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)動特征及對污染物吸附解吸附能力的改變會對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比以及導(dǎo)致表觀特征差異的水環(huán)境及水動力特征目前沒有有效的方法予以揭示。針對懸浮顆粒物的結(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，實現(xiàn)對懸浮顆粒物表觀形貌差異的定量識別，從而進(jìn)一步揭示水環(huán)境及水動力條件差異對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象，探究不同水環(huán)境及水動力條件下懸浮顆粒物的微觀形貌差異，并采用風(fēng)化模擬實驗從定量的角度明確水環(huán)境及水動力條件差異對懸浮顆粒物特征的影響。本文對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象。牛尾河屬于海河流域子牙河水系，起源于邢臺市區(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］。灤河屬于海河流域灤河水系，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）某日午時采集兩個采樣點(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)級純HCl溶液并持續(xù)攪動直至氣泡消失。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 實驗流程圖（以實驗組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)裹層會在高溫下分解，然而過高的溫度以及過長的時間則會造成內(nèi)部無機(jī)礦物的損失。采用燒失量（LOI）的測定實現(xiàn)對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)此計算燒失量［16］。

（3）風(fēng)化模擬實驗。通過設(shè)置磁力攪拌器的攪拌速度來模擬不同的水動力條件，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］。

實驗組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1 L 5 g/L 的溶液并用保鮮膜封口，將6 個燒杯分別置于6 臺磁力攪拌器上，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?？紤]到濾膜內(nèi)部殘存的懸浮顆粒物對實驗結(jié)果造成的潛在影響，利用對照組實驗（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。其他實驗組參照表1實施。

表1 化學(xué)與物理風(fēng)化模擬實驗設(shè)計表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力條件，可以看出牛尾河的水動力條件弱，灤河的水動力條件強(qiáng)。綜上，牛尾河與灤河在水環(huán)境及水動力特征上差異明顯，形成鮮明對比。

表2 牛尾河與灤河水環(huán)境及水動力特征差異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)化模擬實驗結(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，以實現(xiàn)對懸浮顆粒物表觀特征的定量識別。不同水環(huán)境及水動力條件對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)境及水動力條件的不同而不同。相同水動力條件、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、不同水動力條件下，自生懸浮顆粒物會因水環(huán)境條件的不同呈現(xiàn)不同的響應(yīng)結(jié)果。在面對牛尾河較差水環(huán)境條件時，隨著水動力條件增強(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，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%。在面對灤河較好水環(huán)境條件時，隨著水動力條件的增強(qiáng)，其有機(jī)裹層負(fù)載量逐漸減少，在轉(zhuǎn)速為500 r/min 時，其有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最小值0.08%。

不同水環(huán)境條件及水動力條件對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)境及水動力條件的不同而不同。在相同水動力條件、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)在面對牛尾河較差水環(huán)境條件時，灤河自生懸浮顆粒物隨著水動力條件的增強(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，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，LOI降低至最小值0.42%。在面對灤河較好水環(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，有機(jī)裹層負(fù)載量達(dá)到最小值0.04%。

相同水環(huán)境條件不同水動力條件對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)模擬實驗結(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，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周圍水體中的有機(jī)物產(chǎn)生一定的吸附作用，實現(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附著在懸浮顆粒物上，微生物產(chǎn)生的胞外聚合物對水體中的眾多物質(zhì)也會產(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、藻類以及死亡的動植物殘體，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 河流水動力條件對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，水動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)境及水動力條件差異的主要原因是河流水資源量及人類活動的影響，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的終端響應(yīng)［23］。與此同時，在懸浮顆粒物從河流上游向下游輸移的過程中，水環(huán)境及水動力條件也會發(fā)生動態(tài)變化，相應(yīng)的有機(jī)裹層負(fù)載量也是一個動態(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)境及水動力條件形成鮮明對比，牛尾河水環(huán)境及水動力條件差，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）水動力條件是影響河流懸浮顆粒物表觀特征的重要因素，水動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，水動力條件強(qiáng)，水流會對顆粒物表面產(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。