Influences of riverbed siltation on redox zonation during bank filtration: a case study of Liao River, Northeast China  

河床淤積對河岸過濾過程中氧化還原分帶的影響：以中國東北遼河為例  

來源：Hydrology Research, (2020) 51 (6): 1478–1489

《水文研究》，2020年，第51卷第6期，第1478–1489頁  

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究通過浮動平臺鉆探、微電極測試和高分辨率采樣，首次系統(tǒng)揭示河床淤積通過改變沉積物滲透性和孔隙水滯留時間，調(diào)控河岸過濾過程中的氧化還原分帶。核心發(fā)現(xiàn)：  

1. 淤積強度分級：基于水動力條件（流速、水深）將遼河河床劃分為強淤積區(qū)（流速<0.4 m/s）、中淤積區(qū)（0.4-1.2 m/s）和弱淤積區(qū)（>1.2 m/s）（圖5，表2）。  

 

 

2. 巖性控制氧化還原：強淤積區(qū)表層粉土層厚達70 cm（平均粒徑34.39 μm），形成低滲透層，延長孔隙水滯留時間，促進完整氧化還原序列（O?/NO??→Mn(IV)→Fe(III)→SO?2?）；弱淤積區(qū)以砂質(zhì)為主（粒徑達500 μm），氧化還原反應(yīng)僅發(fā)育至Mn(IV)還原帶（圖6，圖9）。  

 

 

3. 微電極驗證機制：Unisense微電極顯示強淤積區(qū)溶解氧（DO）在5 mm深度即耗盡（圖7a），證實有機質(zhì)富集驅(qū)動耗氧過程，而弱淤積區(qū)DO耗盡深度>7.5 cm。  

 

研究目的

 

1. 量化遼河河床淤積的空間異質(zhì)性及其對滲透性的影響；  

2. 揭示淤積如何通過改變水動力條件調(diào)控氧化還原分帶；  

3. 為河岸過濾系統(tǒng)（RBF）的水質(zhì)管理提供理論依據(jù)。  

 

研究思路

 

1. 斷面布設(shè)與采樣：沿垂直河流流向的I-I斷面（圖1c）布設(shè)10個鉆孔點（HC1-HC10），使用高頻振動鉆（Wink S5）采集≤5 m深沉積物巖芯（圖4a），HR-Peeper和Rhizon采樣器獲取孔隙水（圖4b-c）。  

 

 

2. 多參數(shù)同步測量：  

   ? 水動力參數(shù)：流速、水深（圖5）；  

 

   ? 沉積物特性：粒徑分布、粉土層厚度（圖6）；  

 

   ? 氧化還原指標：DO、ORP、pH（Unisense微電極，圖7）；  

 

   ? 離子濃度：NO??、Mn2?、Fe2?、SO?2?（圖8）。  

 

3. 分帶對比：對比強、中、弱淤積區(qū)的氧化還原分帶模式（圖9，表4）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 水動力參數(shù)（圖5，表2）  

   ? 數(shù)據(jù)：弱淤積區(qū)（HC7-HC10）流速>1.2 m/s，水深>4 m；強淤積區(qū)（HC1-HC2）流速<0.4 m/s，水深<2 m。  

 

   ? 意義：量化淤積與水動力的負相關(guān)關(guān)系，解釋粉土沉積的空間分異。  

 

2. 沉積物巖性（圖6）  

   ? 數(shù)據(jù)：強淤積區(qū)粉土層厚70 cm（平均粒徑34.39 μm），弱淤積區(qū)無粉土層（最大粒徑500 μm）。  

 

   ? 意義：揭示淤積強度直接控制滲透性，影響孔隙水滯留時間與反應(yīng)強度。  

 

3. 氧化還原敏感參數(shù)（圖7-8）  

   ? DO：強淤積區(qū)5 mm深度DO耗盡，弱淤積區(qū)耗盡深度>7.5 cm（圖7a）；  

 

   ? NO??：強淤積區(qū)10 cm內(nèi)濃度驟降，弱淤積區(qū)降幅平緩（圖8a）；  

 

   ? Mn2?/Fe2?：僅強淤積區(qū)出現(xiàn)峰值（HC1、HC2點，圖8b-c）。  

 

   ? 意義：證實淤積延長滯留時間促進多級還原反應(yīng)（O?→NO??→Mn→Fe→SO?2?）。  

 

4. 氧化還原分帶模式（圖9，表4）  

   ? 數(shù)據(jù)：強淤積區(qū)發(fā)育完整四段分帶（O?/NO??: 0-5 cm; Mn: 5-25 cm; Fe: 8-30 cm; SO?2?: 10-50 cm），弱淤積區(qū)僅存前兩段（O?/NO??: 0-8 cm; Mn: 8-50 cm）。  

 

   ? 意義：建立淤積強度-分帶完整性的定量關(guān)聯(lián)，為RBF系統(tǒng)污染物攔截提供分區(qū)策略。  

 

結(jié)論

 

1. 淤積分級明確：河床淤積強度與水動力負相關(guān)，粉土層厚度是核心指標。  

2. 氧化還原分帶受控于淤積：強淤積區(qū)形成完整四段分帶，弱淤積區(qū)僅發(fā)育O?/NO??和Mn還原帶。  

3. 管理啟示：RBF系統(tǒng)需關(guān)注強淤積區(qū)SO?2?還原帶的污染物（如砷）釋放風(fēng)險，優(yōu)化取水層位。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

研究使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)原位測定河床沉積物孔隙水的DO、ORP和pH（圖7），其核心價值在于：  

1. 毫米級分辨率捕捉耗氧前沿：微電極實現(xiàn)0.1 mm精度的DO剖面（圖7a），直接驗證強淤積區(qū)DO在5 mm深度耗盡，揭示粉土層低滲透性顯著延長孔隙水滯留時間，加速耗氧過程。  

2. 定量氧化還原梯度：ORP剖面（圖7b）顯示強淤積區(qū)0-1 cm深度ORP從400 mV驟降至200 mV，明確劃出氧化-還原過渡帶，為分帶閾值（表3）提供原位證據(jù)。  

 

3. 耦合水化學(xué)驗證機制：低DO區(qū)與NO??驟降區(qū)（圖8a）、Mn2?峰值區(qū)（圖8b）空間重合，證實耗氧驅(qū)動序列還原反應(yīng)，為"淤積調(diào)控氧化還原分帶"的核心假設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。