弯道水沙运动对磷污染物迁移转化的作用机理研究

As pollutant transporting in water, it is adsorbed onto sediment and transport with sediment movement. However, the action mechanism of flow and sediment movement on pollutant transport is unclear. Therefore, the transport-transformation mechanism of pollutant in river with flow and sediment motion needs to be studied. The action mechanism of flow and sediment transport on pollutant in curved channel will be investigated by laboratory experiment, theoretical analysis and numerical calculation with phosphorus as representative pollutant. In the elongated annular flume, the adsorption/desorption mechanism of pollutant onto sediment in hydrodynamic condition will be investigated by adjusting the flow velocity, the concentration of sediment and phosphorus, salinity and pH. Meanwhile, the influence of mean and turbulence velocity and sediment transport on the process of adsorption or desorption of phosphorus pollutants onto sediment also will be studied to analyze the action of flow and sediment motion on pollutant transport-transformation. Finally, a model of pollutant transport-transformation will be established based on the transportion of pollutant and the adsorption/desorption mechanism of pollutant onto sediment. The research results will enrich and improve the theory of flow and sediment movement on pollutant transport, and provide a scientific basis for environment management and protection of river.

污染物在水体中输移扩散的同时，部分被吸附在泥沙颗粒上，并伴随泥沙运动而迁移。然而，河流水沙运动对污染物输运作用机理尚不明确。本项目以弯道水沙运动及污染物输运特性为研究对象，以磷为代表污染物，采用室内实验、理论分析、数值计算相结合的方法，探索弯道中水沙运动对污染物迁移转化的作用机理，实验在加长型环形水槽中进行，调节水流流速，泥沙含量及级配，水体污染物初始浓度、盐度及pH值等条件，分析流场及浓度场特征和泥沙对污染物的吸附动力学过程及平衡态特征，研究弯道水沙运动过程中污染物输运规律和泥沙对污染物吸附/解吸规律，着重研究弯道水流结构及紊动特征，泥沙沉积、再悬浮及输运特征等对污染物迁移转化的影响机制，并分析多因素的综合效应，建立水沙运动中污染物迁移转化模型。基于该模型进行系列数值计算，进一步探究弯道中污染物输运及分布规律。成果将丰富和完善河流中污染物输运理论体系，为河流水环境治理和保护提供科学依据。

污染物进入环境水体后，与河流、湖泊中的泥沙相结合，并随泥沙的运动而迁移。本项目采用野外观测、室内实验、理论分析等手段，探索水沙运动对污染物迁移转化的作用机理，取得以下成果：.① 水动力作用下泥沙对磷的吸附规律。.基于室内加长型环形水槽实验，综合分析流速、泥沙输运方式、投沙量、磷浓度对泥沙环境效应的影响。结果显示在平衡状态时，动水中吸附量大于静水条件下的量。当水体中磷浓度较小时，流速对泥沙吸附磷量影响较小，而当水体中磷浓度较大时，泥沙对磷的吸附量随流速的增大而增大。当泥沙浓度保持不变时，分配系数和吸附系数随水体中磷初始浓度的增加而减少。.②泥沙吸附前后表面特性的变化。.磷酸根离子被泥沙颗粒吸附后，泥沙颗粒的表面形貌和结构发生改变，包括比表面积、总孔体积和孔径分布等结构特征。对比泥沙吸附前后表面微观形貌的变化发现，淮河泥沙颗粒表孔以微孔和中孔为主，平均孔径为3.5~4 nm，孔隙结构为接近平行壁的狭缝状毛细孔。磷酸根离子易于吸附在Dp<5nm的孔隙之中；而Dp>5nm的中孔及大孔为磷酸根离子输移、扩散的通道，其孔体积变化较小。泥沙吸附磷前后微观形貌的变化不仅与磷浓度有关，还与水动力条件有关。.③水流剪切力作用下干燥引起的团聚对泥沙吸附的影响.通过罐搅拌装置产生水流剪切力，作用于干燥后的淮河泥沙，并与超声波分散后的泥沙进行对比研究水流剪切力对团聚结构及其吸附的作用。结果表明，随着剪切力的增大，团聚结构被分散，黏粒和中细粉砂粒含量显著增多，吸附量增加；而超声波分散沙的粒径和吸附量几乎不受水流剪切力的影响。分析指出了团聚结构对动水条件下泥沙吸附实验的影响不可忽略，若忽略此影响，可能会造成对水动力因素影响的高估，并提出了减轻此影响的方法。同时也揭示了水动力对悬沙吸附量的影响主要是通过改变泥沙颗粒间联结程度，进而影响污染物的扩散条件产生的。.成果将丰富和完善河流中污染物输运理论体系，为河流水环境治理和保护提供科学依据。