振荡流条件下可渗透底床污染物界面动态释放机制的实验研究
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摘要
上覆水流的水动力作用是影响氮、磷营养盐或重金属等污染物在河流、湖泊、水库及湿地等水环境系统中迁移转化的重要物理机制,在很大程度上控制着泥-水界面区域的物质输运过程。在底泥不受扰动的恒定流情形,紧邻泥-水界面以上存在一层很薄的扩散边界层(Diffusive boundary layer,DBL),以往许多研究表明分子扩散是控制这一区域物质垂向输运的主要物理机制,水动力作用主要体现在控制着DBL的厚度。而对于周期性非恒定流条件下的界面物质输运过程,以往一些相关研究主要考虑较为理想(或相对简化)底床条件下DBL的厚度变化、动力响应机制及其对界面物质扩散通量的影响,较少考虑复杂水动力条件和底床物理特性(如孔隙度和渗透率等)对界面物质输运过程的耦合作用,尤其对于周期性振荡流和可渗透底床(具有相对较高的渗透率)条件下,上覆水流的非恒定、往复流动特征对界面交换区物质输运过程的影响机制在以往的实验测量和数值模拟研究中还没有取得一致的结论。本文主要通过实验室水槽实验,测量得到不同周期性振荡流和可渗透(砂质)底床条件下,污染底泥向上覆水体释放吸附性污染物(磷)的界面动态释放特性及其影响因素,并分析上覆水流的非恒定、往复流动特征对污染物界面动态释放的水动力影响机制。实验结果表明,与相同平均流速的单向流条件(包括恒定流和单向非恒定流)相比,上覆水流的往复流动特征对可渗透底床泥-水界面区域的污染物动态释放具有重要作用,导致振荡流条件下的污染物界面动态释放量明显增大,且这种增强趋势在初始释放阶段较为显著。振荡流平均流速(采用周期平均绝对值表征)增大、周期缩短、振幅变大,污染物界面释放通量随之增加。振荡流与可渗透底床耦合作用下的泥-水界面区域污染物输运过程与单向流情形的DBL输运过程相比存在较大差异,其水动力影响机制主要体现在流向改变所导致的上覆水与可渗透表层底床孔隙水之间的直接物质交换得以显著增强,成为界面交换区的主导物质输运机制。
引文