降雨強度對植被過濾帶中膠體遷移過程的影響

李 穎，庾從蓉，2，孫鈺峰，段佩怡

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

降雨產流把污染物由農田及城市綠地遷移進入河湖等自然水體，是非點源污染的主要成因[1]。國內研究表明，夏季豐水期的降雨與農業面源污染事件幾乎同步[2-3]。植被過濾帶一般位于面源污染源以及受納水體之間，主要通過有效減少降雨對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]，有效緩解區域氮、磷、農藥、重金屬等面源污染[4-6]。庾從蓉等[7-8]探討了不同降雨強度下植被過濾帶對氮磷等污染物的去除效果及機理，為評價不同降雨分布區域植被過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，是物理性質與化學性質不同于傳統氮磷污染物或者泥沙顆粒的非點源污染物。膠體廣泛存在于水體、空氣、土壤中，農地里的細菌、病毒、真菌、顆粒態的有機物以及黏土顆粒，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]。

已有關于植物過濾帶對膠體去除機理的研究幾乎都是在較小尺度范圍內進行的。Wu等[10]根據一根草(用圓柱形玻璃棒模擬)對膠體的吸附效率理論，發現吸附效率與水流狀況即雷諾數、膠體和草的直徑的相對大小以及水環境化學條件有關。隨后，Lei等[11-12]通過真草叢(20 cm×20 cm)對前面的理論進行了修正，得到了真草對膠體的沉積吸附效率系數。Yu等[13]通過實驗室小尺度(20 cm×20 cm)試驗探究了流速、離子強度、粒徑和植被類型對植被過濾帶對膠體吸附效率的影響。已有研究[7,14]表明，10 m左右長度的植被過濾帶對氮、磷等多種污染物的攔截效果優良，因此，在10 m尺度上研究植被過濾帶對膠體的去除效果較有意義，但目前還缺乏在10 m尺度上從機理角度考慮降雨強度對膠體在植被過濾帶中的遷移沉積過程產生影響的研究。本文通過控制降雨強度的室內試驗，以及耦合地表徑流以及膠體運移的數值模型，探究降雨對膠體在10 m植被過濾帶中沉積吸附效率的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料與裝置

選用我國常見的土壤礦物高嶺土作為膠體的代表。試驗用高嶺土(天津市福晨化學試劑廠，化學純)比表面積為6.38 m2/g，粒徑約為 2 μm；示蹤劑為化學純硝酸鉀。試驗草皮為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降雨強度分別代表小雨、中雨、大雨以及極端降雨。

試驗裝置如圖1所示，主要由植被過濾帶、降雨系統、水量注入及排水系統、流量控制系統及水位控制系統組成。

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

在空曠無風的試驗大廳，垂直高度4 m的人工降雨系統(圖1)架設在12 m×0.6 m×0.2 m鋪設有試驗植被的有機玻璃水槽上方。降雨設備的面降雨均勻度達到80%以上。試驗開始前，持續穩定地向水槽均勻注入1 000 L/h的水量，模擬匯入植被過濾帶的前期入流，同時也保證采樣水深。水槽進水處放置 1 m 左右的整流管，以保證入流的均勻穩定。整流管至水槽末端鋪設均質植被過濾帶。植被過濾帶的前端設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10 m。0～10 m斷面之間總共設置5個采樣斷面，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。水槽的尾部設置尾水擋板，使尾部定水深保持2 cm。待入流以及預設降雨穩定之后，在0 s時，從0斷面處瞬時加入1 L質量濃度為 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，在每個采樣斷面進行采樣。采樣時在0.6 m寬的斷面上等距離采集3個樣品，取其平均值作為該斷面特定時刻的濃度。采集的樣品使用紫外分光光度計分別測量高嶺土膠體(350 nm)與硝酸根離子(波長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。相同降雨強度下，試驗重復3次，以排除單次誤差。試驗降雨設備都經過前期試驗校準，并采用與降雨控制系統連接的雨量筒自動記錄試驗期間的雨強變化，以保證降雨強度在試驗期間的穩定。

1.2 數值模型

本文建立的模型主要分為水量平衡模型和膠體運移模型兩部分。兩部分模型耦合之后分別模擬5個不同斷面的膠體濃度隨時間變化的穿透曲線情況，得到膠體在植被過濾帶中的沉積吸附效率系數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為降雨強度，m/min；q為達西流速，m/min；h為沿水流方向水深變化，m；W為試驗水槽寬度，m；L為試驗水槽長度，m；I為前端入流水量，m3/min；x為距離，m；a、b為無量綱常數；h0為x=L時的水位高度，為定值。本試驗中，同工況下，B、R、W、L、I、h0均為已知數。

通過公式求導，解得：

(3)

式中:v為流速，m/min；ne為孔隙度，以百分數表示。

1.2.2膠體運移模型

高嶺土膠體在植被過濾帶中的運移可表示為

(4)

kd作為評價植被過濾帶對膠體吸附效果的指標，共值越大，植被過濾帶的膠體去除效果越好。將式(3)通過Wolfram Mathematica軟件的NDSlove指令運行，得到對膠體濃度的模擬曲線，使用FindFit指令求解最優參數組合，進而得到沉積吸附效率系數kd的最優解。

2 結果與討論

2.1 不同降雨強度下膠體在植被過濾帶中的質量濃度穿透曲線

根據硝酸根離子與高嶺土膠體質量濃度歸一化值的對比圖(圖2)，發現相比于示蹤劑硝酸根，膠體在徑流中的量明顯較少，表明膠體在植被過濾帶中運移時產生了沉積吸附現象。

圖2 硝酸根-膠體歸一化質量濃度比值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量濃度試驗實測值以及模擬曲線如圖3所示。橫坐標方向從左到右5條曲線依次植被過濾帶1 m、2 m、4 m、6 m、10 m斷面處的膠體質量濃度穿透曲線。試驗重現性好，納什系數均大于0.9，各工況的模擬結果較好。

(a) 小雨

(b) 中雨

(c) 大雨

(d) 極端降雨圖3 斷面膠體質量濃度試驗實例值與模擬值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，膠體質量濃度穿透曲線產生了輕微的拖尾，可能是由于在初始0 m斷面瞬時注入膠體之后，由于水流速度較快，在到達 1 m 及2 m斷面時，尚未混合均勻，出現微弱的拖尾現象。膠體遷移到4 m斷面后，質量濃度穿透曲線接近正態分布，無明顯拖尾現象，表明膠體在植被過濾帶中沉積吸附之后無再釋放現象。

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

2.2 降雨強度對膠體在植被過濾帶上沉積效率的影響

不同降雨強度下，膠體在各斷面的kd沿程為冪指數降低趨勢(圖4)，可用以下經驗公式模擬：

圖4 不同降雨強度的膠體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為無量綱常數，且θ為正值，隨著降雨強度的增大而增大，γ為負值，在-0.4～-1.2之間。不同降雨強度的經驗參數的關系如表1所示。

表1 不同降雨強度的kd經驗參數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。同一降雨強度下，隨著膠體在斷面間運移，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值趨于穩定。這一試驗現象與膠體在大尺度多孔介質中運移試驗研究結果[16-19]一致。根據DLVO理論，在不利條件下，電勢差較大的膠體顆粒更易與介質發生吸附[16]。對于本文試驗而言，植被帶負電荷，與高嶺土的膠體負電荷構成不利條件，膠體沿程受到植被過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，而后與植被過濾帶趨于穩定接觸，表現在模型結論中就是趨于穩定下降的kd值。

隨著降雨強度的增大，kd增大這一現象，宏觀的原因主要是由于增大的降雨強度影響了水流的雷諾數Re。根據陳國祥等[20]進行的降雨試驗，在“偽層流”范圍內降雨對水流阻力的影響最為顯著，Re<800，屬于“偽層流”，降雨強度的增大可使淺層水流的阻力系數增大；當Re>2 000后，降雨對紊流的影響不大。對于本文試驗較薄的水層而言，Re=640，降雨帶來的擾動使得水流的Re增大，膠體的流動路線變得復雜，與收集體植株的接觸機會增大，根據膠體過濾理論，kd變大。

極端降雨條件下，膠體在1～6 m遷移過程中出現kd迅速下降的現象。原因是極端降雨提供了更多的徑流流量，使得水流對膠體的稀釋作用增大，隨著質量濃度的降低，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濾帶上沖刷下來的概率，這部分被沖刷下來的膠體顆粒物形成團聚被水流帶到10 m斷面，造成該處kd增大。

3 結 論

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

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

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

極端降雨對膠體的影響非常明顯，近幾年極端降雨事件頻發，后續研究可針對極端降雨的雨型、雨滴大小等條件進行降雨對膠體遷移沉積過程影響的研究。進一步的試驗可以探究不同高度、密度的植物對降雨條件下膠體運移的影響。根據對河灘潛流帶的研究[21-22]，后續也可結合河岸-河灘結構，研究復合生態結構下膠體對氮磷污染物的影響試驗。