降雨強(qiáng)度對(duì)植被過(guò)濾帶中膠體遷移過(guò)程的影響

李 穎，庾從蓉，2，孫鈺峰，段佩怡

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.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)

降雨產(chǎn)流把污染物由農(nóng)田及城市綠地遷移進(jìn)入河湖等自然水體，是非點(diǎn)源污染的主要成因[1]。國(guó)內(nèi)研究表明，夏季豐水期的降雨與農(nóng)業(yè)面源污染事件幾乎同步[2-3]。植被過(guò)濾帶一般位于面源污染源以及受納水體之間，主要通過(guò)有效減少降雨對(duì)土壤的沖刷和侵蝕作用[2]，降低徑流流速以及增加下滲和吸附等方式[3]，有效緩解區(qū)域氮、磷、農(nóng)藥、重金屬等面源污染[4-6]。庾從蓉等[7-8]探討了不同降雨強(qiáng)度下植被過(guò)濾帶對(duì)氮磷等污染物的去除效果及機(jī)理，為評(píng)價(jià)不同降雨分布區(qū)域植被過(guò)濾帶的污染物去除效果提供了參考。

膠體直徑在0.1～10 μm之間，是物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)不同于傳統(tǒng)氮磷污染物或者泥沙顆粒的非點(diǎn)源污染物。膠體廣泛存在于水體、空氣、土壤中，農(nóng)地里的細(xì)菌、病毒、真菌、顆粒態(tài)的有機(jī)物以及黏土顆粒，城市地面的顆粒物以及汽車尾氣中的含重金屬的顆粒等，都屬于膠體污染物。膠體不僅自身是污染物，其比表面積大的特性使其能吸附其他的污染物,如重金屬、氮磷等，加速了污染物的遷移[2-5,9]。

已有關(guān)于植物過(guò)濾帶對(duì)膠體去除機(jī)理的研究幾乎都是在較小尺度范圍內(nèi)進(jìn)行的。Wu等[10]根據(jù)一根草(用圓柱形玻璃棒模擬)對(duì)膠體的吸附效率理論，發(fā)現(xiàn)吸附效率與水流狀況即雷諾數(shù)、膠體和草的直徑的相對(duì)大小以及水環(huán)境化學(xué)條件有關(guān)。隨后，Lei等[11-12]通過(guò)真草叢(20 cm×20 cm)對(duì)前面的理論進(jìn)行了修正，得到了真草對(duì)膠體的沉積吸附效率系數(shù)。Yu等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小尺度(20 cm×20 cm)試驗(yàn)探究了流速、離子強(qiáng)度、粒徑和植被類型對(duì)植被過(guò)濾帶對(duì)膠體吸附效率的影響。已有研究[7,14]表明，10 m左右長(zhǎng)度的植被過(guò)濾帶對(duì)氮、磷等多種污染物的攔截效果優(yōu)良，因此，在10 m尺度上研究植被過(guò)濾帶對(duì)膠體的去除效果較有意義，但目前還缺乏在10 m尺度上從機(jī)理角度考慮降雨強(qiáng)度對(duì)膠體在植被過(guò)濾帶中的遷移沉積過(guò)程產(chǎn)生影響的研究。本文通過(guò)控制降雨強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)，以及耦合地表徑流以及膠體運(yùn)移的數(shù)值模型，探究降雨對(duì)膠體在10 m植被過(guò)濾帶中沉積吸附效率的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

選用我國(guó)常見(jiàn)的土壤礦物高嶺土作為膠體的代表。試驗(yàn)用高嶺土(天津市福晨化學(xué)試劑廠，化學(xué)純)比表面積為6.38 m2/g，粒徑約為 2 μm；示蹤劑為化學(xué)純硝酸鉀。試驗(yàn)草皮為1 029棵/m2的尤加利葉仿真草皮，草皮單塊大小0.4 m×0.6 m，植株高度8 cm。采用 20 mm/h、45 mm/h、65 mm/h和 90 mm/h降雨強(qiáng)度分別代表小雨、中雨、大雨以及極端降雨。

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由植被過(guò)濾帶、降雨系統(tǒng)、水量注入及排水系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)及水位控制系統(tǒng)組成。

圖1 試驗(yàn)裝置(單位：m)Fig.1 Experiment device(unit: m)

在空曠無(wú)風(fēng)的試驗(yàn)大廳，垂直高度4 m的人工降雨系統(tǒng)(圖1)架設(shè)在12 m×0.6 m×0.2 m鋪設(shè)有試驗(yàn)植被的有機(jī)玻璃水槽上方。降雨設(shè)備的面降雨均勻度達(dá)到80%以上。試驗(yàn)開(kāi)始前，持續(xù)穩(wěn)定地向水槽均勻注入1 000 L/h的水量，模擬匯入植被過(guò)濾帶的前期入流，同時(shí)也保證采樣水深。水槽進(jìn)水處放置 1 m 左右的整流管，以保證入流的均勻穩(wěn)定。整流管至水槽末端鋪設(shè)均質(zhì)植被過(guò)濾帶。植被過(guò)濾帶的前端設(shè)置為注入膠體的位置，稱為0 m斷面。有效采樣水槽距離總計(jì)10 m。0～10 m斷面之間總共設(shè)置5個(gè)采樣斷面，分別位于距離0 m斷面1 m、2 m、4 m、6 m、10 m的位置。10 m后預(yù)留一定距離不放置植被，以確保10 m斷面膠體水樣不受尾部水頭變化的影響。水槽的尾部設(shè)置尾水擋板，使尾部定水深保持2 cm。待入流以及預(yù)設(shè)降雨穩(wěn)定之后，在0 s時(shí)，從0斷面處瞬時(shí)加入1 L質(zhì)量濃度為 3 100 mg/L 的膠體與300 mg/L硝酸根的混合溶液。在5～10 s間隔，在每個(gè)采樣斷面進(jìn)行采樣。采樣時(shí)在0.6 m寬的斷面上等距離采集3個(gè)樣品，取其平均值作為該斷面特定時(shí)刻的濃度。采集的樣品使用紫外分光光度計(jì)分別測(cè)量高嶺土膠體(350 nm)與硝酸根離子(波長(zhǎng)220 nm，硝酸根離子作為示蹤劑)濃度。最后得到高嶺土膠體與硝酸根離子在各斷面的濃度穿透曲線。相同降雨強(qiáng)度下，試驗(yàn)重復(fù)3次，以排除單次誤差。試驗(yàn)降雨設(shè)備都經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)校準(zhǔn)，并采用與降雨控制系統(tǒng)連接的雨量筒自動(dòng)記錄試驗(yàn)期間的雨強(qiáng)變化，以保證降雨強(qiáng)度在試驗(yàn)期間的穩(wěn)定。

1.2 數(shù)值模型

本文建立的模型主要分為水量平衡模型和膠體運(yùn)移模型兩部分。兩部分模型耦合之后分別模擬5個(gè)不同斷面的膠體濃度隨時(shí)間變化的穿透曲線情況，得到膠體在植被過(guò)濾帶中的沉積吸附效率系數(shù)kd。模型基于Wolfram Mathematica軟件編輯。

1.2.1水量平衡模型

參考福克海默方程[15]構(gòu)建的水量平衡方程為

(1)

(2)

其中

h=h0(x=L)

式中：B為前期入流引起的水層厚度，m；R為降雨強(qiáng)度，m/min；q為達(dá)西流速，m/min；h為沿水流方向水深變化，m；W為試驗(yàn)水槽寬度，m；L為試驗(yàn)水槽長(zhǎng)度，m；I為前端入流水量，m3/min；x為距離，m；a、b為無(wú)量綱常數(shù)；h0為x=L時(shí)的水位高度，為定值。本試驗(yàn)中，同工況下，B、R、W、L、I、h0均為已知數(shù)。

通過(guò)公式求導(dǎo)，解得：

(3)

式中:v為流速，m/min；ne為孔隙度，以百分?jǐn)?shù)表示。

1.2.2膠體運(yùn)移模型

高嶺土膠體在植被過(guò)濾帶中的運(yùn)移可表示為

(4)

kd作為評(píng)價(jià)植被過(guò)濾帶對(duì)膠體吸附效果的指標(biāo)，共值越大，植被過(guò)濾帶的膠體去除效果越好。將式(3)通過(guò)Wolfram Mathematica軟件的NDSlove指令運(yùn)行，得到對(duì)膠體濃度的模擬曲線，使用FindFit指令求解最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)而得到沉積吸附效率系數(shù)kd的最優(yōu)解。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降雨強(qiáng)度下膠體在植被過(guò)濾帶中的質(zhì)量濃度穿透曲線

根據(jù)硝酸根離子與高嶺土膠體質(zhì)量濃度歸一化值的對(duì)比圖(圖2)，發(fā)現(xiàn)相比于示蹤劑硝酸根，膠體在徑流中的量明顯較少，表明膠體在植被過(guò)濾帶中運(yùn)移時(shí)產(chǎn)生了沉積吸附現(xiàn)象。

圖2 硝酸根-膠體歸一化質(zhì)量濃度比值Fig.2 Nitrate-colloid normalized concentration ratio

小雨、中雨、大雨、極端降雨工況條件的膠體質(zhì)量濃度試驗(yàn)實(shí)測(cè)值以及模擬曲線如圖3所示。橫坐標(biāo)方向從左到右5條曲線依次植被過(guò)濾帶1 m、2 m、4 m、6 m、10 m斷面處的膠體質(zhì)量濃度穿透曲線。試驗(yàn)重現(xiàn)性好，納什系數(shù)均大于0.9，各工況的模擬結(jié)果較好。

(a) 小雨

(b) 中雨

(c) 大雨

(d) 極端降雨圖3 斷面膠體質(zhì)量濃度試驗(yàn)實(shí)例值與模擬值Fig.3 Tested and simulated values of colloidal concentration in cross section

特定降雨條件下，在1 m和2 m斷面，膠體質(zhì)量濃度穿透曲線產(chǎn)生了輕微的拖尾，可能是由于在初始0 m斷面瞬時(shí)注入膠體之后，由于水流速度較快，在到達(dá) 1 m 及2 m斷面時(shí)，尚未混合均勻，出現(xiàn)微弱的拖尾現(xiàn)象。膠體遷移到4 m斷面后，質(zhì)量濃度穿透曲線接近正態(tài)分布，無(wú)明顯拖尾現(xiàn)象，表明膠體在植被過(guò)濾帶中沉積吸附之后無(wú)再釋放現(xiàn)象。

隨著降雨強(qiáng)度的變化，膠體在相同斷面質(zhì)量濃度穿透曲線呈現(xiàn)明顯變化。相對(duì)于極端降雨條件下1 m斷面膠體質(zhì)量濃度穿透曲線的峰值，小雨強(qiáng)的 1 m 斷面膠體質(zhì)量濃度峰值明顯偏高。然而中、大雨強(qiáng)條件下1 m斷面處的膠體峰值比較相似。在 2～10 m斷面，膠體在各斷面的質(zhì)量濃度隨降雨強(qiáng)度的增大而減小，膠體的出峰時(shí)間也明顯變慢，峰形變寬。

2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)膠體在植被過(guò)濾帶上沉積效率的影響

不同降雨強(qiáng)度下，膠體在各斷面的kd沿程為冪指數(shù)降低趨勢(shì)(圖4)，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式模擬：

圖4 不同降雨強(qiáng)度的膠體kd沿程的變化Fig.4 Variation of colloid kd with different rainfall intensities

kd=θxγ

(5)

式中：x為膠體遷移距離；θ、γ為無(wú)量綱常數(shù)，且θ為正值，隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，γ為負(fù)值，在-0.4～-1.2之間。不同降雨強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1 不同降雨強(qiáng)度的kd經(jīng)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Kd empirical parameters of different rainfall intensity

小雨、中雨、大雨條件下R2值均在0.9左右，擬合良好；而極端降雨的kd模擬誤差稍大，R2值為0.753。同一降雨強(qiáng)度下，隨著膠體在斷面間運(yùn)移，kd值逐漸減小的速度也在變化。在1 m斷面kd值減小速度最快，1 m到2 m斷面減小速度逐漸放緩，最后4 m到6 m斷面kd值趨于穩(wěn)定。這一試驗(yàn)現(xiàn)象與膠體在大尺度多孔介質(zhì)中運(yùn)移試驗(yàn)研究結(jié)果[16-19]一致。根據(jù)DLVO理論，在不利條件下，電勢(shì)差較大的膠體顆粒更易與介質(zhì)發(fā)生吸附[16]。對(duì)于本文試驗(yàn)而言，植被帶負(fù)電荷，與高嶺土的膠體負(fù)電荷構(gòu)成不利條件，膠體沿程受到植被過(guò)濾帶的沉積吸附以及降雨水流的稀釋作用，易沉積易吸附的膠體在前段消耗，而后與植被過(guò)濾帶趨于穩(wěn)定接觸，表現(xiàn)在模型結(jié)論中就是趨于穩(wěn)定下降的kd值。

隨著降雨強(qiáng)度的增大，kd增大這一現(xiàn)象，宏觀的原因主要是由于增大的降雨強(qiáng)度影響了水流的雷諾數(shù)Re。根據(jù)陳國(guó)祥等[20]進(jìn)行的降雨試驗(yàn)，在“偽層流”范圍內(nèi)降雨對(duì)水流阻力的影響最為顯著，Re<800，屬于“偽層流”，降雨強(qiáng)度的增大可使淺層水流的阻力系數(shù)增大；當(dāng)Re>2 000后，降雨對(duì)紊流的影響不大。對(duì)于本文試驗(yàn)較薄的水層而言，Re=640，降雨帶來(lái)的擾動(dòng)使得水流的Re增大，膠體的流動(dòng)路線變得復(fù)雜，與收集體植株的接觸機(jī)會(huì)增大，根據(jù)膠體過(guò)濾理論，kd變大。

極端降雨條件下，膠體在1～6 m遷移過(guò)程中出現(xiàn)kd迅速下降的現(xiàn)象。原因是極端降雨提供了更多的徑流流量，使得水流對(duì)膠體的稀釋作用增大，隨著質(zhì)量濃度的降低，膠體顆粒物與植被的接觸概率降低。此外，極端降雨條件下，降雨沖擊影響增大，增大了膠體從植被過(guò)濾帶上沖刷下來(lái)的概率，這部分被沖刷下來(lái)的膠體顆粒物形成團(tuán)聚被水流帶到10 m斷面，造成該處kd增大。

3 結(jié) 論

a. 隨著降雨強(qiáng)度的增大，膠體在植被過(guò)濾帶中相同遷移距離的濃度峰值逐漸減小，出峰時(shí)間延后。從小雨(20 mm/h)至大雨(60 mm/h)，膠體在植被過(guò)濾帶的kd沿程呈冪指數(shù)趨勢(shì)逐漸下降。對(duì)于雨強(qiáng)為90 mm/h的極端降雨情況，冪指數(shù)公式擬合效果一般。

b. 同一降雨強(qiáng)度下kd隨著遷移距離逐漸下降,隨著降雨強(qiáng)度增大，kd的增大。

c. 植被過(guò)濾帶作為面源污染的防治措施，降雨強(qiáng)度越大，其去除膠體污染顆粒物的效率越高。不同降雨強(qiáng)度下，膠體kd至植被過(guò)濾帶6 m處穩(wěn)定。極端降雨(90 mm/h)下kd值出現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象。

極端降雨對(duì)膠體的影響非常明顯，近幾年極端降雨事件頻發(fā)，后續(xù)研究可針對(duì)極端降雨的雨型、雨滴大小等條件進(jìn)行降雨對(duì)膠體遷移沉積過(guò)程影響的研究。進(jìn)一步的試驗(yàn)可以探究不同高度、密度的植物對(duì)降雨條件下膠體運(yùn)移的影響。根據(jù)對(duì)河灘潛流帶的研究[21-22]，后續(xù)也可結(jié)合河岸-河灘結(jié)構(gòu)，研究復(fù)合生態(tài)結(jié)構(gòu)下膠體對(duì)氮磷污染物的影響試驗(yàn)。