河流水体污染与泥沙环境效应研究进展

【水资源】

河流水体污染与泥沙环境效应研究进展

路瑞利1,李　彬2,高　柯1,孙　羽2

(1.宁夏大学土木水利工程学院,宁夏银川750021;2.华北水利水电学院,河南郑州450011)

摘　要:分析了河流水体污染的机理与污染物特性,针对多沙河流的泥沙污染物迁移转化现象,讨论了泥沙污染物的吸附与解吸效应。同时给出了受泥沙影响的污染物迁移转化模式与模型,包括吸附态、溶解态污染物以及重金属污染物迁移转化模型。探讨了近年在水体污染控制与治理研究方面的主要关键技术,提出了设置水资源保护区的必要性。

关　键　词:水体污染;泥沙吸附;解吸;迁移转化;生态流量

中图分类号:T V145.1 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.100021379.2010.04.034

1　水体污染特性

1.1　水体污染机理

所有天然水体都具有净化污染物的能力,按净化的机制,水体自净可分为物理净化、化学净化和生物净化。水体自净能力是有一定限制的,它需要一定的时间与空间。当“污染物”进入水体后,若其含量超过水体的自净能力,引起水质恶化,破坏水体原有用途时称为水体污染。污染物在水体中受到两种机制的作用:水体污染引起水质恶化和水体自净形成对污染物的瓦解。如何使后者主导、抑制前者,是研究水体污染机理、防治水体污染的主要工作。

1.2　水体污染物

我国水体污染物中,量最大且分布广的是耗氧有机物,而危害最大的是重金属和难降解的有毒无机物[1]。反映耗氧有机物污染的两种常用指标是化学需(耗)氧量(COD)和生化需(耗)氧量(BOD),它们分别表示利用化学氧化剂或微生物氧化水样中有机物所消耗的溶解氧量。其指标越高水体污染越严重。溶解氧(DO)浓度也是衡量水中有机物污染程度的重要指标,其浓度越低,有机物污染越严重。

水体中主要污染物按存在状态可分为悬浮物质、胶体物质和溶解物质3类。悬浮物质主要是泥沙和黏土,大部分来源于土壤和坡面径流,少量来自洗涤废水。胶体物质多是黏土无机胶体和水生物残骸腐烂分解出的高分子有机胶体,其中总大肠菌群是检验致病微生物是否存在和水体污染状况的指标之一。溶解物质主要是一些易溶于水的盐类(氛化物、硫酸盐、氟化物等)和溶解气体(二氧化碳、硫化氢等)。悬浮物和底泥是污染物的重要载体,排入水体的重金属污染物大部分迅速转移至悬浮物和沉积物中,悬浮物也在一定条件下逐渐变为沉积物。沉积物能在一定程度上反映水质状况,可作为水环境污染的指示剂[2]。

在一定条件下,污染物从溶解态向基于泥沙的吸附态的转移称为泥沙吸附过程。泥沙颗粒的吸附分为物理吸附和化学吸附,物理吸附主要与泥沙的比表面积(面积/重量)有关,化学吸附与泥沙所含活性成分有关。泥沙粒径越小,比表面积越大,所含活性成分越多,有机物或重金属吸附量越大,所以泥沙颗粒的理化性质与其吸附特性密切相关。一般吸附效应与水体的pH值和泥沙沉积物的组成有关,泥沙吸附作用可以通过建立泥沙吸附量与吸附时间的相关数学模型来描述,通常采用平衡吸附等温线方程和吸附动力学方程。

在一定条件下,污染物从基于泥沙的吸附态向溶解态的转移称为泥沙解吸过程,包括底泥中污染物的释放和悬浮泥沙吸附污染物的释放。水体动力条件和水环境化学条件的改变是引发水体中泥沙解吸污染物的主要原因。按照水体紊动特征,泥沙解吸分为两类:①紊动微弱时,底泥(床沙)基本不起浮,底泥释放以孔隙水污染物向上扩散迁移为主,释放过程主要与污染物扩散通量、上覆水寄宿时间、水体污染物含量及水深有关;

②紊动变化引起床沙与悬沙发生动态交换,泥沙解吸除了床沙中污染物释放外,还包括悬浮泥沙解吸,并且起悬床沙携带的污染物在一定程度上会影响到水质。

2　河流水体污染研究的新动向

2.1　受泥沙影响的污染物迁移转化模式

河流污染物随水沙运动而被迁移转化,泥沙对污染物的影响是当前水体污染研究的一个新热点。河流污染物迁移转化的主要表现:①伴随泥沙冲淤、污染物在底泥(床沙)和水体之间的交换,水体中污染物的赋存量发生动态变化;②通过吸附

　收稿日期:2009-10-09

　基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB06B00-04);水利部公益性行业科研专项(200701020);水利部“948”计划项目(200718)。

　作者简介:路瑞利(1984—),女,河南郑州人,硕士,研究方向为水利水电工程。　E2mail:ruili_0328@163.co m

・

7

7

・

第32卷第4期 人　民　黄　河 Vol.32,No.4

2010年4月 YE LLOW　R I V ER Ap r.,2010

解吸过程,污染物在水沙两相之间发生交换,从而改变污染物的赋存状态;③泥沙的输移过程使得污染物的空间分布发生变化。

泥沙污染物迁移转化的模式:悬浮对流扩散、随推移质床沙迁移、泥沙吸附(水溶态污染物向颗粒态转移)、悬移态和沉积态泥沙解吸、床沙与悬移质交换迁移、生物摄取、富集。其输移转化过程见图1

[2]

。

图1　河流污染物输移转化过程

2.2　受泥沙影响的污染物迁移转化模型

在建立泥沙污染物迁移基本控制方程时,要考虑污染物形态分布的不同方式。

2.2.1　吸附态泥沙污染物迁移转化模型

吸附态泥沙污染物的迁移转化过程包括随水流输移、床沙悬沙交换、吸附态与溶解态污染物交换3个部分。取渐变流微分河段d x 为控制体,设过水面积为A,河宽为B ,断面平均流速为U,来流含沙量与河段水流挟沙能力分别为S 和S 3。根据质量守恒原理,在d t 时段内进出控制体的吸附态污染物质量之差,加上控制体内吸附(解吸)作用产生的变化量,等于d t 时段内控制体中吸附态污染物质量的变化。导出吸附态污染物的输移转化方程

[3]

为

S 9(AC s )9t +S 9(UAC s )9x =9

9x [AD x 9(C s S )9x

]+

αωB (S 3-S )(C k -C s )+k αSA

(1)

式中:C s 为单位质量悬移质泥沙吸附污染物的质量;α为恢复饱和系数;ω为泥沙沉速;D x 为纵向离散系数;k α为单位时间单位质量泥沙吸附量的变化率;C k 为断面平均泥沙吸附量;当

S 3

>S 时,C k =C sb ,C sb 为单位质量河

床泥沙吸附污染物的质量。

冲刷过程中泥沙吸附量的变化取决于被冲刷泥沙的吸附量与悬沙吸附量(能力)的差值。如果悬沙吸附能力大于冲刷泥沙吸附量,扬起的泥沙就相当于是净化剂;如果悬沙吸附能力小于冲刷泥沙吸附量,扬起的泥沙便成为污染源。

2.2.2　溶解态泥沙污染物迁移转化模型

溶解态污染物迁移转化主要包括溶质对流扩散、水固相污染物交换、生化反应等过程。与吸附态污染物连续方程的推导过程类似,根据质量守恒原理也可以得到溶解态污染物的输移转化方程:

9(AC w )9t +S 9(UAC w )9x =99x (

AD x

9C w 9x

)-k αSA +A

d C w

d t

+σ+r (2)

式中:C w 为断面平均溶解态污染物浓度;d C w /d t 为生化反应项;σ为单位河长污染物的释放速率;r 为污染物排放源强度。

式(1)、式(2)与一维水流运动方程、泥沙运动方程联立可构成一维泥沙污染物迁移转化基本控制模型,模型首先由水、沙运动方程求解得到水沙要素,代入污染物输移转化方程进一步求解溶解态污染物浓度和吸附态污染物量。

2.2.3　重金属泥沙污染物迁移转化模型

重金属污染物由液相转移到固相,溶解态和颗粒态重金属均随水流泥沙作机械运动。重金属在水环境中的物理迁移过程,可以用水力学和泥沙运动力学的控制方程反映,有关化学迁移过程则可用化学动力学原理处理。黄岁梁[4]根据上述条件在忽略推移质吸附量的条件下,提出了河流重金属迁移转化一维数学模型:

9C 9t +U 9C 9x -1A 99x (A E x 9C 9x )=A ρ′N 9A b 9t

-A

99t (N b L )-(S 9N 9t -US 9N 9x -E s x

9S 9x 9N 9x

)(3)

式中:C 为断面平均溶解相(水相)重金属浓度;L 为过水断面

湿周;ρ′

为泥沙干容重;N 为单位质量悬移质对重金属的吸附

量;N b 为床面单位面积底泥对重金属的吸附量;A b 为河床变形

面积,A b =B y 0;A 为河流过水断面面积;E x 、E s x 分别为水相重金

属和泥沙的综合纵向扩散系数。

在泥沙污染物的迁移模拟中,泥沙不平衡输送引起底泥沉积(淤积)或者再悬浮(冲刷),对于泥沙吸附解吸污染物过程和水质变化具有重要影响。所以采用不平衡泥沙输移与泥沙吸附解吸模式结合方式,建立的模拟方程是比较合理的[5]。

3　水体污染控制的关键技术

水体污染与控制包括水体污染监测、水环境质量控制、管理与公众参与。水体污染控制主要涉及以下4项关键技术[6]:①河流生态流量的保障机制;②河流水环境质量改善与生态修复技术;③城乡污水处理与再生利用技术和设备;④城市水环境质量改善技术集成应用。

必须有计划地建立不同类型、不同级别的水资源保护区,如流域水资源保护区,山区和平原水资源保护区,大型水利工程水资源保护区,重点城市水资源保护区等,并采取有效措施加以保护。在经济发达区域应用市场机制,有偿使用水环境容量。水污染防治必须同经济社会发展密切结合,调动全社会积极性,依靠全社会的力量才能做好。

参考文献:

[1]　伊武军.资源环境与可持续发展[M ].北京:海洋出版社,2001.

[2]　国家环境保护总局.2005年中国环境状况公报[R ].北京:国家环境保护总

局,2006.

[3]　禹雪中,杨志峰,钟德钰,等.河流泥沙与污染物相互作用数学模型[J ].水

利学报,2006,37(1):11-13.

[4]　黄岁梁,万兆惠,张朝阳.冲积河流重金属污染物迁移转化数学模型研究

[J ].水利学报1995,26(1):48-54.

[5]　李炜.环境水力学进展[M ].武汉:武汉水利电力大学出版社,1999.[6]　方子云.保护水环境促进长江经济带的可持续发展[J ].人民长江,1998,29

(1):38-40.

【责任编辑　刘　祺】

・

87・人民黄河　2010年第4期