彎道水沙運動對磷污染物遷移轉化的作用機理研究

《彎道水沙運動對磷污染物遷移轉化的作用機理研究》是依託河海大學，由李志偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：彎道水沙運動對磷污染物遷移轉化的作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李志偉
• 依託單位：河海大學

項目摘要

污染物在水體中輸移擴散的同時，部分被吸附在泥沙顆粒上，並伴隨泥沙運動而遷移。然而，河流水沙運動對污染物輸運作用機理尚不明確。本項目以彎道水沙運動及污染物輸運特性為研究對象，以磷為代表污染物，採用室內實驗、理論分析、數值計算相結合的方法，探索彎道中水沙運動對污染物遷移轉化的作用機理，實驗在加長型環形水槽中進行，調節水流流速，泥沙含量及級配，水體污染物初始濃度、鹽度及pH值等條件，分析流場及濃度場特徵和泥沙對污染物的吸附動力學過程及平衡態特徵，研究彎道水沙運動過程中污染物輸運規律和泥沙對污染物吸附/解吸規律，著重研究彎道水流結構及紊動特徵，泥沙沉積、再懸浮及輸運特徵等對污染物遷移轉化的影響機制，並分析多因素的綜合效應，建立水沙運動中污染物遷移轉化模型。基於該模型進行系列數值計算，進一步探究彎道中污染物輸運及分布規律。成果將豐富和完善河流中污染物輸運理論體系，為河流水環境治理和保護提供科學依據。

結題摘要

污染物進入環境水體後，與河流、湖泊中的泥沙相結合，並隨泥沙的運動而遷移。本項目採用野外觀測、室內實驗、理論分析等手段，探索水沙運動對污染物遷移轉化的作用機理，取得以下成果： ① 水動力作用下泥沙對磷的吸附規律。 基於室內加長型環形水槽實驗，綜合分析流速、泥沙輸運方式、投沙量、磷濃度對泥沙環境效應的影響。結果顯示在平衡狀態時，動水中吸附量大於靜水條件下的量。當水體中磷濃度較小時，流速對泥沙吸附磷量影響較小，而當水體中磷濃度較大時，泥沙對磷的吸附量隨流速的增大而增大。當泥沙濃度保持不變時，分配係數和吸附係數隨水體中磷初始濃度的增加而減少。 ②泥沙吸附前後表面特性的變化。 磷酸根離子被泥沙顆粒吸附後，泥沙顆粒的表面形貌和結構發生改變，包括比表面積、總孔體積和孔徑分布等結構特徵。對比泥沙吸附前後表面微觀形貌的變化發現，淮河泥沙顆粒表孔以微孔和中孔為主，平均孔徑為3.5~4 nm，孔隙結構為接近平行壁的狹縫狀毛細孔。磷酸根離子易於吸附在Dp<5nm的孔隙之中；而Dp>5nm的中孔及大孔為磷酸根離子輸移、擴散的通道，其孔體積變化較小。泥沙吸附磷前後微觀形貌的變化不僅與磷濃度有關，還與水動力條件有關。 ③水流剪下力作用下乾燥引起的團聚對泥沙吸附的影響 通過罐攪拌裝置產生水流剪下力，作用於乾燥後的淮河泥沙，並與超音波分散後的泥沙進行對比研究水流剪下力對團聚結構及其吸附的作用。結果表明，隨著剪下力的增大，團聚結構被分散，黏粒和中細粉砂粒含量顯著增多，吸附量增加；而超音波分散沙的粒徑和吸附量幾乎不受水流剪下力的影響。分析指出了團聚結構對動水條件下泥沙吸附實驗的影響不可忽略，若忽略此影響，可能會造成對水動力因素影響的高估，並提出了減輕此影響的方法。同時也揭示了水動力對懸沙吸附量的影響主要是通過改變泥沙顆粒間聯結程度，進而影響污染物的擴散條件產生的。 成果將豐富和完善河流中污染物輸運理論體系，為河流水環境治理和保護提供科學依據。