胶体在河流中潜流交换机制及沉积分布特征

河流中广泛存在的胶体直接影响河流生态系统；作为吸附颗粒，对吸附性污染物在河流中的迁移和归宿也有不同程度的影响。在潜流交换的作用下，胶体迁移到河床中，减小或阻止潜流交换，破坏潜流带中水生生物的生境条件和栖息场所，损害潜流带水生态系统的结构和功能。对胶体潜流交换机制及胶体沉积分布特征的研究是潜流带生态环境研究中的一个重要问题。本项目利用物理模型实验和数值模拟相结合的方法，研究胶体在河流潜流带中的传输、沉积过程，沉积胶体的分布状况及其对水沙界面潜流交换量的影响。研究成果将有助于搞清胶体在河流中的归趋和影响，对研究潜流带乃至整个河流系统的生态和环境修复与管理具有重要的理论价值。

本项目通过室内水槽试验和数值模拟，对胶体在河流中潜流交换机制及沉积分布特征开展了部分开创性研究，主要学术成果如下：（1） 建立了模拟胶体和污染物地表水-地下水之间迁移的耦合数学模型。通过对上覆水流动、孔隙水流动、胶体和污染物迁移过程模拟，得出：胶体在潜流带中迁移不仅受到水流对流、扩散的影响，同时自身重力也发挥重要作用；在迁移过程中胶体还受到截留的影响，致使胶体浓度不断衰减。（2）揭示了在潜流交换作用下胶体在河床中的沉积分布特征。首次通过物理实验获取到胶体在河床中最终的截留分层数据。结果表明河床表层对胶体截留量相对较大，深层胶体的截流量逐渐减少。随着试样注入次数的增加，胶体浓度的衰减速率减缓，表明河床中的已截流胶体阻碍上覆水中胶体向河床中的迁移。（3）胶体沉积对水沙界面潜流交换的影响。胶体在河床中的沉积，特别是在河床表面的沉积，改变了河床表面多孔介质的性质，使多孔介质孔径分布不均匀，进而改变河床中孔隙率，改变潜流带水动力分布，致使水沙界面潜流交换量较少。（4）揭示在潜流交换作用下胶体粒径的变化。随着试样注入次数的增加，开始阶段胶体的浓度衰减较快，对应的胶体的粒径也随之较小，这说明大粒径颗粒已经被截留在河床上。在实验过程中；后一次实验中胶体的浓度变化速率小于前一次实验中的值，说明胶体在河床中存在堵塞现象，且堵塞量随实验次数减小，最后达到一个平衡。（5）密度流作用下及突发性污染事件后污染物迁移特征。利用循环水槽实验和数学模拟，研究揭示密度流提高了溶质进入河床潜流交换量，在污染物迁移过程中密度流不仅加速污染物向下迁移，还部分出现了指流现象。研究发现在污染事件结束后，污染物在河床中的影响并未结束，而是继续向河床内部迁移，密度流加速污染物进入河床，但是阻碍进入河床中的污染物释放，从而导致河水的污染物浓度出现长尾巴现象，对河流的生态环境存在长期影响。（6）密度流作用下胶体在潜流带中的运移。在密度流作用下，胶体在河流中的迁移除了受孔隙水流和密度流的作用，还受到胶体截留和自身沉降的作用。浓度较小的胶体在潜流带中对流作用较强的区域迁移，主要受到孔隙水流的作用；浓度较大的胶体在潜流带中的迁移受到了孔隙水流和密度流的双重作用。胶体在潜流带中的迁移同时还受到泥沙的过滤作用，会有部分截留在泥沙中，不随水流一起运动；影响潜流交换，进而影响潜流带水生态环境。