiàn)在較好的水環(huán)境條件下,牛尾河天然懸浮顆粒物隨著轉(zhuǎn)速的增高其有機(jī)裹層的負(fù)載量從最高值3.12%逐漸降低至最小值0.12%。

      圖3 不同水環(huán)境及水動(dòng)力條件下懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載情況Fig.3 Organic coating load of SPM under different water environments and hydrodynamic conditions

      3 討 論

      3.1 河流水環(huán)境條件對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響

      通過牛尾河與灤河天然懸浮顆粒物表觀特征的對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)牛尾河懸浮顆粒物在較差的水環(huán)境及水動(dòng)力條件下微觀形貌較為復(fù)雜,外部被厚厚的有機(jī)裹層包裹。而灤河懸浮顆粒物在較好的水環(huán)境及水動(dòng)力條件下微觀形貌較為簡單,呈現(xiàn)內(nèi)部無機(jī)礦物的特征。這一現(xiàn)象引發(fā)了我們對(duì)懸浮顆粒物表觀特征變化原因的猜測,水環(huán)境條件的差異是否是造成懸浮顆粒物表觀特征差異的主要原因。通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3(a)與圖3(b)所示,我們發(fā)現(xiàn)無論是牛尾河還是灤河的自生懸浮顆粒物,在面臨較差的水環(huán)境條件(牛尾河上覆水)時(shí),顆粒物的LOI均較較好水環(huán)境條件(灤河上覆水)高,表明水環(huán)境條件對(duì)有機(jī)裹層的附著起到了重要的作用。懸浮顆粒物是包括有機(jī)物在內(nèi)的眾多物質(zhì)在水體中輸移的重要載體,一方面其內(nèi)部的無機(jī)礦物顆粒能夠在范德華力的作用下對(duì)周圍水體中的有機(jī)物產(chǎn)生一定的吸附作用,實(shí)現(xiàn)一部分有機(jī)裹層的負(fù)載[18]。另一方面,水體中的氮、磷、微生物以及藻類也會(huì)附著在懸浮顆粒物上,微生物產(chǎn)生的胞外聚合物對(duì)水體中的眾多物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用,從而進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)裹層的附著[19]。在水環(huán)境條件較差的河流中往往含有大量的有機(jī)物、氮、磷、藻類以及死亡的動(dòng)植物殘?bào)w,為懸浮顆粒物負(fù)載有機(jī)裹層提供了基礎(chǔ)的水環(huán)境條件[20]。

      3.2 河流水動(dòng)力條件對(duì)懸浮顆粒物表觀特征的影響

      通過相同水環(huán)境條件,不同水動(dòng)力條件自生懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量的變化我們發(fā)現(xiàn)水動(dòng)力也是影響懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載的重要因素。圖3(a)與圖3(b)揭示了水動(dòng)力條件逐漸增強(qiáng)的過程中自生懸浮顆粒物有機(jī)裹層的負(fù)載量會(huì)經(jīng)歷先增高后減小的趨勢,這表明在一定范圍內(nèi)(300 r/min 以內(nèi))水動(dòng)力條件的增強(qiáng)能夠促進(jìn)自生懸浮顆粒物與周邊水體中各類物質(zhì)的交換,有利于有機(jī)裹層的附著,但隨著水動(dòng)力條件的繼續(xù)增強(qiáng)(300 r/min 以上),水流的剪切力能夠?qū)腋☆w粒物表面有機(jī)裹層的附著產(chǎn)生負(fù)面影響[21]。圖3(c)的結(jié)果則進(jìn)一步說明了在相同水環(huán)境條件下,水動(dòng)力條件是影響懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載的關(guān)鍵因素,天然懸浮顆粒物在較好水環(huán)境條件下隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng)其有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸降低,特別是當(dāng)水動(dòng)力條件達(dá)到一定程度后(300 r/min),有機(jī)裹層的負(fù)載量驟減。這表明當(dāng)河流水環(huán)境條件較好,無法為懸浮顆粒物的負(fù)載提供有效本底條件時(shí),水動(dòng)力條件是影響懸浮顆粒物有機(jī)裹層負(fù)載量的關(guān)鍵因素[22]。值得一提的是天然懸浮顆粒物表面的有機(jī)裹層負(fù)載量受到河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件的雙重影響,是兩者雙重耦合作用的結(jié)果,而造成河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件差異的主要原因是河流水資源量及人類活動(dòng)的影響,可見懸浮顆粒物的表觀特征也是河流水資源量及人類活動(dòng)的終端響應(yīng)[23]。與此同時(shí),在懸浮顆粒物從河流上游向下游輸移的過程中,水環(huán)境及水動(dòng)力條件也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,相應(yīng)的有機(jī)裹層負(fù)載量也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程,因此天然懸浮顆粒物的表觀特征在同一條河流也會(huì)有相應(yīng)的差別。

      4 結(jié) 論

      (1)牛尾河與灤河的水環(huán)境及水動(dòng)力條件形成鮮明對(duì)比,牛尾河水環(huán)境及水動(dòng)力條件差,懸浮顆粒物微觀形貌復(fù)雜,灤河水環(huán)境及水動(dòng)力條件好,懸浮顆粒物微觀形貌較簡單,呈現(xiàn)內(nèi)部無機(jī)礦物的特征。

      (2)水環(huán)境條件對(duì)有機(jī)裹層的附著起到了重要的作用,水環(huán)境條件越差,化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng),越容易在自生懸浮顆粒物表面形成有機(jī)裹層,導(dǎo)致其表觀特征的變化。

      (3)水動(dòng)力條件是影響河流懸浮顆粒物表觀特征的重要因素,水動(dòng)力條件差有利于無機(jī)礦物與水中各類物質(zhì)接觸,造成有機(jī)裹層更易于附著在無機(jī)礦物表面,水動(dòng)力條件強(qiáng),水流會(huì)對(duì)顆粒物表面產(chǎn)生剪切力,從而使增長的有機(jī)裹層難以在無機(jī)礦物表層附著。

      (4)河流懸浮顆粒物的表觀特征受到河流水環(huán)境及水動(dòng)力條件的雙重調(diào)控,是物理風(fēng)化與化學(xué)風(fēng)化共同作用的結(jié)果。

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