在有利于改善水质的水文地质学方法中，河流渗滤系统是有效地改善地表水水质的、成本低廉的处理方法（Achter et al.，2002）。在一定条件下，地表水体可以与地下水相互转化，特别是在冲积扇区，可以被认为是同一水源，因此，许多地方常采用傍河布井方式开采地下水，以加强两者的水力联系，增加地下水的允许开采量（Winter et al.，1999；王大纯等，1994）。无论在湿润地区还是在干旱地区，在河水入渗补给地下水的过程中，污染物会发生过滤和衰减（Ray et al.，2003）。如果含水层中不含其他污染物或者各种污染物均处于较低的含量水平，则含水层中的水质会远远优于河水，这样能够在保障饮用水安全的同时增加地下水的开采量。国外特别是欧洲许多国家将河流渗滤系统应用于饮用水的生产过程，如斯洛伐克共和国通过河流渗滤获取的饮用水占总饮用水的50%，匈牙利占45%，荷兰占5%，德国占16%（Ludwig et al.，1997）。河流渗滤系统有两个显著的优点：一个是在地表水处理的过程中大大降低了辅助添加剂如消毒剂的使用量；另一个是在保证饮用水安全的前提下大大降低了水处理成本。
（一）河流渗滤系统的概念
河流渗滤是一个自然净化过程，它是指河水补给地下水时，河水中的溶质通过河流沉积层入渗进入两岸抽水井或地下水的过程（Ray et al.，2002a）。当对河流或湖泊邻近水域的垂直或水平的抽水井进行抽水时，由于河流与含水层之间存在动态的相互作用，抽水会引起河流和抽水井之间的压力梯度，这样引导性渗滤系统就会引导河水向下通过河流沉积物进入抽水井中。在这个过程中，可以对地表水中存在的大多数污染物进行过滤和清除。河流渗滤系统是一种高效的净化方法，它对微生物有机体、复杂的自然有机物、杀虫剂、除草剂、烃类化合物、药物制剂和芳香族化合物具有很强的去除作用，而这些污染物通过常规的水处理方法很难去除。在该过程中，污染物与沉积层发生各种物理、化学和生物作用，包括过滤、吸附、沉淀、微生物降解以及与地下水混合稀释等作用，而使污染物浓度降低（Chiou et al.，1985；Drzyzga et al.，1997），河水水质得到净化，从而获得高质量的饮用水。河流沉积层既包括河流底泥沉积物，又包括河流两岸的沉积物，所以将两者合称为河流渗滤系统。
（二）河流渗滤过程中污染物的主要迁移转化机制
河流渗滤过程中的主要迁移转化机制是入渗、扩散、过滤、吸附、微生物降解，以及地表水与地下水的混合稀释作用。国外对河流渗滤系统的研究较为深入，有一些针对河流渗滤作用的机理研究，主要包括物理过程和生物地球化学过程等。
1.物理过程
河流渗滤系统是一个天然的过滤器，其中，有机质丰富、粒度细小、表面积很大的河流沉积层，由于具有很大的吸附容量，对入渗污染河水具有很好的净化效能。即使河流水质会由于季节变化、径流和冲击负荷而发生重大变化，其影响也可以在河水通过河流渗滤系统入渗的过程中被消除。其中机械入渗引起对悬浮物质，以及吸附于悬浮固体上的疏水性有机污染物的去除。例如，含黏粒较多的河流沉积物对磷的去除效果最好，对化学需氧量（COD）和NH4—N的去除效率也比较高，对金属的去除效果也较好。河流渗滤系统还可以去除水中的颗粒物、胶体、微生物等（Hiscock et al.，2002；Worch et al.，2002）。在地表以下迁移的过程中，有机化合物能够被吸附于固体物质上。吸附作用的程度变化取决于化合物的特性和土壤胶体的种类和性质。总的来说，随着接触表面积增大和在河流与出水井之间的径流时间增长，吸附量增加。胶体和细菌表面的吸附作用能够影响有机污染物在土壤和地下水中迁移。Schwarzenbach et al.（1992）研究了挥发性有机化合物，如氯仿、三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯等的吸附行为，并阐述了这些化合物的一系列滞缓因素。此外，地下水和入渗水的混合过程能稀释污染河水，引起污染物浓度下降，并减缓其峰值。
2.生物地球化学过程
河流渗滤系统作为生物地球化学反应器，有着独特的地球化学环境，可将其视为一个分界面，在此分界面上下各种环境要素包括光、温度、pH、Eh、氧气、有机碳等都存在很大的差异，污染河水在通过这个分界面时水质将发生很大变化。Jurgen（2002）取莱茵河水进行试验，结果证明，河流渗滤系统对溶解的有机碳（DOC）、和去除效果均很好。潜在的河流渗滤过程的有利影响包括对可溶性有机物的降解作用和通过反硝化作用以及与地下水的混合作用来降低硝酸盐含量（Bourg et al.，1993；Grischeck et al.，1998；Wett et al.，2002）。Grischek等研究了德国易北河水中浓度。井水中浓度从4.97 mg/L降低到检测限之下。在河流渗滤系统中观察到的氧化还原反应是微生物活动的结果（BGW et al.，1996；Cosovic et al.，1996；Lovley，1991）。这能够为新陈代谢作用和细菌的细胞结构提供能量。氧化还原反应需要作为电子供体的有机化合物和作为电子受体的其他物质的参与。冲积含水层中的电子受体包括溶解氧、、锰的氧化物、氢氧化铁和硫酸盐等（Berner，1981；Champ et al.，1979；Groffman et al.，1999）。在河流渗滤过程中，通常包含溶解氧，在渗滤的最初几厘米至十厘米之间处于有氧环境，随着水流进一步入渗，氧气消耗殆尽，可能出现厌氧环境（Graillat et al.，1986；Bourg et al.，2002）。大多数情况下，溶解氧和常常是细菌催化所利用的电子受体。如果有机化合物的量很充足，而氧气和硝酸盐的量不足，其他的电子受体就会参与到反应中来，从而引起诸如锰和铁的溶解等其他水质问题（Bourg et al.，1993，2002；Graillat et al.，1986；Lovley et al.，1998；Monika et al.，2008）。
河流渗滤系统中存在以下生物地球化学过程：
河流渗滤系统污染去除机理研究
河流渗滤系统污染去除机理研究
河流渗滤系统污染去除机理研究
河流渗滤系统污染去除机理研究
河流渗滤系统污染去除机理研究
（三）河流渗滤系统污染去除机理研究现状
1.国外河流渗滤系统污染去除机理研究现状
近年来，河流渗滤系统对有机物的去除机理及去除效率逐渐成为国外学者的研究热点。最近几年的研究证明，河流渗滤系统在控制各种有机物方面非常有效，发生最显著的浓度衰减的污染物包括可溶性总有机碳、浊度、杀虫剂和其他有机污染物等，它还能减缓由暴雨径流造成的突发性污染负荷增大。
河流渗滤系统能够有效地去除一定比例的天然有机物（NOM）和合成有机物（SOC）（Kuehn et al.，2000）。NOM包括溶解的有机物、腐殖质微粒和未腐殖有机物。地表水体中的有机碳（TOC）和COD主要是NOM引起的。Miettinen et al.（1994）通过对某地表水及其地下水监测研究发现，在地表水入渗的过程中，TOC和COD等含量不断降低。Sontheimer（1980）在对莱茵河进行研究时发现，河流渗滤对中等分子量的NOM去除率接近70%。Ludwig et al.（1997）在易北河沿岸开展的研究证实，分子量超过1000g/mol的NOM在河流渗滤过程中不断消失。Wang et al.（1998）在俄亥俄河开展了为期两年的研究，发现河流渗滤作用对NOM的去除主要是由生物作用引起的。Ray et al.（2002b）也在对俄亥俄河流的研究中发现，在距河岸9m的观测井以0.0876m3/h的强度抽取地下水时，井水中TOC比河水中的减少了60%。因此，通过河流渗流系统对NOM的净化作用可以大大提高水的质量。由于野外调查不易实现，国外学者重点针对SOC进行了一些室内模拟试验研究（Bornick et al.，2001；Jutter，1995；Malzer et al.，1993）。Doussan等对河流渗滤系统中苯胺的生物降解进行了研究（Liu，2002；O'Nell et al.，2000；Vasil et al.，2002），Bornick et al.（2001）证明了易北河中苯胺在3h内去除率能够达到100%。Jutter（1999）分析并比较了易北河水和两岸井水中三氯乙烯、四氯乙烯、氯仿的浓度，在井水中几种污染物的浓度显著下降，有的甚至低于检测范围。Widerer et al.（1985）的研究发现：莱茵河中SOC去除效率与其生物降解性及其在河水中的浓度有关。地下水易受除草剂、杀虫剂和洗涤剂的污染。Verstraeten et al.（2002）的研究发现：在普拉特河附近的水井中除草剂浓度比河水中减少了76%。Dillon et al.（2002）报道了最近几年来，墨累河中杀虫剂的浓度大大降低，主要是由于河流渗滤系统的吸附和生物降解作用。Jutter（1992）调查了德国鲁尔河河流渗滤系统对洗涤剂的去除率，发现河流渗滤系统的含水层处于缺氧环境，并且存在强烈的异化硝酸盐还原过程，其对洗涤剂在还原条件下去除率达到99%，表明河流渗滤系统对这些SOC具有良好的去除作用。另外，国外学者还研究了河流渗滤系统对颗粒物、细菌及病原体和重金属的去除（Kim et al.，2002；Weiss et al.，2005）。Sontheimer（1980）发现在莱茵河下游持续性重金属污染物的去除效率较高，其中铬和砷超过90%，镉、锌、铅、铜和镍都超过了50%。
2.国内河流渗滤系统污染去除机理研究进展
我国将河流渗滤作用运用于水处理的时间可能更早，但开展河流渗滤过程中污染物环境化学行为及净化作用的研究时间并不长，只是近年来有吴耀国等利用野外监测手段开展污染河流对地下水化学影响的分析与评价研究发现（吴耀国等，2000，2002a，b，2005，2006；黄瑞华等，2006），河流渗滤系统对城市污水中的COD、重金属、氮等具有很好的净化作用，对COD 的去除主要是好氧微生物降解，其次为厌氧微生物降解，重金属与挥发酚的去除主要是由于土壤吸附作用，而氮的去除是由于好氧环境中的硝化过程与厌氧环境中的反硝化过程联合作用的结果，其中，硝化作用是氮净化效率的限制性因子；河流渗滤系统可以减缓污染河流对沿岸地下水的影响，防止地下水组分浓度的剧烈变化，在河水入渗初期，主要发生硝化反应，随入渗的不断深入，反硝化作用也趋于加强，使系统具有了一定的脱氮功能；在徐州奎河的试验结果表明，该河流渗滤系统对挥发酚去除率大于99%、COD的去除率大于95%、氮的去除率大于95%，且未引起土壤及地下水的污染；在对渭河河床沉积物及沿岸地下水含水层的含水介质研究发现，具有土著反硝化细菌的河流渗滤系统，在NO3—N约为23.0mg/L的条件下，可使苯胺降解效率达到100%，反硝化条件下，苯胺在河流渗滤系统中的降解仅有少部分经过脱氨作用，绝大部分与腐殖质以共价键形式形成耦合物，且该耦合物更易为微生物所利用，且在降解过程中不产生对环境微生物有毒的中间产物，可实现反硝化条件下河流渗滤系统中苯胺的连续降解。李金荣等（2006a～d，2007a～d）在对渭河渗滤系统的研究中发现，NH4—N 污水渗滤时发生的环境行为包括反硝化作用、硝化作用，以及离子交换吸附作用，使入渗的污染河水水质得到净化，并向好的方向发展。其中，引起氮损失的主要是反硝化作用，渭河渗滤系统对NH4—N净化率为86%；含有硝态氮污染的河水在渭河渗滤系统中其环境行为主要为反硝化作用，河流渗滤系统对硝态氮污水有很大的净化作用。苯胺污水在渭河渗滤系统中的环境行为主要为吸附作用和微生物降解作用，结果表明，河流渗滤系统对苯胺污水有很大的净化作用，其净化率可以达到100%。
（四）河流渗滤系统污染去除效果的影响因素
河流渗滤系统对地表水污染物去除效率很大程度上取决于水文地质条件，包括：抽水井的类型、抽水井与河流的位置关系、河岸及河床物质的特性、河床冲刷特性、河水温度，以及天然水源特性等。一些学者对影响河流渗滤系统处理效率的因素包括河流沉积层组成、河水温度、滞留时间等进行了研究（Achten et al.，2002；Chung et al.，2005；Friege，2000；Tufenkji et al.，2002）。
1.河岸及河床物质特性
研究表明，河流沉积层的组成特别是其中有机质和黏土的含量对去除效率的影响很大，Schwarzenbach et al.（1983）研究了有机碳含量较低的砂砾石质的河流冲积层中有机物的衰减过程，发现在两个不同的研究地点，水中的60%可溶性有机碳和可去除的有机氯化合物能在迁移过程中在含水层中被去除，但仍有一小部分保留在水中。对于一些特殊的化合物，如1，4-二氯代苯的去除率不足20%。在入渗过程的最初的几米中，生物降解作用是最基本的去除机理，有一些难降解的污染物是不能被本地驯化的厌氧细菌转化的。Miller et al.（2001）利用三种不同的河流沉积物样品进行一些毒素物质的去除试验，发现黏土含量较高和富含有机质的沉积物对其去除率较高，而砂质沉积层几乎不具有去除效果，这可能是由于富含有机物的沉积层具有微生物生长所需要的营养盐，而含砂较多的沉积层所含营养物很少，导致其去除率不高。我国学者李金荣等（2006d，2007a，b）认为，净化程度与该渗滤系统的渗滤介质有关，如果渗滤介质为细粒的黏土层，则对硝态氮污水净化程度很高，其净化率能够达到100%，但易引起地下水硬度升高等负效应，若介质为粗砂粒物质，其净化程度较低，但不易引起地下水硬度升高。
2.河水温度
Schwarzenbach（1983）对河流渗滤系统中的水质随季节和空间的变化进行了研究，认为温度对微生物的活性有非常大的控制作用，所以它是影响河流渗滤系统中水质变化的关键因素。Wang et al.（2002）在对Louisville河岸渗滤设施的研究中发现，由于黏性减弱和水温升高，河水在夏季入渗率较冬季高10%。结果表明，水温的季节变化在对河流渗滤系统的有效性进行评估时是需要考虑的因素之一。
3.其他影响因素
河流渗滤过程，渗滤的质量还取决于河水水质、与地下水的混合稀释作用，以及抽水井与河流之间的距离（Goloka et al.，2005）。抽水井与河流之间需要有足够的距离，使水流获得充分的迁移时间，以便生物降解能够进行更加彻底。