城市地表径流胶体与土壤可移动胶体共作用对下渗过程中重金属积蓄迁移行为的影响

Soil interface is important for heavy metals retention in the runoff infiltration facility. Heavy metals could be removed by a series of complex interface reactions. However, colloid in surface runoff and removable colloid released from soil can combine with heavy metals easily, which would influence the heavy metals retention process on soil interface. Environmental engineering, hydrology, mineralogy and physical chemistry theory will be used in this project to investigate the reaction mechanisms, such as solidification, activation, re-release and re-migration, under the combined action between extraneous runoff colloid and endogenous soil colloid. Synergetic pollution of surface runoff colloid and its influence on heavy metals retention process on soil interface will be revealed. Soil removable colloid release and its migration associated with the accumulated heavy metals under different rainfall event will be clarified. And the contribution of surface runoff colloid and soil released removable colloid on soil interface behavior will be detected during the heavy metal retention process. The results can not only assess the potential ecological risks of heavy metals in the runoff infiltration facility, but also maintain human health and ecosystem safety. Therefore, the work done by this project has important theoretical and practical significance.

土壤界面是径流下渗设施中截留重金属的重要界面和场所，可通过复杂的界面反应去除径流重金属。但是，地表径流携带的胶体和土壤释放的可移动胶体易与重金属结合，影响重金属在土壤界面的截留。本研究运用环境工程学、水文学、矿物学及物理化学的方法和理论，系统研究外源径流胶体和内源土壤胶体共作用下重金属在土壤界面的固化、活化、再释放和再迁移机制，探明地表径流胶体协同污染对土壤界面截留重金属过程的影响，揭示降雨模式响应下土壤可移动胶体释放对已积蓄重金属的携带迁移规律，阐明地表径流胶体与土壤可移动胶体交互作用对重金属在土壤界面行为过程中的贡献和作用。项目的完成，不仅对评估海绵城市理念中下渗设施的潜在重金属污染风险，而且对维护人类健康及生态系统安全，均具有重要的理论意义和实用价值。

在低影响开发雨水管理理念引导下，径流就地下渗或有组织下渗已成为恢复开发前水文特征的重要手段。在多数径流下渗设施中，土壤是径流重金属截留去除的重要界面和场所。但是，地表径流和土壤中存在大量的胶体，这些胶体可与重金属结合，影响重金属离子在土壤界面的行为，对径流重金属在土壤中的存在形态、累积状况和向下运移至关重要。因此，探讨地表径流重金属与径流胶体、土壤胶体之间的交互作用及其对土壤界面截留重金属过程的影响，对评估下渗设施中重金属的潜在污染风险，进而有效控制径流重金属污染具有重要意义。本研究通过采集地表径流胶体分析了地表径流胶体与重金属的协同污染特性；研究了地表径流胶体、土壤胶体对重金属的吸附行为，探究了径流下渗过程中地表径流胶体对重金属出流行为的影响及土壤胶体释放对重金属截留、已积蓄重金属携带迁移行为的影响。结果发现，胶体粒径可显著影响径流胶体对重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Fe、Mn的携带能力，粒径越小，径流胶体对重金属的携带能力越强；径流胶体、土壤胶体对Pb2+、Cd2+和Cu2+具有较强的吸附能力，吸附过程符合准二级动力学方程；pH值对胶体吸附重金属离子的影响较大，pH值为6时吸附效果最好；重金属离子共存会抑制胶体对重金属的吸附效果。径流胶体能够显著促进Cu2+、Pb2+和Cd2+在下渗柱的迁移；进水流速越高、胶体粒径越小，径流胶体对重金属的携带迁移作用越明显；pH值为6的弱酸条件最利于径流胶体对重金属的携带迁移；离子强度越大，胶体携带重金属的下渗迁移过程受抑制作用越明显。土壤可移动胶体释放与下渗柱对重金属的截留量呈显著负相关性，即土壤胶体释放量越多，下渗柱对重金属的截留效果越差；土壤下渗柱对重金属的截留能力随pH的升高而增强（或先减弱后增强），随进水流速的增大而减弱，随进水离子强度的增大而增强。下渗过程中土壤胶体释放主导了土壤已积蓄重金属Pb2+、Cd2+和Cu2+的迁移，二者以土壤胶体-重金属的形式在下渗柱内共同向下迁移。