再悬浮扰动对巢湖沉积物重金属元素释放的影响

文章使用Y型再悬浮装置探究在不同扰动强度和持续时间条件下,巢湖底泥沉积物再悬浮对上覆水体理化性质及重金属元素释放的影响。研究发现：沉积物再悬浮过程中,南淝河入湖区与西湖心的悬浮颗粒物质量浓度、pH值和溶解氧(dissolved oxygen, DO)均与物理扰动的强度、时间有关;南淝河入湖区上覆水体中Cr、Cu、Ni、Zn、Pb、Hg、As的质量浓度整体随水体流速和颗粒物悬浮时间的增加逐渐增大,Hg、Pb和Cu水溶态质量浓度在垂向分布上随水体深度增加而逐渐增大;西湖心上覆水体中Zn、Ni、Hg、As、Pb和Cr的质量浓度在扰动实验的初期迅猛上升至峰值,但后期逐渐下降并趋于稳定,且在垂向上分布均匀。通过分析释放通量发现,南淝河入湖区与西湖心上覆水体表层、中层和深层的溶解态重金属元素释放量并不是持续增长的,但可推断由于再悬浮进入上层水体的沉积物颗粒中重金属元素污染物含量比底泥中更高。     

水动力作用对污染物在河流水沙两相中分配的影响研究进展

通过总结近年来有关水动力作用对河流中泥沙吸附/释放重金属、磷等污染物影响研究成果,分析了水流紊动强度和流速对污染物在河流水沙两相中分配的影响规律。当水流紊动强度较低时,泥沙主要以床沙形式存在,泥沙对污染物的吸附/释放速率和强度较低;随着紊动强度增大,水沙界面切应力随之增大并促使泥沙悬浮,污染物与悬浮泥沙颗粒接触面积增大,使得泥沙对污染物的吸附/释放速率和强度显著增加。流速对污染物在水沙两相间分配的影响较为复杂。泥沙静止时,流速的增大会减小边界层厚度,增大水体溶解氧含量、氧化还原电位等参数,并使污染物在水体里的扩散由分子扩散转变为以紊动扩散为主,增强污染物在水-沙界面的交换通量,对污染物在水沙两相间的分配产生影响;随着流速进一步增大,床沙逐渐起动、悬浮,此时除上述因素外,泥沙运动状态、悬浮颗粒间碰撞强度、悬浮物的絮凝等均会对泥沙吸附/释放污染物产生影响,由于影响因素较多,作用机制复杂,目前关于泥沙运动对污染物在水沙两相间分配的影响所得结论仍存在分歧。相应的机理研究及数学模型的建立均做了较大简化。综观当前的研究成果,水沙运动及其化学生物过程等对污染物在河流水沙两相中的分配作用机理和耗氧有机物、有毒有机物等污染物与泥沙的作用机理是这一领域的未来研究重点。     

河床泥沙起动流速公式修正及可靠性验证

在河床泥沙起动的瞬间,颗粒与水相互作用,具有相同的速度。所以在研究泥沙起动流速的时候既要考虑水体对河床泥沙的影响,又要考虑河床泥沙对水体的影响。通过探寻河床有效切应力与水体流速梯度的关系;并考虑河床泥沙内部渗流作用对泥沙起动流速的影响推导出新的均匀泥沙起动流速公式。将此公式与实验资料及前人推导公式进行对比,结果表明本公式的计算精度符合工程应用标准,能弥补采用经典流速分布公式研究泥沙起动流速时的不足;并能较好地应用于组成成分为粗粉土、沙与砾石的泥沙研究中。     

水动力作用下河湖沉积物污染物释放研究进展

水动力作用会增强底泥沉积物-水界面的剪切效应,并引起上覆水和沉积物的理化性质(溶解氧、pH、氧化还原电位等)发生变化,从而影响甚至改变污染物的释放规律。鉴于水动力的重要性,对动水作用下营养盐、重金属、持久性有机物的释放机制以及影响释放过程的主要因素进行了阐述,解析了过去研究中存在的不足,指出多次水动力扰动下沉积物再悬浮以及再分配行为响应机制、水动力作用与沉积物中多种污染物释放的协同或拮抗的耦合机制、水动力与水生植物共同胁迫作用下污染物释放的微观机制以及基于复杂条件下的沉积物污染物释放动力学模型构建是本领域需进一步研究的重点。     

排污流速比对河流水体中悬浮物沉降和底泥再悬浮的影响

采用数值模拟和水槽试验相结合的方法,研究河道排污口不同排污流速比(R分别为4.5、7.2和9.9)对悬浮物在排污口下游区域沉降和底泥再悬浮的影响。结果表明:随着流速比的增加,紊动越剧烈,污染云团扩散范围越大,沉降和悬浮作用也越明显。不同流速比情况下,通过底部水平面的沉降通量变化趋势基本一致,即先增加、后稳定,通量总量随着流速比增大而增加;由于临界起动流速(对应于R=5.8)的存在导致低流速比(R=4.5)情况下再悬浮通量增长缓慢,而中流速比(R=7.2)和高流速比(R=9.9)情况下再悬浮通量增长迅速。由此可见,排污流速对排污口下游区域悬浮物的沉降和底泥再悬浮具有重要的影响。     

水库底泥重金属污染物静态释放规律

 为了探求水库底泥中重金属污染物的释放情况,分别对某水库表层底泥和底层底泥中重金属污染物进行静态释放模拟实验,得到了Cr、Pb、Ni、Zn和Cu 5种重金属的释放浓度曲线,并分析了释放曲线的浓度变化趋势,通过计算得出了重金属污染物的释放速率及年释放量。结果表明,该水库底层底泥中重金属污染物的释放浓度比较低,对上覆水水体水质影响较小;而表层底泥中重金属污染物的释放浓度相对较高,对上覆水水体水质影响较大;5种重金属污染物Cr、Pb、Ni、Zn和Cu在表层底泥中其释放速率和年释放量都要比底层底泥中约高一个数量级。     

衣藻增殖、悬浮与沉降过程对水-泥 界面磷素动态的影响

为阐明水华过程藻群动态对水-泥界面磷素变化的影响,采集太湖梅梁湾水样和泥样,以莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)为对象,通过室内模拟实验(76 d),研究藻体增殖、悬浮与沉降过程水-泥界面不同形态磷素含量及碱性磷酸酶活性(APA)的变化。结果表明:衣藻快速增殖与悬浮导致水体pH与DO含量明显升高,总磷和无机磷浓度迅速降低,但底泥有机磷含量平均高出无藻处理1.5倍。此外,衣藻沉降期底泥水溶性磷含量明显降低,这是由于部分沉降在底泥表面的藻体继续存活并吸收利用了水溶性磷。上覆水APA在藻体大量沉降后平均高于增殖和悬浮期1～3倍。相比较而言,底泥APA在藻体快速增殖与悬浮期达到最高,此后,APA降低,但仍高于无藻处理2倍以上。因此,衣藻水华过程加速了水-泥界面磷素的释放,部分沉降至底泥表面的存活藻体吸收利用磷素进而增殖和再悬浮,这可能是富营养化水体水华反复和多次暴发的重要原因之一。     

黄河泥沙含量对磷迁移过程的影响研究

磷是我国河流主要污染物质之一,泥沙含量对磷的迁移过程具有重要影响,但针对磷在沉积物-水界面的迁移机制理解尚不完全．黄河作为典型的高含沙量和高磷负荷河流,对于磷在河流介质的迁移过程具有重要研究意义．在2019 年10 月份选取黄河沿程18 个水样采集点位和2 个沉积柱采集点位,对水样含沙量、总磷含量（TP）和沉积物样磷形态含量（Ca-P、Fe/Al-P、OP）进行测量,结合2000—2019 年黄河主要水文站实测输沙量、含沙量、泥沙粒径数据进行分析．从时空尺度上,尽管中游河段输沙量近20 年呈显著下降趋势,但下游输沙量仍保持稳定,下游前段水体含沙量呈上升趋势．将水体含沙量与TP 含量进行协同分析,下游河段水体含沙量同TP 含量呈相反变化规律．对泥沙粒径进行分析,冲刷作用导致较大粒径沉积物再悬浮,这一过程对磷的迁移具有重要影响．对沉积物磷形态进行分析,IP 为黄河流域沉积物磷主要赋存形态,Ca-P 是IP 的主要赋存形态．研究认为,当流速慢时,水体泥沙含量低,沉积物再悬浮作用弱,Fe/Al-P 在沉积物-水界面迁移. 当流速快时,水体泥沙含量高,沉积物再悬浮作用强,下游地区沉积物和悬浮颗粒物成为磷汇．      

均匀球体泥沙典型分布状态及其起动流速研究

为了研究床面泥沙三维随机分布状态及其起动条件,将泥沙颗粒概化为三维球体,采用粒径为12mm的均匀玻璃球,在边长为150mm的立方体容器中进行了床面泥沙随机堆放试验.试验发现,床面泥沙存在3种典型分布状态,统计分析了3种状态各占的比例,建立了对应的泥沙起动力学平衡方程,推导出了3种模式泥沙瞬时起动流速公式.假定3种模式的暴露角均符合正态分布,将3种分布模式对应的起动流速影响函数加权平均,得到基于3种分布状态的泥沙综合起动流速公式.经实测资料验证,本文起动流速公式与不同泥沙粒径起动流速实测数据符合良好.     

底泥-上覆水界面污染物释放机制的数值模拟

当外源污染受到控制后, 河流与湖泊底泥中的污染物可能会引起上覆水的再次污染. 在上覆水流动不致底泥起动悬浮的条件下, 数值模拟了底泥中污染物在底泥-上覆水界面向上覆水释放的机制. 采用k-ε模型计算了上覆水的湍流流动, 并采用 Darcy 定律描述了多孔介质中的渗流, 这里底泥被看成是各向同性均匀多孔介质; 耦合计算了上覆水和底泥中孔隙水的定常流动, 并基于流场计算结果, 数值计算了非定常溶质迁移扩散过程; 数值研究了平整底泥-上覆水界面以及底泥-上覆水界面为周期性三角状时, 污染物由底泥向上覆水释放的规律. 研究结果表明, 底泥中孔隙水与上覆水的交换是决定底泥中污染物向上覆水释放量的重要因素.     

冲积床面上明渠水流湍流特性及其与底层泥沙起动关系的试验研究

利用声学Doppler测速仪测量了明渠水流在不同水深、流速、泥沙粒径情况下的瞬时流速分布和泥沙起动流速,研究了可动粗糙床面明渠水流的湍流特性.利用实测断面流速分布,采用非线性回归拟合出对数律流速分布的各参数,进而参照Эегжда的实验曲线研究了冲积床面上明渠的阻力分布规律,计算出各断面的相对脉动强度、Reynolds应力、湍流动能,并对各种不同情况下的明渠湍流分布规律进行了比较,描述了各粒径泥沙在不同水深情况下的起动流速以及泥沙起动时明渠底层各湍流特征的变化情况,研究探讨了冲积床面上明渠湍流各特征量的变化分布规律以及泥沙起动与水流湍流特性的内在关系.     

文思湖底泥污染物覆土缓释可行性研究

通过实验室模拟研究了覆土法对三峡大学文思湖底泥中污染物缓释的可行性.通过监测上覆水体中总氮、总磷和有机质浓度水平监控底泥中污染物释放过程,发现底泥覆土之后上覆水体中总氮、总磷和有机质浓度水平均显著降低,与覆土材料自身向上覆水体释放的氮源、磷源和有机质浓度水平相当.结果表明,覆土可以明显抑制底泥中污染物向上覆水体的释放,因此通过覆土以抑制底泥污染物释放可行.     

沉积物再悬浮氮磷释放的机制与影响因素

在对沉积物再悬浮的诱因和方式进行分析的基础上,系统探讨了沉积物氮磷释放进入水体的机制与影响因素,提出了沉积物再悬浮引起的氮磷释放研究中应重点关注的问题。主要结论包括:沉积物主要因波浪与水流、人类活动及生物扰动等诱因而发生再悬浮;沉积物-水界面上氮磷不同形态之间的转化及迁移为沉积物氮磷的释放机制;上覆水体理化性质(如pH、盐度、温度、溶解氧与氧化还原电位)、沉积物性质(如粒径、氮磷赋存形态)、扰动时间与强度是沉积物再悬浮氮磷释放的关键影响因素。进一步研究应着重从沉积物再悬浮过程中氮磷释放的动力学过程、再悬浮沉积物氮磷释放的生物影响程度等方面深入开展。     

杭州湾冬季表层水体悬浮泥沙质量浓度的逐时变异

通过杭州湾3个代表性站位的日内连续观测数据,对其冬季表层水体悬浮泥沙质量浓度的逐时变异进行研究,分析不同的潮时、潮型以及风速等因素对悬浮泥沙的质量浓度变化的影响.结果表明:风速较小且稳定时,不同涨落潮时引起的流速变化是杭州湾悬浮泥沙质量浓度变化的主要原因;在风力较大且不稳定时,风力作用引起的泥沙再悬浮可能会导致悬浮泥沙质量浓度变化异常.     

泥沙起动流速研究现状分析

该文通过回顾泥沙起动的随机性、运动判别标准、以及泥沙颗粒在河床面的受力分析研究,简要综述了粗颗粒散体泥沙、均匀沙散粒体及细颗粒粘性泥沙、非均匀沙、砾石和卵石以及斜坡上泥沙起动流速的一些主流研究成果,并将最近的一些研究成果与经典研究进行对比。虽然泥沙起动流速研究由国外学者奠基,但在后续的理论体系完善中我国学者也进行了较为深入的研究工作并得到许多实用的经验和半经验公式。粗颗粒散体泥沙的起动流速、均匀沙散粒体及细颗粒粘性泥沙的起动流速研究较为透彻,非均匀沙和砾石和卵石的起动机理,以及斜坡上的泥沙起动流速仍有很大发展空间,对于规律性较为不明显的起动流速研究将会成为今后研究的热点方向。     

水动力作用下泥沙对磷的吸附特征

为了研究水动力作用下泥沙对磷的吸附规律,在加长型环形水槽中进行不同流速、初始磷质量浓度及含沙量条件下泥沙对磷的吸附以及磷在水深方向的分布规律试验。结果表明,加长型环形水槽内试验段流速的垂向分布满足对数规律。溶解性活性磷酸盐质量浓度在水深方向非均匀分布,中部水深处磷质量浓度达到最大值。流速影响下的吸附规律取决于水相磷质量浓度:磷质量浓度较低时,流速越大对应的单位泥沙吸附量越小;磷质量浓度较高时,流速越大对应的吸附量就越大。泥沙质量浓度越小,初始磷质量浓度越大,单位质量泥沙对磷的吸附量越大。一阶、二阶动力学方程能够更好地表征淮河泥沙的吸附行为。伴随着泥沙沉降,水体磷质量浓度先增大、后降低,且在沉降0.25 h达到最大值。     

基于相对暴露度的无黏性均匀泥沙起动流速公式

基于白玉川提出的床面均匀无黏性泥沙双向相对暴露度、拖曳力系数、上举力系数与纵向相对暴露度之间的关系分析发现,当颗粒雷诺数较大时(大于15 700),拖曳力系数、上举力系数仅受相对暴露度影响,且幅值变化较小.CD取值在1~1.22,平均值为1.11;CL取值在0.72~0.99,均值0.86.将拖曳力系数和上举力系数引用到泥沙起动流速公式的研究中,推导出基于相对暴露度的散粒体泥沙起动底部作用流速公式及垂线平均流速公式,通过与现有的天然河道、室内水槽试验得到的泥沙起动流速资料及现有的泥沙起动流速公式比较可知,本文公式与实测资料符合良好,较现有的泥沙起动公式计算精度更高.     

厦门同安湾需氧有机物的去除和释放通量估算

以COD为有机污染物指标 ,在不考虑水动力因素的条件下 ,根据实验室模拟实验的结果和相关的研究结果 ,估算了同安湾海域水体的生化净化作用、悬浮颗粒物沉积作用的去除通量和底质沉积物的再释放通量 .研究结果表明 :同安湾海域生化净化作用对有机污染物的去除通量为 10 42 9t·y-1,悬浮颗粒物沉积作用的去除通量为 4137t·y-1,而底质沉积物COD的最大可能释放通量为 3317t·y-1,说明该海域生化净化作用对有机物的去除占主导地位 ,而底质沉积物COD的释放量与悬浮颗粒物沉积作用的COD去除量大致相等 .因而在考虑同安湾污染物的总允许排放量时 ,可以只考虑水体COD的生化降解作用 ,而忽略悬浮颗粒物沉积的去除作用和底质沉积物释放的二次污染作用     

典型潮汐水道悬沙浓度的潮控机理模拟分析

根据南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室2012年在南黄海辐射沙脊群西洋水道所获的全潮水文观测数据,分析了流速、悬沙浓度以及近底部切应力的时间变化序列.应用均衡态条件建立了悬沙浓度特征值模型,探讨了各个相关参数变化对悬沙浓度均衡态的影响.结果表明:(1)本研究区潮周期内的大部分时间近底部切应力大于沉积物临界起动切应力,再悬浮作用活跃;(2)给定初始悬沙浓度、沉降速率等参数,经过若干潮周期后悬沙浓度会达到均衡态,此时大小潮周期内侵蚀通量和沉降通量的总量相等,此后各个潮周期内悬沙浓度时间序列随潮相发生变化,但在相同潮相的情况下悬沙浓度显现出相同的时空分布;(3)若改变悬沙沉降速率大小而固定其余参数不变,则沉降速率越大,达到均衡态时的悬沙浓度特征值越低;(4)若改变再悬浮系数大小而固定其余参数不变,则再悬浮系数越大,达到均衡态时悬沙浓度特征值越高.因此,潮汐环境中的悬沙浓度特征值不仅受控于潮流的强弱,同时也受控于表层沉积物本身的性质(粒度和粘性,它们决定了沉降速率与再悬浮系数的大小).     

波浪作用对珠江崖门口出海航道冲淤变化的影响

较为详细地介绍了基于能量平衡方程的第三代近岸波浪数值预报模式SWAN，阐述了笛卡儿坐标系下方程模型及方程右端源汇项的处理方法.在设计台风浪SE向40m／s风场下，数值预报了崖门口出海航道水域的有效波高分布和波浪水质点底部轨迹运动速度分布.通过对由泥沙起动底流速公式得到的出海航道水域泥沙起动底流速与近底水质点轨迹运动速度的均方根值的比较分析，表明在台风浪风场作用下，航道附近水域底部泥沙将被掀扬至水体，经潮流输送造成航道淤积或冲刷.分析比较了各家泥沙起动公式，提出各家泥沙起动公式分别对粗、细沙的适用范围.