植被过滤带中胶体颗粒物沉积过程的多尺度研究

Non-point source pollution is one of the key reason that the water quality deteriorate in China. Colloid particles, one kind of suspended particle whose diameter is less than 10 um, are important components of the non-point source pollutants. They can be contaminants themselves, or become contaminants due to the large surface area ratio when they facilitate the transport of the contaminants. Vegetative filter strips (VFS) are commonly used techniques to remove the solute and sediment from the non-point source pollution, but the removal efficiency and the transport mechanism of colloid particles in VFS are poorly understood. This proposed study will focus on the deposition mechanism of the colloid particle transport process, which is different mechanism from solutes and sediments in the VFS. Laboratory experiments will be employed to investigate the flow dynamics and water chemistry impact on the deposition of colloid particles, and further derive the mathematics expression for the deposition process. Considering the physical-chemical heterogeneity between the lab and field condition, field experiment and mathematical model are employed to investigate the scaling effect. The research output can provide technical support for the design of the VFS, and also provide the theoretical references for the parameter selection of future physical models for wetland and VFS design, which both are important measurements for non-point source pollution control.

面源污染是我国水体环境恶化的主要原因之一，其中胶体颗粒物是面源污染物的重要组成部分。他们有些自身是污染物质，其他由于其比表面积大，可携带其他污染物质运移。植被过滤带是解决农业面源污染中溶质与泥沙问题的有效技术手段。胶体颗粒物在植被过滤带中的去除及运移机理研究对于面源污染控制意义重大。本项目拟以多孔介质的经典胶体过滤理论为基础,通过室内实验以及数值模拟技术，研究胶体颗粒物在植被过滤带上受水动力、水化学环境的影响作用，进而探讨沉积发生机理，建立沉积系数的表达式。同时，针对野外尺度下物理化学条件的不均一性，通过野外实验以及数值模拟，建立沉积表达式从实验室到野外的尺度效应关系。研究结果对理解植被过滤带的污染净化有理论指导意义，可以为其物理模型参数选取提供理论依据，为高效利用植被过滤带减轻面源污染提供技术支持。

植被过滤带以及湿地是防治面源污染的主要措施。胶体颗粒物作为新兴污染物，除自身是污染物之外，由于其比表面积大，也可以携带其他污染物运移。研究胶体颗粒物质在植被过滤带中的沉积吸附效率在野外尺度与室内微观尺度的理论之间的联系，对指导物理模型的宏观参数值的选取提供理论基础。本项目主要研究了（1）胶体在一丛植被上以及在十米植被过滤带上的的沉积吸附过程。发现多孔介质中的胶体动力沉积率方程不可直接用于植被过滤带系统中。胶体颗粒物在十米长（野外尺度）的沉积吸附效率系数并不是常数，而是随着胶体运移距离的增加而呈幂函数减小的趋势。原因一：基于本实验植被过滤带水流的雷诺系数范围，胶体在植被过滤带中，以对流捕获为主要沉积吸附方式，对流捕获作用随运移距离的增加而降低的。原因二：植被过滤带接近胶体释放位置的前段，直接捕获占主导，后段扩散沉降和重力沉降占主导。直接捕获方式的沉积吸附效率高于扩散沉降和重力沉降。(2)在接近实际野外的流速、胶体浓度的情况下，植被过滤带对胶体颗粒物的沉积吸附效率与微观条件影响作用稍有不同。离子强度与pH的影响与微观条件下一致。（3）降雨对胶体在植被过滤带中迁移影响。发现降雨促进了胶体在植被过滤带中的沉积吸附作用。但是由于植被的截留作用，降雨强度的变化对胶体沉积吸附系数影响并不显著。植被密度对胶体的沉积吸附作用影响显著。（4）降雨产流与胶体颗粒物在植被过滤带中迁移的耦合模型。成功的模拟了胶体在降雨产流中的运移过程，得出宏观条件下的胶体沉积吸附系数。本项目为防治面源污染源，如农业用地、放养的农场周边的植被过滤带以及海绵城市中绿地的设计提供了有效的技术支撑；也给湖泊周围建立的湿地防护带的效果评估提供了量化的基础。