李青霞，唐洪武，袁賽瑜

（河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

由于全球氣候變化和土地使用加劇，河流水位變動(dòng)的頻率和空間范圍增大。河流的水位變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致部分床沙經(jīng)歷干濕交替，改變作為水體污染物重要匯/源——泥沙的吸附特性，從而影響河流生態(tài)環(huán)境［1-2］，因而水位變動(dòng)對(duì)河流泥沙吸附特性的影響受到越來(lái)越多的關(guān)注［3-4］。

泥沙經(jīng)歷干濕交替的情況主要分兩種：（1）由自然氣候變化產(chǎn)生的水位變動(dòng)，引起部分河床經(jīng)歷干燥再淹沒(méi)，尤其是旱澇等極端氣候條件；（2）由于水庫(kù)的建成所產(chǎn)生的大面積土地淹沒(méi)，以及由水庫(kù)運(yùn)行方式所產(chǎn)生的大面積消落帶泥沙所經(jīng)歷的干濕交替。前者的研究主要集中在淺水湖泊和濕地沉積物［5-8］；后者的研究主要集中在一些大型水庫(kù)，比如三峽庫(kù)區(qū)和丹江口庫(kù)區(qū)［9-12］。研究結(jié)果表明，干濕交替產(chǎn)生的最突出的問(wèn)題是河床泥沙釋放氮磷等污染物風(fēng)險(xiǎn)增大，更易成為氮磷釋放“源”。例如，底泥在落干過(guò)程中，對(duì)磷的吸附能力降低，零凈吸附磷濃度（EPC0）增大；再淹沒(méi)后，磷釋放量顯著增大，加劇了底泥磷釋放對(duì)水體的二次污染。泥沙暴露在空氣中會(huì)引起顆粒表面的氧化、金屬氧化物的熟化（尤其是鐵）、有機(jī)磷的礦化和微生物數(shù)量的減少，進(jìn)而降低泥沙對(duì)磷的親和性［3，13］；干燥再淹沒(méi)后床沙對(duì)磷的釋放動(dòng)力主要來(lái)自于經(jīng)過(guò)氧化還原轉(zhuǎn)換后鐵結(jié)合態(tài)磷的釋放［12］。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于干濕交替對(duì)泥沙吸附特性影響的研究缺少對(duì)細(xì)顆粒泥沙（≤30 μm）的關(guān)注。細(xì)顆粒泥沙污染物吸附能力明顯大于粗粒徑泥沙［14］，在水體污染物遷移轉(zhuǎn)化中起著更為重要的作用［15-18］。落干過(guò)程中，由于黏細(xì)泥沙顆粒表面腐殖質(zhì)和礦質(zhì)膠體含量較高，會(huì)使泥沙顆粒發(fā)生黏結(jié)團(tuán)聚，再淹沒(méi)后則以微團(tuán)聚體的形式賦存在河床中［19］。微團(tuán)聚體的產(chǎn)生會(huì)改變水沙的接觸面積，從而改變泥沙對(duì)污染物的吸附特性。再者，目前相關(guān)研究主要集中于水動(dòng)力較弱的湖泊、濕地和庫(kù)區(qū)等［5-12］，對(duì)河流研究較少，未考慮干燥再淹沒(méi)后水動(dòng)力條件對(duì)床沙吸附能力的影響。尤其對(duì)于平原河流，其床沙粒徑較細(xì)，徑流量受降雨影響大，水位變動(dòng)頻率高，影響范圍大。河流水位的變化必然伴隨著水動(dòng)力條件的改變，微團(tuán)聚體的團(tuán)聚程度也可能發(fā)生變化。因而需要重視水動(dòng)力條件對(duì)經(jīng)歷干燥再淹沒(méi)后的細(xì)顆粒床沙的吸附特性的影響。

本文選取淮河中游淹沒(méi)區(qū)的細(xì)顆粒床沙，通過(guò)對(duì)比原始濕沙和風(fēng)干沙的粒徑，以及不同振蕩頻率下二者的磷吸附特性，探究考慮水動(dòng)力條件時(shí)，干燥再淹沒(méi)對(duì)細(xì)顆粒床沙吸附特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)沙樣采集及處理淮河作為平原河流，其降雨季節(jié)性變化和徑流量年內(nèi)變化均較大。結(jié)合2013—2015年淮河水沙資料分析，淮河徑流量和輸沙量主要集中于每年5—10月的雨季［20-22］，會(huì)引起淮河干流及其支流較大的水位變動(dòng)。2013年淮河流域各主要水文站點(diǎn)的水位資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，水位變動(dòng)均值為2.5 m，最高水位差可達(dá)8 m。本文選取淮河干流吳家渡水文站淹沒(méi)區(qū)床沙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。圖1為吳家渡水文站2006年和2013年年內(nèi)水位日變化過(guò)程。由圖1可見(jiàn)，水位變動(dòng)劇烈，且時(shí)間主要集中在6—10月份，最大水位差可達(dá)6.6 m，會(huì)導(dǎo)致大面積床沙經(jīng)歷干燥再淹沒(méi)過(guò)程。該站點(diǎn)床沙在漲水和落水過(guò)程中隨流量的大小變化表現(xiàn)為有沖有淤，從2003年和2007年兩次大洪水情況來(lái)看，在汛期漲水和落水過(guò)程中都表現(xiàn)出了沖刷，并且沖刷量遠(yuǎn)大于淤積量［23］。吳家渡位于淮河中游，床沙黏細(xì)，有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)等含量高，泥沙粒徑?。ㄖ兄盗皆?3～16 μm），干燥再淹沒(méi)過(guò)程中易發(fā)生團(tuán)聚。實(shí)驗(yàn)沙樣采自淮河中游吳家渡水文站淹沒(méi)區(qū)，在采樣點(diǎn)表面采用德國(guó)HYDRO-BIOS公司生產(chǎn)的小型箱式分層床沙采樣器，采集床面表層以下15 cm深度內(nèi)的泥沙樣品，當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室置于4℃冰箱中冷藏保存。

圖1 淮河吳家渡水文站2006年和2013年年內(nèi)水位日變化過(guò)程

按照美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)的粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，31 μm是中細(xì)粉砂和粗粉砂的分界限［24］，并且小于31 μm的泥沙可以方便得通過(guò)濕篩法進(jìn)行分離，因此選取粒徑小于31 μm的泥沙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。為了對(duì)泥沙粒徑進(jìn)行均化處理，將所采沙樣進(jìn)行充分混合并加水稀釋分散，過(guò)31 μm濕篩，收集過(guò)篩沙樣，然后靜置24 h，再利用虹吸法將上清液轉(zhuǎn)移出來(lái)。將下層的床沙樣品分為兩份，一份在離心機(jī)中進(jìn)行水沙分離，得到的沙樣為原始濕沙（后文簡(jiǎn)稱濕沙），測(cè)量含水率（含水率為40.2%），盡量使其接近天然含水率（42%），并于4℃冰箱中保存?zhèn)溆茫涣硗庖环葜糜?0℃烘箱，模擬天然情況恒溫風(fēng)干［4］，然后碾碎混勻，得到干沙沙樣，于4℃冰箱中保存?zhèn)溆茫ê笪暮?jiǎn)稱為風(fēng)干沙）。上述的加水稀釋過(guò)程，以泥沙分散為目的，稀釋倍數(shù)盡量小。雖然后續(xù)的靜置沉降過(guò)程中會(huì)有少量極細(xì)黏粒和膠體物質(zhì)因難以沉降，而留在上覆水中被轉(zhuǎn)移出去，但其對(duì)泥沙的吸附容量和等溫吸附曲線的影響可以忽略不計(jì)，也不會(huì)影響干濕泥沙吸附特性的比較。上述離心分離的主要目的是加速泥沙的沉降排水過(guò)程，使?jié)裆澈式咏幚砬暗奶烊缓?，此過(guò)程中分離出的上清液較少，不會(huì)對(duì)濕沙的吸附特性產(chǎn)生影響。泥沙樣品處理結(jié)束后，分別利用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 2000）測(cè)量濕沙和風(fēng)干沙的粒徑分布（圖2），測(cè)量模塊為濕法測(cè)量，沙樣粒徑均在水體中進(jìn)行測(cè)量。

2.2 等溫吸附實(shí)驗(yàn)為了獲得不同水動(dòng)力條件下干濕不同狀態(tài)泥沙的吸附特征參數(shù)，通過(guò)改變恒溫振蕩箱振蕩頻率來(lái)模擬不同水動(dòng)力條件［25］。本文選取3個(gè)振蕩強(qiáng)度100、180和250 r/min，進(jìn)行干濕不同狀態(tài)泥沙等溫吸附曲線的測(cè)量。3種振蕩強(qiáng)度分別對(duì)應(yīng)天然水動(dòng)力作用下干燥床沙不同的起懸程度，不起懸、少量起懸和大量起懸。取泥沙與水溶液質(zhì)量比為1∶100，在離心管中振蕩2 h至懸沙濃度穩(wěn)定后，測(cè)量上覆水體懸沙濃度，得到干濕泥沙不同振蕩強(qiáng)度下的起懸程度如表1所示。濕沙隨著振蕩強(qiáng)度的增大，起懸量逐漸增大；而干沙經(jīng)歷干燥再淹沒(méi)后起動(dòng)條件發(fā)生極大改變，抗沖刷能力極大增強(qiáng)，但振蕩強(qiáng)度超過(guò)一定限度后會(huì)突然大量起動(dòng)，這可能與泥沙在干燥過(guò)程中的淤積固結(jié)有關(guān)［26］。振蕩強(qiáng)度100 r/min作用下與靜置條件下上覆水中泥沙的起懸量相差很小，即再淹沒(méi)床沙不起懸；180 r/min作用下泥沙濃度少量增加，絕大部分位于底泥中，即再淹沒(méi)床沙少量起懸；250 r/min作用下再淹沒(méi)床沙大量起懸。

表1 干濕泥沙不同振蕩強(qiáng)度下的懸沙濃度 （單位：g/L）

實(shí)驗(yàn)時(shí)泥沙與水溶液質(zhì)量比為1∶100，即在一系列100 ml離心管中分別加入0.5 g風(fēng)干沙和干重為0.5 g（通過(guò)濕沙含水量換算）的濕沙，然后加入50 ml濃度分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8和10 mg/L的KH2PO4溶液，于24℃下振蕩24 h，pH值維持在6～7。然后將離心管在5000 r/min下離心10 min，抽取上清液，過(guò)0.45 μm水系濾膜，用鉬-銻-抗比色法測(cè)定上清液中溶解性磷酸鹽的含量，以初始濃度與實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)磷溶液濃度差作為泥沙吸附量。每個(gè)工況設(shè)置3個(gè)平行樣，取其測(cè)量平均值作為該工況下泥沙的最終吸附量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 干濕泥沙粒徑變化從圖2和表2中可以看出，泥沙干燥后，泥沙級(jí)配分布改變極大，中值粒徑從干燥前的11.46 μm增加到干燥再淹沒(méi)后的31.97 μm。黏粒和中細(xì)粉砂粒徑組含量大幅減少，分別降低了15%和29%，粗粉砂及以上粒徑組含量大幅增加，增加了44%，可以推斷，細(xì)顆粒床沙在干燥過(guò)程中發(fā)生了顆粒之間的團(tuán)聚，以粒徑更大的微團(tuán)聚體形式存在于水體中。

圖2 濕沙和干沙粒徑分布對(duì)比

另外，在粒徑測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這種新形成的微團(tuán)聚體水穩(wěn)定性很高，將其重新再淹沒(méi)在水體中也很難使其再恢復(fù)到初始分散狀態(tài)，而是繼續(xù)以微團(tuán)聚體的狀態(tài)存在于水體中。Horowitz等［27］在對(duì)17個(gè)水文地貌不同的河床泥沙的研究中，也發(fā)現(xiàn)了由細(xì)顆粒泥沙組成的微團(tuán)聚體（粒徑＜63 μm或者＜125 μm），其主要由鐵錳氧化物和有機(jī)質(zhì)等黏結(jié)在一起所形成的。通常情況下，床沙的淤泥質(zhì)層在水壓力和自重作用下，會(huì)發(fā)生自然的固結(jié)沉降，泥沙顆粒間會(huì)發(fā)生黏聚，這個(gè)過(guò)程通常需要數(shù)年之久，然而當(dāng)床沙經(jīng)歷干燥之后，顆粒間水分迅速蒸發(fā)排出，幾天之內(nèi)發(fā)生快速的壓縮固結(jié)，細(xì)沙顆粒在有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)等的作用下黏結(jié)團(tuán)聚。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)離心機(jī)對(duì)恒溫振蕩實(shí)驗(yàn)后的水沙進(jìn)行分離時(shí)，濕沙分離后得到的上清液是均質(zhì)的黃色溶液，通過(guò)水系濾膜過(guò)濾后會(huì)有黃色膠質(zhì)被分離出來(lái)。這部分黃色膠質(zhì)主要包括短時(shí)間內(nèi)難以離心沉降的細(xì)黏粒（＜1 μm）和以膠體態(tài)懸浮于上覆溶液中的大分子量有機(jī)質(zhì)［28］。這些膠體物質(zhì)對(duì)污染物吸附能力極高，對(duì)污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化具有重要影響［29］。風(fēng)干沙分離后得到的上清液無(wú)色透明，主要是因?yàn)檫@些膠體物質(zhì)極容易與大顆粒物質(zhì)膠結(jié)團(tuán)聚，風(fēng)干沙再淹沒(méi)后這些膠體物質(zhì)也不會(huì)釋放出來(lái)，從而影響風(fēng)干沙對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化。

表2 濕沙和風(fēng)干沙的粒徑分級(jí)對(duì)比

3.2 干濕泥沙吸附參數(shù)的對(duì)比為了描述干濕不同狀態(tài)泥沙的吸附特性，利用Henry線性方程、Freundlich方程和Langmuir方程對(duì)樣品等溫吸附過(guò)程進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖3。圖3中，Ne為單位質(zhì)量泥沙的磷平衡吸附量；Ce為溶液中磷的平衡濃度。對(duì)于整個(gè)初始磷濃度范圍，F(xiàn)reundlich方程和Langmuir方程均能較好的模擬泥沙的等溫吸附過(guò)程（圖3（a）和（b）），相比較而言，Langmuir模型對(duì)于泥沙的擬合程度更好。在低濃度范圍內(nèi)（C0≤0.8 mg/L），由于泥沙有足夠的吸附位點(diǎn)，對(duì)磷的吸附隨溶液中磷濃度的提高而呈現(xiàn)較好的線性變化（圖3（c）），因此用Henry線性方程可以對(duì)此濃度范圍內(nèi)的泥沙吸附特性進(jìn)行更好地描述，進(jìn)而可以方便得求出零凈吸附磷濃度（EPC0）［9］。EPC0是水體中泥沙對(duì)磷既不發(fā)生吸附也不發(fā)生解吸的水體磷濃度，可用于判斷水體中泥沙對(duì)磷的臨界吸附/解吸濃度。

圖3 不同振蕩強(qiáng)度下濕沙和風(fēng)干沙等溫吸附曲線對(duì)比

由3種等溫吸附方程擬合得到的泥沙吸附特性參數(shù)如表3，相比于濕沙，風(fēng)干沙的EPC0值顯著增大，最大吸附量和吸附能顯著降低，磷釋放風(fēng)險(xiǎn)增大，與前人研究結(jié)果一致［3，5］。對(duì)比不同動(dòng)力條件下的干濕泥沙吸附特征參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)干燥后的泥沙的吸附能力受外界動(dòng)力條件的影響較大，振蕩強(qiáng)度越大，吸附能力越強(qiáng)；而濕沙的吸附能力幾乎不受外界水動(dòng)力條件影響，這可能主要與泥沙干燥過(guò)程中形成的微團(tuán)聚體的分散有關(guān)。Barrow等［30］在采用不同的振蕩方式進(jìn)行土壤動(dòng)力學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，也觀察到了土壤顆粒團(tuán)聚體的分散，并將其作為土壤顆粒吸附速率增大的主要原因。可見(jiàn)，泥沙吸附能力的下降，不僅跟風(fēng)干過(guò)程中泥沙顆粒所經(jīng)歷的化學(xué)變化相關(guān)，也跟泥沙顆粒的物理結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。黏細(xì)泥沙顆粒在干燥過(guò)程中發(fā)生的團(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致水沙接觸面積減少，尤其是細(xì)黏粒、大分子量有機(jī)質(zhì)與大顆粒物質(zhì)間的黏聚，將原本暴露在水沙界面的吸附點(diǎn)位包裹在團(tuán)聚體內(nèi)，從而減少泥沙對(duì)污染物的有效吸附面積，因此顆粒團(tuán)聚是泥沙干燥后吸附能力下降的原因之一。

表3 Henry方程、Freundlich方程和Langmuir方程擬合吸附參數(shù)對(duì)比

EPC0值是床沙吸附磷的臨界濃度值，反映了床沙對(duì)外源磷的緩沖能力和對(duì)內(nèi)源磷的固定能力［9］。風(fēng)干沙的EPC0值始終大于濕沙，說(shuō)明風(fēng)干沙需要在上覆水濃度更高的條件下才能發(fā)揮污染物“匯”的作用，因此泥沙經(jīng)歷干燥再淹沒(méi)后磷釋放風(fēng)險(xiǎn)增大。通過(guò)對(duì)比不同振蕩強(qiáng)度下干濕泥沙的EPC0值，可以發(fā)現(xiàn)干燥再淹沒(méi)過(guò)程改變了水動(dòng)力對(duì)床沙EPC0值的影響趨勢(shì)。在低磷濃度范圍內(nèi)，對(duì)于濕沙來(lái)說(shuō)，由振蕩強(qiáng)度增大所導(dǎo)致的解吸增量大于吸附增量，因而在水動(dòng)力增強(qiáng)過(guò)程中，表現(xiàn)出了EPC0增大的趨勢(shì)，對(duì)內(nèi)源磷的固定能力減弱；而對(duì)于干沙來(lái)說(shuō)，由于水動(dòng)力對(duì)團(tuán)聚體的作用，由振蕩強(qiáng)度增大所導(dǎo)致的吸附增量大于解吸增量，因而在水動(dòng)力增強(qiáng)過(guò)程中，表現(xiàn)出了EPC0減小的趨勢(shì)，對(duì)外源磷的緩沖能力提高。因此，雖然床沙經(jīng)歷過(guò)干燥再淹沒(méi)后磷釋放風(fēng)險(xiǎn)增大，但是水動(dòng)力的作用可以提高其對(duì)磷的緩沖能力。

為了進(jìn)一步揭示其影響機(jī)理，結(jié)合表1中不同振蕩強(qiáng)度下泥沙的起懸情況，對(duì)比分析圖3中干濕泥沙不同振蕩強(qiáng)度下的平衡吸附量。當(dāng)振蕩強(qiáng)度從100 r/min增加到180 r/min時(shí)，干沙吸附增量略高于濕沙，但二者起懸量相差極大，再淹沒(méi)床沙從不起懸到少量起懸，而濕沙為少量起懸到中量起懸；當(dāng)振蕩強(qiáng)度從100 r/min增加到250 r/min時(shí)，干濕泥沙均為從少量起懸或不起懸到大量起懸，但干沙的吸附增量遠(yuǎn)大于濕沙。分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是，水動(dòng)力除了通過(guò)影響起懸量來(lái)影響泥沙吸附量外，還會(huì)通過(guò)改變干沙中團(tuán)聚體的分散程度來(lái)進(jìn)一步改變泥沙吸附量。隨著振蕩強(qiáng)度的增大，單位時(shí)間內(nèi)泥沙懸浮量增多，同時(shí)泥沙干燥過(guò)程中產(chǎn)生的微團(tuán)聚體也會(huì)發(fā)生分散，這兩者都會(huì)導(dǎo)致泥沙與污染物接觸面積增大，從而增加泥沙對(duì)污染物的吸附?？梢?jiàn)，河床泥沙中微團(tuán)聚體的存在，增大了水動(dòng)力對(duì)河流水環(huán)境的調(diào)控能力。

圖4給出了濕沙和風(fēng)干沙在相同工況下的吸附量比值隨振蕩強(qiáng)度和磷初始濃度的變化，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在水體磷初始濃度為0時(shí)，干濕泥沙均呈釋放狀態(tài)，濕沙和風(fēng)干沙的平衡吸附量比值小于1，風(fēng)干沙的釋放量要大于濕沙；當(dāng)水體磷初始濃度為0.2 mg/L時(shí)，濕沙對(duì)磷是吸附狀態(tài)，其吸附量為正值，而風(fēng)干沙對(duì)磷是釋放狀態(tài)，其吸附量定為負(fù)值，因此濕沙和風(fēng)干沙的平衡吸附量比值為負(fù)值，其絕對(duì)值小于1；當(dāng)濃度大于0.2 mg/L時(shí)，濕沙的吸附量要明顯大于風(fēng)干沙，平衡吸附量比值均大于1，且隨著振蕩強(qiáng)度的增大呈下降趨勢(shì)。相同初始濃度下（0.4 mg/L）濕沙和風(fēng)干沙的平衡吸附量比值可從3.8下降到1.3，最高振蕩強(qiáng)度250 r/min下，比值穩(wěn)定在1.3左右。由此可見(jiàn)，干燥再淹沒(méi)過(guò)程改變了床沙對(duì)磷的吸附特征，當(dāng)C0＞0.2 mg/L時(shí)，初始磷濃度和振蕩強(qiáng)度越低，干濕泥沙吸附特征差異越大。

干濕泥沙在不同初始磷濃度和振蕩強(qiáng)度條件下表現(xiàn)出不同的吸附特征，分析主要是由泥沙本身的多孔性及其易于團(tuán)聚的特性所導(dǎo)致的。在研究泥沙吸附特性時(shí)，可以將泥沙視作多孔介質(zhì)。與多孔介質(zhì)的吸附過(guò)程類似，泥沙微團(tuán)聚體的吸附過(guò)程主要由三個(gè)基本過(guò)程組成：離子在微團(tuán)聚體表面的薄液層中擴(kuò)散、離子在微團(tuán)聚體內(nèi)泥沙顆粒間孔隙和泥沙顆粒內(nèi)部細(xì)孔內(nèi)擴(kuò)散，最后離子吸附在泥沙顆粒細(xì)孔內(nèi)的吸附位上［31］。由此可以推斷，低振蕩強(qiáng)度下，干沙樣品中團(tuán)聚體粒徑較大，部分吸附位被包裹在團(tuán)聚體內(nèi)部，有效吸附位數(shù)量減少，同時(shí)聚集在團(tuán)聚體內(nèi)部的細(xì)沙顆粒只能通過(guò)離子擴(kuò)散進(jìn)行吸附，吸附行為受到限制。低濃度條件下，團(tuán)聚體表面濃度梯度較小，擴(kuò)散能力弱，因此吸附量少，導(dǎo)致濕沙與風(fēng)干沙平衡吸附量比值大。隨著振蕩強(qiáng)度增大，風(fēng)干沙樣品中微團(tuán)聚體被分散，包裹在內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)等形成的吸附位可以暴露在水沙界面，團(tuán)聚體內(nèi)部的細(xì)黏顆粒也可與磷酸根溶液直接作用，有效吸附位數(shù)量增多，吸附量變大，因此干濕泥沙平衡吸附量比值變小。

圖4 濕沙與干沙平衡吸附量比值隨初始磷溶液濃度和振蕩強(qiáng)度的變化對(duì)比

3.3 水位變動(dòng)對(duì)床沙吸附的影響過(guò)程河流水位變動(dòng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的過(guò)程，本文通過(guò)濕沙和風(fēng)干沙兩種沙樣吸附特性的對(duì)比，進(jìn)行水位變動(dòng)對(duì)床沙吸附特性的研究，是對(duì)實(shí)際物理過(guò)程的簡(jiǎn)化。下面結(jié)合本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以水位上漲回落過(guò)程中，處于水位變動(dòng)區(qū)域床沙的吸附特性變化為例，討論水位變動(dòng)對(duì)再淹沒(méi)床沙吸附的影響過(guò)程。

水位上漲之前，靠近岸坡的床沙處于干燥狀態(tài)，在此過(guò)程中由于床沙所經(jīng)歷的物理、化學(xué)和生物變化，其對(duì)內(nèi)源磷的固定能力和外源磷的吸附能力顯著下降。隨著汛期來(lái)臨，水位上漲后，這部分床沙再次被淹沒(méi)在河流中，具有較高的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)。漲水初期，水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，再淹沒(méi)床沙處于不起懸或少量起懸狀態(tài)，當(dāng)上覆水磷濃度小于EPC0值時(shí)，再淹沒(méi)床沙易成為磷釋放源。隨著水位的上漲，水動(dòng)力強(qiáng)度逐漸增大，再淹沒(méi)床沙吸附磷的臨界濃度值減小，磷吸附能力小幅上升。當(dāng)水位進(jìn)一步上漲后，達(dá)到再淹沒(méi)床沙的起懸條件后，床沙大量起懸，對(duì)上覆水體中磷的吸附能力劇增。此時(shí)當(dāng)上游閘壩下泄枯水期形成的污水團(tuán)時(shí)，可對(duì)下泄的高濃度污水團(tuán)起到很好的緩沖固定作用。對(duì)于淮河來(lái)說(shuō)，落水期也會(huì)隨流量大小變化而表現(xiàn)出河床的沖刷，這有利于河床泥沙對(duì)上覆水質(zhì)的進(jìn)一步緩沖調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

細(xì)顆粒床沙在干燥過(guò)程中顆粒間會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，極大改變了床沙的粒徑組成，再淹沒(méi)后以微團(tuán)聚體的形式賦存在水體中，改變床沙的起懸條件。床沙經(jīng)歷干燥再淹沒(méi)后，吸附容量顯著降低，EPC0顯著增大，更易成為磷釋放源，對(duì)河流外源磷的緩沖能力減弱。隨著水動(dòng)力強(qiáng)度的增大，微團(tuán)聚體會(huì)發(fā)生分散，導(dǎo)致泥沙與磷酸根離子的接觸面積增大，吸附能力顯著增強(qiáng)。另外，當(dāng)水動(dòng)力強(qiáng)度超過(guò)一定限度后，再淹沒(méi)床沙會(huì)突然大量起懸，吸附量劇增，可對(duì)汛期下泄的污水團(tuán)起到更強(qiáng)的固定緩沖作用。當(dāng)C0＞0.2 mg/L時(shí)，水動(dòng)力強(qiáng)度和初始磷溶液濃度越低，風(fēng)干沙與原始濕沙吸附量差異越顯著，這與微團(tuán)聚體的分散程度相關(guān)。

不同干濕狀態(tài)下，對(duì)于相同的床沙，其吸附特性會(huì)存在巨大差異，對(duì)水環(huán)境的調(diào)節(jié)能力也不同。因此，在特定工況下對(duì)床沙的吸附特性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需要充分考慮水位變動(dòng)的影響。水位變動(dòng)是評(píng)估床沙對(duì)水環(huán)境調(diào)節(jié)能力不可忽視的重要因素。

［1］禹雪中，鐘德鈺，李錦秀，等 .水環(huán)境中泥沙作用研究進(jìn)展及分析［J］.泥沙研究，2004（6）：75-81.

［2］唐洪武，袁賽瑜，肖洋 .河流水沙運(yùn)動(dòng)對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（1）：139-147.

［3］KERR J G，BURFORD M，OLLEY J，et al.The effects of drying on phosphorus sorption and speciation in subtropical river sediments［J］.Marine and Freshwater Research，2010，61（8）：928-935.

［4］SCHONBRUNNER I M，PREINER S，HEIN T.Impact of drying and re-flooding of sediment on phosphorus dynamics of river-floodplain systems［J］.Science of the Total Environment，2012，432：329-337.

［5］DIETER D，HERZOG C，HUPFER M.Effects of drying on phosphorus uptake in re-flooded lake sediments［J］.Environmental Science and Pollution Research，2015，22（21）：17065-17081.

［6］BALDWIN D S，MITCHELL A M，REES G N.The effects of in situ drying on sediment-phosphate interactions in sediments from an old wetland［J］.Hydrobiologia，2000，431（1）：3-12.

［7］VO N X Q，KANG H.Regulation of soil enzyme activities in constructed wetlands under a short-term drying period［J］.Chemistry and Ecology，2013，29（2）：146-165.

［8］COOPS H，BBEKLIOGLU M，CRISMAN T L.The role of water-level fluctuations in shallow lake ecosystems workshop conclusions［J］.Hydrobiologia，2003，506（1）：23-27.

［9］孫文彬，杜斌，趙秀蘭，等 .三峽庫(kù)區(qū)澎溪河底泥及消落區(qū)土壤磷的形態(tài)及吸附特性研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34（3）：1107-1113.

［10］曾祉祥，雷沛，張洪，等 .丹江口水庫(kù)典型消落區(qū)土壤氮磷賦存形態(tài)及釋放特征研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（5）：1383-1392.

［11］賈海燕，雷阿林，葉閩，等 .三峽水庫(kù)水位消落區(qū)典型土壤磷釋放特征及其環(huán)境效應(yīng)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2007，18（3）：433-438.

［12］馬利民，張明，滕衍行，等 .三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)周期性干濕交替環(huán)境對(duì)土壤磷釋放的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（4）：1035-1039.

［13］BALDWIN D S.Effects of exposure to air and subsequent drying on the phosphate sorption characteristics of sediments from a eutrophic reservoir［J］.Limnology and Oceanography，1996，41（8）：1725-1732.

［14］肖洋，陸奇，成浩科，等 .泥沙表面特性及其對(duì)磷吸附的影響［J］.泥沙研究，2011（6）：64-68.

［15］崔雙超，丁愛(ài)中，潘成忠，等 .不同粒徑泥沙理化特性對(duì)磷吸附過(guò)程的影響［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013，7（3）：863-868.

［16］王而力，王嗣淇，徐穎 .沙土不同粒徑微團(tuán)聚體對(duì)磷的富集特征［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（3）：827-834.

［17］STONE M，MULAMOOTTIL G，LOGAN L.Grain size distribution effects on phosphate sorption by fluvial sediment： implications for modelling sediment-phosphate transport［J］.Hydrological Sciences Journal，1995，40（1）：67-81.

［18］STONE M，MUDROCH A.The effect of particle size，chemistry and mineralogy of river sediments on phosphate adsorption［J］.Environmental Technology Letters，1989，10（5）：501-510.

［19］張潮 .有機(jī)質(zhì)和電解質(zhì)對(duì)黃河三角洲沉積物團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013.

［20］中華人民共和國(guó)水利部 .中國(guó)河流泥沙公報(bào) 2013［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

［21］中華人民共和國(guó)水利部 .中國(guó)河流泥沙公報(bào) 2014［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2015.

［22］中華人民共和國(guó)水利部 .中國(guó)河流泥沙公報(bào) 2015［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2016.

［23］虞邦義，郁玉鎖，倪晉 .淮河干流吳家渡至小柳巷河段泥沙沖淤分析［J］.泥沙研究，2009（4）：12-16.

［24］封光寅 .河流泥沙顆粒分析原理及方法［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［25］王鵬，馮燕，蔡赟杰 .水動(dòng)力條件對(duì)太湖底泥吸附苯胺性能的影響［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36（5）：117-123.

［26］王軍，談廣鳴，舒彩文 .淤積固結(jié)條件下黏性細(xì)泥沙起動(dòng)沖刷研究綜述［J］.泥沙研究，2008（3）：75-80.

［27］HOROWITZ A J，ELRICK K A.The relation of stream sediment surface area，grain size and composition to trace element chemistry［J］.Applied Geochemistry，1987，2（4）：437-451.

［28］王美麗，李軍，朱兆洲，等 .土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的研究進(jìn)展［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2010，29（3）：304-310，316.

［29］HONEYMAN B D.Geochemistry：Colloidal culprits in contamination［J］.Nature，1999，397（6714）：23-24.

［30］BARROW N J，SHAW T C.Effects of solution：soil ratio and vigour of shaking on the rate of phosphate adsorption by soil［J］.Journal of Soil Science，1979，30（1）：67-76.

［31］［日］近藤精一，石川達(dá)雄，安部郁夫 .吸附科學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.