紊流作用下泥沙释放磷的试验及数值模拟

为研究水体紊动对泥沙释放污染物的影响,引入近似均匀紊流模拟装置,开展不同强度紊动作用下泥沙运动释放磷动态过程及基本规律的试验,研究表明:紊动扩散作用对泥沙解吸释放磷有着十分重要的影响,紊动较弱时,泥沙尚未起动,床面泥沙颗粒吸附的磷元素解吸至孔隙水中,在垂向紊动扩散作用下输送至上覆水中,将使得上覆水中溶解态磷浓度增大;紊动作用较强时,泥沙逐渐悬扬至水体中,悬浮泥沙颗粒吸附的磷元素直接解吸至上覆水中,泥沙浓度越高,溶解态磷含量增长速率越大,达到平衡的时间越短.通过耦合紊流模型、水流泥沙数学模型、污染物对流扩散模型和Langmuir吸附动力学方程建立了紊动作用下泥沙释放磷的垂向一维数学模型,针对试验条件进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合较好,平均相对误差低于10%,可为模拟天然水体中泥沙悬浮释放磷的时空演化提供参考.     

紊流作用下泥沙释放磷的试验及数值模拟

为研究水体紊动对泥沙释放污染物的影响,引入近似均匀紊流模拟装置,开展不同强度紊动作用下泥沙运动释放磷动态过程及基本规律的试验,研究表明:紊动扩散作用对泥沙解吸释放磷有着十分重要的影响,紊动较弱时,泥沙尚未起动,床面泥沙颗粒吸附的磷元素解吸至孔隙水中,在垂向紊动扩散作用下输送至上覆水中,将使得上覆水中溶解态磷浓度增大;紊动作用较强时,泥沙逐渐悬扬至水体中,悬浮泥沙颗粒吸附的磷元素直接解吸至上覆水中,泥沙浓度越高,溶解态磷含量增长速率越大,达到平衡的时间越短.通过耦合紊流模型、水流泥沙数学模型、污染物对流扩散模型和Langmuir吸附动力学方程建立了紊动作用下泥沙释放磷的垂向一维数学模型,针对试验条件进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合较好,平均相对误差低于10%,可为模拟天然水体中泥沙悬浮释放磷的时空演化提供参考.     

波浪作用下沉降型憎水性污染物床面释放机理研究:以二氯甲烷为例

以沉降型憎水性污染物为代表的危险化学品突发性水污染事故发生后,大部分污染物将以液态形式沉积于河床表面,这些物质将作为内源性污染源,缓慢地释放进入水体,持续性地导致区域水质严重污染。选取二氯甲烷为对象,通过波浪水槽实验分析了不同波浪要素(波高、波周期等)对其释放强度的影响程度及响应关系,并建立了释放通量与各波浪动力学因子间的数学回归模型。结果表明：波浪扰动将引起以二氯甲烷为代表的沉降型憎水性污染物明显释放;DCM悬浮颗粒总体积浓度(TVC)总体上随波高的增大而变大,随着波周期的增大而减小;相同波周期情况下,释放通量与波高呈显著指数正相关(R²>0.973);相同波高情况下,释放通量与波周期呈显著对数负相关关系(R²>0.967);进一步建立了释放通量与床面波切应力、床面波浪能量损耗率、近底波浪质点水平速度最大值、单宽总波能及波陡的数学回归模型。该研究可为沉降型憎水性污染物水质预报的源强确定提供理论依据及计算方法,进而为完善该类污染物水质预报及风险预警的理论体系提供思路及方法。     

基于Landsat 8珠江口悬浮泥沙四季遥感反演与分析

本文利用2014年珠江口海域四个季度实测悬浮泥沙数据和Landsat 8多光谱遥感数据,进行了该海域四个季度的悬浮泥沙遥感反演与分析。反演结果表明,珠江口海域冬季悬浮泥沙浓度最低,分布从近岸向离岸逐渐递减;与冬季相比,受春季珠江口径流量逐渐增加的影响,悬浮泥沙含量有所增加,悬浮泥沙的整体状态呈现东北-西南走向的带状状态,平行于海域的西岸,沿着东南向逐渐降低;夏季珠江口为丰水期,受季节性上升流和径流量增大等因素的影响,悬浮泥沙含量达最大,高值区域主要分布在沿岸口门附近,近岸到离岸逐渐递减;秋季珠江口悬浮泥沙含量较少,高值主要集中在河口区域,这是由于秋季珠江口的径流流量减小,淡水冲击力不强,上升流减弱,高浓度主要集中在入海口和口门附近。     

高含沙紊动系统中泥沙铜的相互作用及其垂向浓度分布

采用谐振式紊动模拟装置 ,通过格栅以一定振幅、不同频率的往复运动 ,在水体中形成均匀紊动场 ,研究紊动对高浓度固液两相系统中泥沙 (黄土 )与铜的相互作用及其垂向浓度分布的影响 ,投沙量 (S)范围为 5kg/m³～800kg/m³.结果表明 ,在均匀紊动条件下 ,黄土对铜的吸附量在S =10kg/m³ 处出现峰值 ,而后随着投沙量的增加而快速下降 .这可能是铜的专性吸附、马兰黄土富含碳酸钙而导致铜的碳酸盐和氢氧化物沉淀 ,以及泥沙浓度效应等过程的共同作用所致 .水相铜浓度随S从 5kg/m³增加到 200kg/m³时快速下降 ,在S>200kg/m³ 的高含沙条件下继续下降趋于 0 .高浓度泥沙紊动水体中 ,水相铜浓度和泥沙吸附铜量的垂向分布分别表现出均匀和波动的不同特点 ,实际含沙量的垂向分布在S<100kg/m³时比较均匀 ,在S>200kg/m³时自上而下逐步增加 .     

氮在高含沙水向人工浅水湖泊补水期间的变化规律

外来补给水源的水质和作为污染物载体的悬浮颗粒物对人工浅水湖泊的影响备受关注.在2012年4月23～25日东昌湖引黄河水补水期间,从入湖口到出湖口的纵断面5个监测点同步监测流量、泥沙和溶解态氮、颗粒态氮含量,并于23日和26日在整个湖区12个监测点采集水样和底泥样进行不同形态氮含量分析.结果表明,补水导致入湖口附近的流速、悬浮颗粒物含量有明显的上升和回落,但影响范围有限;氮素的空间分布沿入湖湖流方向呈现一定的浓度梯度,入湖口附近水体、悬浮颗粒物和底泥中各形态氮含量比其他湖区高;从入湖口到出湖口的纵断面,补水阶段各种形态氮含量变化幅度依次降低,补水后溶解态和颗粒态总氮含量有不同程度的增加,其中颗粒态总氮增幅较大,受黄河补水影响显著.本次黄河补水氮素以溶解态氮为主,溶解态总氮∶颗粒态总氮=7.3∶1,溶解态氮形态以硝氮为主,颗粒态氮形态以氨氮为主.氨氮受外源补水和悬浮颗粒物吸附沉降影响较大,补水阶段悬浮颗粒物含量与颗粒态氨氮、总氮的相关系数是0.868、0.876,而硝氮受其影响不大.东昌湖底泥氮主要以有机氮形式存在,其输入源是黄河水及泥沙颗粒.     

台风强降雨输入水源水库悬浮泥沙的氮磷吸附特性

为研究台风强降雨后输入水源水库的悬浮泥沙对水体氮磷的吸附特性,本文于2015年10月强台风"彩虹"登陆粤西期间,采集高州水库原水和表层沉积物泥沙样品,模拟悬浮泥沙对氮磷的吸附动力学过程,对比分析不同粒径和不同含量悬浮泥沙对磷的吸附等温线.结果表明,高州水库悬浮泥沙不具有明显的氮吸附动力学特性,对磷的吸附动力学平衡时间为10 h;泥沙粒径小于0.25 mm时,对磷的平衡吸附量随着泥沙粒径的减小而增大;泥沙含量在0.2~2.0 kg·m-3时,对磷的平衡吸附量随着泥沙含量的增大而增大;悬浮泥沙对磷的吸附等温线符合Langmuir及Freundlich模型,最大吸附量随泥沙粒径的减小而增大,随泥沙含量的增大而增大,悬浮泥沙对磷的最大吸附量为0.073~1.776 mg·g~(-1).台风强降雨作用导致高州水库水体悬浮泥沙含量增大,促进对磷营养盐的吸附作用,对高州水库富营养化有一定的改善作用.     

垂向环流作用下湖泊沉积物磷迁移行为

以巢湖十五里河入湖河口原位底泥为研究对象,通过室内模型实验,模拟了垂向环流的动水条件下,溶解态无机磷（DIP）在泥水界面的释放-吸附过程,探讨了不同强度环流对河口底泥DIP迁移的影响行为.结果表明：垂向环流扰动会引起上覆水中溶解氧（DO）和悬浮颗粒物（SPM）含量明显上升,且其平衡浓度与扰动强度均呈正相关,但悬浮物中值粒径（D₅₀）则随扰动强度的增大而降低;垂向环流作用下沉积物DIP的释放量随时间呈“Λ”型分布,显著区别于其他动水扰动情形,释放峰值与环流强度成显著正相关（P=0.047<0.05）,但平衡值则与之呈显著负相关（P=0.034<0.05）;环流扰动的增强促进了DIP在沉积物上的吸附,并构建了耦合天然水动力效应的沉积物DIP Freundlich等温吸附经验公式：lgQ_e=2.7074e^1.3487τ+0.9463e^-1.4830τlgC_e.     

洛河流域非点源污染负荷不确定性的影响因素

以黄河流域下游的洛河流域为研究区,利用1998年实测径流量、泥沙负荷和非点源污染资料,对非点源污染模型中的水文模型、土壤侵蚀模型与污染负荷模型进行了参数率定.并以此为基础,针对非点源污染负荷计算的影响因素,采用摩尔斯分类筛选法,分析它们对径流量、泥沙负荷、吸附态氮和溶解态氮模拟计算的敏感性.结果表明,在湿润、半湿润地区对径流量、泥沙负荷、吸附态氮和溶解态氮影3个因子分别是土壤可利用水量、土壤蒸发补偿量、SCS曲线系数.其中,土壤可利用水量产生负效应影响.坡度、坡长和作物管理因子对泥沙负荷和吸附态氮影响也比较显著.吸附态氮与泥沙负荷影响因子一致,说明吸附态氮污染主要与泥沙流失有关.     

高含沙紊动系统中影响泥沙和铜垂向分布的关键因素分析

采用谐振式紊动模拟装置和回归正交设计试验方法，研究了均匀紊乱条件下高浓度固液两相系统中初始投沙量、颗粒级配和紊动强度等因素对泥沙和铜浓度垂向分布的影响，得到了泥沙吸附铜量、水相铜浓度和含沙量与各因素变量间的回归方程，结果表明，投沙量与泥沙吸附铜量和水相铜浓度之间呈负相关关系；紊动强度与泥沙吸附铜量和含沙量之间呈正相关关系，回归正交试验结果进一步表明，泥沙吸附铜量和水相铜浓度均与投沙量显著相关，各因素对两者的影响程度均以投沙量影响为最大，而且远远大于紊动强度和颗粒级配的影响，三因素对铜的水沙分配没有交互作用影响，沿垂向分布的实际含沙量与投沙量、紊动强度及其交互项显著相关，投沙量影响最大。     

流速对太湖河道底泥泥沙、营养盐释放规律影响实验研究

河湖中的底泥作为二次污染源,影响河道水环境.太湖河口及调水区河流底泥泥沙、营养盐的释放扩散受水动力条件的影响越来越受到人们的重视.用环形水槽模拟河道的水动力条件的改变,通过实验研究悬浮泥沙、总溶解氮磷(TDN,TDP)和总氮磷(TN,TP)浓度在不同流速条件下在水体中的变化情况,从而掌握底泥泥沙、营养盐在不同流速下的释放特性.本研究按照泥沙的起动标准,把相对应的流速分为"个别动"、"少量动"以及"普遍动"流速,对应不同的泥沙悬浮量以及营养物质的释放量.研究显示高于起动流速下营养盐的动态释放较低于起动流速下的静态释放.泥沙的悬浮量与营养物质的动态释放过程密切相关.TDN、TDP释放量和最终平衡浓度随流速呈对数关系;TN、TP平衡浓度随流速增加呈指数形式增加.整个释放过程为,0~30 min的释放前期为孔隙水释放,营养物质释放量大且速率快;后期为再悬浮颗粒物释放,释放量小且速率减慢,达到平衡之后,营养盐浓度基本稳定.营养物质的空隙水释放与在悬浮颗粒物释放的比例有待进一步的研究.     

大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨

通过在太湖开展的风浪与底泥悬浮的野外观测,结合分层采取水样并分析水体中溶解性营养盐的浓度随深度的变化结果,发现在水土界面的上覆水中营养盐浓度有突然增加的现象,指示着沉积物对上覆水营养盐浓度有影响.对沉积物中孔隙水营养盐浓度随深度的变化分析,表明了沉积物孔隙水中营养盐浓度变化与氧化还原环境的关系.结合水动力作用,提出了大型浅水湖泊水动力作用导致底泥悬浮,从而使得底泥中的可溶性营养物质释放这一内源释放的概念性模式.     

湖泊疏浚对沉积物再悬浮及磷迁移影响的模拟研究

选择太湖梅梁湾污染沉积物为研究对象,选取夏季和冬季两个典型季节,进行室内模拟试验研究了湖泊疏浚对沉积物再悬浮及磷迁移的影响.结果表明,研究区模拟疏浚20 cm能够有效地抑制沉积物发生再悬浮,冬季疏浚比夏季疏浚抑制效果更好,在扰动过程中夏季未疏浚对照和疏浚水柱总悬浮物(TSS)最大含量分别为初始值的7.0和2.2倍;而冬季未疏浚对照和疏浚水柱分别为24.3和6.4倍.统计分析发现,夏、冬两季模拟试验未疏浚对照和疏浚水柱中总磷(TP)、磷酸盐(PO34--P)含量都与TSS含量变化呈现显著正相关(P<0.05),表明风浪扰动造成大量沉积物再悬浮,并伴随内源磷的释放是水柱中TP和磷酸盐的主要来源.夏季模拟试验疏浚对水柱中TP和磷酸盐负荷控制效果略差,冬季模拟试验疏浚水柱中TP和磷酸盐含量都显著(P<0.01)低于未疏浚对照.利用薄膜扩散梯度(DGT)技术研究了夏季疏浚沉积物-水界面上间隙水中溶解态活性磷(DRP)垂向分布,未疏浚水土界面中间隙水DRP扩散层厚度大于疏浚样,但疏浚样间隙水DRP在水土界面的离子浓度势能大于未疏浚对照样,表明底泥疏浚可以有效地降低疏浚区间隙水中DRP潜在的释放风险,但水动力作用下短期内可能会导致疏浚间隙水中DRP释放.对于太湖这样的大型浅水湖泊,确定最佳的疏浚时令、疏浚深度及疏浚范围至关重要.     

闸坝调度对污染河流水环境影响综合实验研究

为了研究闸坝各种调度方式下河流污染物的时空变化规律,探索了闸坝调度对污染河流水环境的作用机理,在槐店闸前期研究和实验的基础上,设计了不同闸坝调度方式对污染河流水环境影响的综合实验方案,并开展了现场实验,研究了槐店闸浅孔闸在现状调度、闸门不同开度和闸门全部关闭3种调度方式下的水体、悬浮物及底泥污染物变化规律.结果表明:闸坝调度会对河流水质产生一定的影响,其影响过程呈现出复杂的非线性关系;闸坝调度也会对水体、悬浮物和底泥中的污染物产生不同程度的影响,并促使污染物在不同介质中进行转化;流量和水深等因素会对底泥和悬浮物中污染物的释放产生影响.研究工作为构建闸坝作用下河流水环境模型、研究闸坝作用规律、实施闸坝科学调度奠定了实验基础.     

基于沉积物磷释放的WASP水质模型改进研究

沉积物释放是水体磷污染的重要来源之一.鉴于一般水质模型对沉积物释放项的模拟过于简单,无法充分体现实际河道污染物迁移转化等情况.本研究通过静态和动态相结合的室内沉积物释放模拟实验探讨不同水动力条件下磷释放规律,以此修正现有的水质模型,使沉积物在不同水动力条件下的释放项对河道水质的影响在模型中得到体现,并将其应用于太湖苕溪入湖口的水质模拟中.研究结果表明,在不同水动力条件下,沉积物释放速率与流速呈现指数增长关系.而采用动态底泥释放修正后的水质模拟效果要比采用模型默认值的水质模拟效果好,从而验证了改进模型的合理性,也表明水动力对沉积物释放的影响是水质模拟中不可忽略的因素.     

动态水流条件下河流底泥污染物(COD_(Cr))释放研究

为了研究不同水深、流速等水动力条件对底泥中污染物释放强度的影响,以苏州河底泥为例,通过水槽试验,分析了动态水流条件下河流底泥中污染物释放及其对上覆水体水质的影响.结果表明,CODCr释放率随时间的增大而增大,但CODCr释放强度随时间的增大而减小.底泥中污染物释放率与水深和流速有关,在相同水深的条件下,底泥的释放率随着流速的增加而增大;在相同流速的条件下,底泥的释放率随着水深的增大而减小.在水深10cm、流速0.10m.s-1的动态水流条件下,底泥向上覆水体释放CODCr的释放强度与时间的关系为:C=1.06C0e-0.06t.     

Effects of benthic hydraulics on sediment oxygen demand in a canyon-shaped deep drinking water reservoir: Experimental and modeling study

Sediment oxygen demand (SOD) is a major contributor to hypolimnetic oxygen depletion and the release of internal nutrient loading. By measuring the SOD in experimental chambers using in both dissolved oxygen (DO) depletion and diffusional oxygen transfer methods, a model of SOD for a sediment bed with water current-induced turbulence was presented. An experimental study was also performed using near-sediment vertical DO profiles and correlated hydraulic parameters stimulated using a computational fluid dynamics model to determine how turbulences and DO concentrations in the overlying water affects SOD and diffusive boundary layer thickness. The dependence of the oxygen transfer coefficient and diffusive boundary layer on hydraulic parameters was quantified, and the SOD was expressed as a function of the shear velocity and the bulk DO concentrations. Theoretical predictions were validated using microelectrode measurements in a series of laboratory experiments. This study found that flow over the sediment surface caused an increase in SOD, attributed to enhanced sediment oxygen uptake and reduced substances fluxes, i.e., for a constant maximum biological oxygen consumption rate, an increased current over the sediment could increase the SOD by 4.5 times compared to stagnant water. These results highlight the importance of considering current-induced SOD increases when designing and implementing aeration/artificial mixing strategies.     

Distribution of heavy metals in the Grand Canal (Hangzhou section) and its contributing factors

ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｔｈｅＧｒａｎｄＣａｎａｌ（Ｈａｎｇｚｈｏｕｓｅｃｔｉｏｎ）ａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｎｇｆａｃｔｏｒｓＷｅｎｇＨｕａｎｘｉｎ，ＺｈａｎｇＤｅｎｇｒｏｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥａｒｔｈ...