河流潜流带间隙水重金属浓度变化及其对水交换的响应机理研究

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1、分类号：P333学校代码：10697密级：公开学号：201520768硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION河流潜流带间隙水重金属浓度变化及其对水交换的响应机理研究学科名称：自然地理学作者：刘琪指导老师：宋进喜教授学位评定委员会二○一八年分类号:P333学校代码：10697密级:公开学号：201520768河流潜流带间隙水重金属浓度变化及其对水交换的响应机理研究学科名称：自然地理学作者：刘琪指导老师：宋进喜教授学位评定委员会二〇一八年六月Heavymetalconcentrationvariabilityofporewaterinsedi

2、mentanditsresponsetohyporheicwaterexchangeAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinPhysicalGeographyByLiuQiSupervisor:SongJinxiProfessorJune2018摘要摘要潜流带作为地表水-地下水相互作用的饱和地带，调节地表水-地下水系统的物理化学过程，是河流生态系统中污染物与重金属迁移转换的重要场所。本研究以渭河支流--

3、--潏河为研究对象，选择上游与下游不同河段的两个研究点，分别于2016年8月、12月冬夏两季进行河床垂向渗透系数（????）、垂向水力梯度（VHG）的现场原位测试试验及室内间隙水金属浓度的测定、沉积物粒径分析实验。利用达西定律、菲克第一定律计算潜流带垂向水交换量与金属扩散通量，分析潜流带水交换量、间隙水金属浓度及扩散通量的空间分布模式和时间变化规律，揭示其时空变化格局。结合沉积物粒径级配曲线法及相关地统计学方法，解析水交换量、沉积物粒径与间隙水金属浓度之间的关系，进一步揭示潜流带间隙水金属浓度变化及其对水交换的响应机理。研究结果表明：1）潜流带沉积物间

4、隙水中Cu和Zn浓度呈现一定的时空变异性。夏季，沉积物间隙水中Cu和Zn浓度明显高于地表水与地下水。上游河段间隙水中Cu平均浓度为−148.81µg·L，高于下游河段，而下游河段间隙水中Zn平均浓度是上游河段的三倍；冬季，与地下水和沉积物间隙水相较，Cu和Zn浓度在地表水中呈现出较高的均值。−1上游河段间隙水中呈现了较高的Zn浓度，值为18.67µg·L，而下游河段间隙水中−1Cu平均浓度为27.73µg·L，明显高于上游河段。同时，潜流带间隙水中Cu和Zn浓度呈现显著的季节变化特征。夏季沉积物间隙水中Cu和Zn浓度明显高于冬季。2）潜流带沉积物间隙水

5、中Cu和Zn浓度呈现一定的垂向变化特征。夏季，潏河上游与下游河段间隙水中Cu和Zn浓度的最大值出现在沉积物顶层0-0.15m处，呈现出随沉积物深度的增加逐渐减小的趋势。冬季，潏河上游河段间隙水中Cu浓度最−1大值出现在0.15-0.30m处，值为23.64µg·L，呈现出先增大后减小的趋势；下游河段间隙水Cu浓度随沉积物深度的增加而减小；Zn浓度均呈现出先增大后减小的趋势。3）潜流带水交换量呈现出明显的时空变异性。冬夏两季上下游不同河段绝大多数测量点的潜流带水交换方式表现为上升流，且较高的水交换量均出现在上游河段，夏季值为-208.126mm/d，冬季

6、值为-26.603mm/d，呈现出从河流上游至下游逐渐减小的趋势。同时，潜流带水交换量呈现出显著的季节变化特征，夏季水交换量明显大于冬季。I西北大学硕士学位论文4）潜流带水交换量与河床????在垂直于水流方向上均呈现出较为显著的横向空间变化特征。夏季，较高的河床????值与上升水交换量出现在河道中心倾向于左侧侵蚀岸；而较低的河床????值与上升水交换量集中分布在河流右岸沉积岸；冬季，上游河段较高的河床????值与上升水交换量分布在河道中心倾向于右侧侵蚀岸，而较低的河床????值与上升水交换量集中分布在河流左侧沉积岸；下游河段较高的河床????值与上升水

7、交换量分布在河道中心，下降流与较低的河床????值主要分布在河道右侧沉积岸。河床沉积物粒径与孔隙度的异质性是影响潜流带水交换的关键因素。沉积物粒径的异质性越大，潜流水交换量越大。5）在潜流带水交换过程中，水交换量与河床沉积物粒径是影响间隙水中Cu和Zn浓度变化的主要因素。夏季，较高的Cu和Zn浓度出现在靠近上升水交换量较大且砾石集中分布的河道中心，这可能是一方面受沉积物粗颗粒物质对金属具有较强的解吸能力，另一方面受上升水交换量驱动的影响；而较低的Cu和Zn浓度出现在上升水交换量较小且黏土集中分布的河道右侧沉积岸。冬季呈现出相似的横向空间分布特征。此外，

8、潜流带上升水交换量与金属扩散通量呈现显著的正相关性。6）河水、沉积物间隙水和地下水中单一的金属