紊流作用下泥沙釋放磷的試驗(yàn)及數(shù)值模擬

夏 波,張慶河,聶小保 ,黃筱云,陳淑秀 (.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 404；.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 30007)

紊流作用下泥沙釋放磷的試驗(yàn)及數(shù)值模擬

夏 波1,2*,張慶河2,聶小保1,黃筱云1,陳淑秀1(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072)

為研究水體紊動(dòng)對(duì)泥沙釋放污染物的影響,引入近似均勻紊流模擬裝置,開(kāi)展不同強(qiáng)度紊動(dòng)作用下泥沙運(yùn)動(dòng)釋放磷動(dòng)態(tài)過(guò)程及基本規(guī)律的試驗(yàn),研究表明:紊動(dòng)擴(kuò)散作用對(duì)泥沙解吸釋放磷有著十分重要的影響,紊動(dòng)較弱時(shí),泥沙尚未起動(dòng),床面泥沙顆粒吸附的磷元素解吸至孔隙水中,在垂向紊動(dòng)擴(kuò)散作用下輸送至上覆水中,將使得上覆水中溶解態(tài)磷濃度增大;紊動(dòng)作用較強(qiáng)時(shí),泥沙逐漸懸揚(yáng)至水體中,懸浮泥沙顆粒吸附的磷元素直接解吸至上覆水中,泥沙濃度越高,溶解態(tài)磷含量增長(zhǎng)速率越大,達(dá)到平衡的時(shí)間越短.通過(guò)耦合紊流模型、水流泥沙數(shù)學(xué)模型、污染物對(duì)流擴(kuò)散模型和Langmuir吸附動(dòng)力學(xué)方程建立了紊動(dòng)作用下泥沙釋放磷的垂向一維數(shù)學(xué)模型,針對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,平均相對(duì)誤差低于10%,可為模擬天然水體中泥沙懸浮釋放磷的時(shí)空演化提供參考.

近似均勻紊流；泥沙；磷釋放；解吸作用；數(shù)值模擬

水體中的磷元素是富營(yíng)養(yǎng)化最重要的限制因子,且與泥沙有著很強(qiáng)的親和性[1],在不同的水動(dòng)力條件下,泥沙將不同程度地向水體釋放磷元素,其釋放量和釋放規(guī)律均與水流泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān),因此,開(kāi)展不同水動(dòng)力條件下泥沙解吸釋放磷基本規(guī)律的研究十分必要.

自20世紀(jì)80年代以來(lái),研究者在恒溫振蕩器中開(kāi)展了相應(yīng)的試驗(yàn),分析了溫度、pH值和DO等環(huán)境因素對(duì)泥沙吸附解吸特征的影響,但由于反應(yīng)容器較小,試驗(yàn)過(guò)程中污染物和泥沙顆粒在極小的空間內(nèi)能充分接觸和碰撞,試驗(yàn)結(jié)果對(duì)平衡狀態(tài)有著較好地描述,卻難以反映自然水體中不同水動(dòng)力條件下泥沙解吸釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程.

為了研究不同水動(dòng)力條件對(duì)泥沙釋放磷的影響,李劍超等[2]、孫小靜等[3]、高永霞等[4]、惠二青等[5]在有機(jī)玻璃圓筒中通過(guò)攪拌水流進(jìn)行了泥沙解吸釋放磷的試驗(yàn);彭進(jìn)平等[6-7]、李一平等[8]在室內(nèi)環(huán)形水槽內(nèi)模擬了不同流速作用下下泥沙運(yùn)動(dòng)及其釋放磷的基本規(guī)律;朱廣偉等[9]、羅瀲蔥等[10]、孫小靜等[11]、丁艷青等[12]在波浪水槽研究了波浪擾動(dòng)對(duì)沉積物懸浮和磷釋放的作用.上述研究加深了對(duì)不同水動(dòng)力條件下泥沙解吸磷動(dòng)態(tài)過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí).

水體紊動(dòng)是衡量水體擾動(dòng)強(qiáng)度和水流條件的重要指標(biāo),尤其對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、懸浮泥沙濃度、泥沙粒徑組成有著重要影響,從而對(duì)泥沙解吸釋放污染物影響重大,因此,開(kāi)展紊動(dòng)作用下泥沙解吸釋放磷的基本規(guī)律研究對(duì)于準(zhǔn)確合理的估算底泥磷釋放的釋放量、釋放速率和動(dòng)態(tài)過(guò)程有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,但這方面的研究仍然較少.

因此,本研究引入一種近似均勻紊流模擬裝置,較精確地控制水體的紊動(dòng)強(qiáng)度、泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及懸浮泥沙濃度,在此基礎(chǔ)上研究不同強(qiáng)度紊流作用下泥沙解吸釋放磷的基本特性,并建立能描述水體紊動(dòng)、泥沙運(yùn)動(dòng)及磷釋放動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,針對(duì)本研究中的試驗(yàn)進(jìn)行模擬和計(jì)算,模型為進(jìn)一步準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天然水體中泥沙釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供參考.

1 材料與方法

1.1 紊流作用下泥沙釋放磷的試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)裝置 用于模擬近似均勻紊流的裝置如圖 1所示,由有機(jī)玻璃圓筒、格柵、電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成,有機(jī)玻璃圓筒直徑 30cm、高100cm,電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)頻率為 0～10Hz,振幅為0～10cm,均連續(xù)可調(diào),格柵與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相連在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿垂向作往復(fù)運(yùn)動(dòng),格柵網(wǎng)格尺寸M為7.5cm,格柵厚度和柵條寬度均為 1cm,振動(dòng)中心距床面5cm.格柵開(kāi)口處形成射流,格柵條上下方形成尾流,射流與尾流相互作用生成近似各向同性的紊流[13],其紊動(dòng)強(qiáng)度與格柵尺寸、振動(dòng)頻率、振幅相關(guān)性較好,因此,紊動(dòng)強(qiáng)度易于控制和重復(fù),被廣泛應(yīng)用于紊流結(jié)構(gòu)、泥沙運(yùn)動(dòng)及相關(guān)問(wèn)題的研究[14],并提出了部分關(guān)系式和模型可用于定量描述裝置內(nèi)的水流泥沙運(yùn)動(dòng).

圖1 近似均勻紊流模擬裝置Fig.1 Turbulence simulation device

1.1.2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)?zāi)嗌橙∽院鲜|洞庭湖漉湖口(112°48′13″E,29°10′29″E),取樣深度為沉積物表層 10cm,中值粒徑約為 0.015mm,總磷含量為 1.28mg/g,樣品在現(xiàn)場(chǎng)用聚乙烯口袋密封冷藏帶回,部分樣品除去殘?jiān)匀伙L(fēng)干后置于玻璃容器中密封保存.

試驗(yàn)前在有機(jī)玻璃圓筒底部鋪設(shè)厚度為10cm 的底泥樣品,極緩慢注入 60cm 深的純水,純水符合分析實(shí)驗(yàn)室用水國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定的一級(jí)水標(biāo)準(zhǔn),電解質(zhì)含量極低.

為了較好地量化紊動(dòng)對(duì)泥沙釋放磷的影響,先進(jìn)行紊動(dòng)的控制試驗(yàn),逐級(jí)改變格柵的振動(dòng)參數(shù)并維持恒定1h,通過(guò)聲學(xué)多譜勒點(diǎn)式流速儀測(cè)量不同位置的脈動(dòng)速度,計(jì)算出相應(yīng)的紊動(dòng)強(qiáng)度.然后進(jìn)行泥沙運(yùn)動(dòng)的控制試驗(yàn),固定格柵的振動(dòng)沖程 S,通過(guò)改變格柵的振動(dòng)頻率 f,模擬不同強(qiáng)度的水體紊動(dòng),觀測(cè)泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并測(cè)量裝置內(nèi)不同垂向位置的懸浮泥沙濃度.

在開(kāi)展磷釋放試驗(yàn)前先靜置 24h,測(cè)量上覆水溶解磷濃度作為初始濃度,試驗(yàn)溫度約 16℃,試驗(yàn)時(shí),根據(jù)研究需要調(diào)整格柵的振動(dòng)頻率以模擬不同強(qiáng)度的紊動(dòng)條件及過(guò)程,每隔一定的時(shí)間從筒側(cè)的取樣管采集水樣 100mL,分別測(cè)量水體中的泥沙濃度和溶解態(tài)磷濃度,每樣本測(cè)量3次,取平均值作為結(jié)果,至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總計(jì)取樣約3L,玻璃筒中水位下降約4.5cm.

1.2 紊流作用下泥沙釋放磷的數(shù)值模擬

在研究泥沙運(yùn)動(dòng)及其吸附解吸特性等復(fù)雜因素時(shí),往往需要確定主要影響因素,而忽略某些次要因素,為了簡(jiǎn)化并提高計(jì)算效率,本研究建立了垂向一維點(diǎn)模型(簡(jiǎn)稱 1DV 模型)用來(lái)描述紊流作用下泥沙垂向運(yùn)動(dòng)及其釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程,模型由水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、泥沙輸送數(shù)學(xué)模型、污染物輸送數(shù)學(xué)模型共同組成,為了合理描述紊動(dòng)作用的影響,將 k-ε模型引入水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中,泥沙及污染物輸送數(shù)學(xué)模型中采用的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)均由k-ε模型計(jì)算所得.

1.2.1 水流運(yùn)動(dòng)方程 忽略垂向流速的影響,水流運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:u為水平向時(shí)均流速; t為時(shí)間; ρ為水體密度; p為壓力; x為水平方向;z為垂直方向;ν為分子黏滯系數(shù);νt為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù),由紊動(dòng)動(dòng)能 k和耗散率 ε確定,考慮泥沙濃度 S影響的k-ε方程[16]為:

式中:ρs為泥沙密度;ρw為水體密度;g為重力加速度;各系數(shù)分別為:Cμ取0.09,σk、Cε1和Cε3取1.0,σc取 0.7,σε取 1.3,Cε2取 1.92;其他物理指標(biāo)同式(1).

1.2.2 懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)方程 懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)方程基于對(duì)流擴(kuò)散方程,忽略對(duì)流項(xiàng)的垂向一維泥沙運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:S為懸浮泥沙濃度;ws為懸浮泥沙的有效沉速;其他物理指標(biāo)和參數(shù)同前.

1.2.3 考慮泥沙影響的污染物運(yùn)動(dòng)方程 吸附態(tài)磷的遷移轉(zhuǎn)化方程為:

考慮泥沙影響的溶解態(tài)磷的輸送方程為:

式中:N 為單位質(zhì)量泥沙對(duì)磷的吸附量,mg/g; C為水中溶解態(tài)磷的濃度,mg/L;k1, k2, b為L(zhǎng)angmuir吸附動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)參數(shù),通過(guò)試驗(yàn)獲得;其他物理指標(biāo)和參數(shù)同前.

1.2.4 求解方法 引入相應(yīng)的邊界條件和初始條件,采用有限差分法對(duì)上述方程進(jìn)行數(shù)值求解,由于懸浮泥沙濃度與紊動(dòng)參數(shù)之間、溶解態(tài)磷含量與吸附態(tài)磷含量之間均相互影響和制約,因此,在每一個(gè)時(shí)間步均需進(jìn)行迭代計(jì)算,當(dāng)兩次迭代結(jié)果最大絕對(duì)誤差小于 10-5時(shí)方可進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算.計(jì)算過(guò)程中,先通過(guò)水流運(yùn)動(dòng)方程和懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)方程求得懸浮泥沙濃度,代入污染物運(yùn)動(dòng)方程中求得溶解態(tài)磷和吸附態(tài)磷的時(shí)空分布.

1.2.5 模擬方案與設(shè)置 采用本節(jié)建立的數(shù)值模型,針對(duì)試驗(yàn)條件下(Run01～Run04)泥沙起動(dòng)后釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,本研究試驗(yàn)裝置所生成的近似均勻紊流的時(shí)均流速為 0,因此,水流運(yùn)動(dòng)方程的求解簡(jiǎn)化為直接求解紊流模型,水面邊界條件均設(shè)置為法向通量為0,計(jì)算紊動(dòng)參數(shù)時(shí),床面邊界條件取為 k0和 ε0,均采用文獻(xiàn)[17]提出的方法進(jìn)行計(jì)算,泥沙床面邊界條件取實(shí)測(cè)值S0,吸附解吸動(dòng)力學(xué)參數(shù)k1、k2、b通過(guò)恒溫振蕩器試驗(yàn)獲得,其試驗(yàn)方法與禹雪中[18]、陳明洪[19]等采用的方法一致,通過(guò)試驗(yàn)擬合,k1、k2、b分別取為0.4153mg-1h-1L、0.3551h-1、1.35mg/g.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體紊動(dòng)及泥沙運(yùn)動(dòng)的控制試驗(yàn)

圖2所示為不同振動(dòng)頻率和不同振動(dòng)沖程情況下紊動(dòng)強(qiáng)度隨水深的變化,散點(diǎn)為測(cè)量值,曲線為采用文獻(xiàn)[20]的經(jīng)驗(yàn)公式的擬合值,公式如下:

式中: K為紊動(dòng)強(qiáng)度; f為振動(dòng)頻率; M為網(wǎng)格尺寸; S為振動(dòng)沖程; z為距振動(dòng)中心的距離; α為擬合系數(shù).

試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比表明,紊動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)頻率f和振動(dòng)沖程S有著較好的相關(guān)關(guān)系,可通過(guò)調(diào)節(jié)f和S實(shí)現(xiàn)對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的控制,為了便于控制,本研究中所有試驗(yàn)振動(dòng)沖程均設(shè)置為4cm,通過(guò)改變振動(dòng)頻率控制紊動(dòng)強(qiáng)度.

紊動(dòng)強(qiáng)度不同時(shí),泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同,紊動(dòng)較弱時(shí),泥沙尚未起動(dòng),當(dāng)生成的近似均勻紊流的均方根流速超過(guò)泥沙起動(dòng)的臨界流速,床面泥沙將懸浮至上覆水中[21-22],懸浮泥沙濃度增大.對(duì)于本試驗(yàn)采用的泥沙樣本,當(dāng)振動(dòng)頻率超過(guò)2.4Hz時(shí),泥沙將改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)懸揚(yáng)至水體之中.從 3.0Hz開(kāi)始以 1.0Hz為步長(zhǎng)逐級(jí)調(diào)整格柵的振動(dòng)頻率,每級(jí)頻率保持 1h,測(cè)量不同位置的泥沙濃度,試驗(yàn)采用相同的設(shè)置重復(fù) 3次(試驗(yàn)編號(hào)分別為Sed01～Sed03),從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,三組試驗(yàn)現(xiàn)象相同且泥沙濃度接近,懸浮泥沙濃度與格柵振動(dòng)頻率存在較好的相關(guān)關(guān)系(圖3),試驗(yàn)具有較好的重復(fù)性,充分表明可通過(guò)調(diào)整格柵振動(dòng)頻率控制水體紊動(dòng)強(qiáng)度和水中懸浮泥沙濃度,且紊動(dòng)強(qiáng)度和懸浮泥沙濃度可以有效量化,可為進(jìn)一步建立泥沙運(yùn)動(dòng)釋放污染物數(shù)學(xué)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

圖2 紊動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果Fig.2 Measured and computed turbulence intensity

圖3 上覆水懸浮泥沙濃度與紊動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship of the suspended sediment concentration and turbulence intensity

2.2 泥沙釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果

為了研究不同強(qiáng)度紊動(dòng)作用下泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)其解吸釋放磷的影響,本研究設(shè)置了4組試驗(yàn),方案如表1所示,分別研究不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、不同泥沙含量情況下泥沙解吸釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程和基本規(guī)律.

4組試驗(yàn)紊動(dòng)強(qiáng)度由弱漸強(qiáng),均包含了泥沙起動(dòng)前和起動(dòng)后兩個(gè)過(guò)程,試驗(yàn)的前120min維持較小的恒定振動(dòng)頻率,然后迅速改變頻率到目標(biāo)頻率并保持恒定以獲得相應(yīng)的懸浮泥沙濃度,振動(dòng)頻率及懸浮泥沙濃度目標(biāo)值如表 1所示,不同紊動(dòng)條件下泥沙釋放磷的試驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示,由于懸浮泥沙濃度及上覆水溶解態(tài)磷濃度在垂向上均勻分布,因此本文只給出了距床面1cm處懸浮泥沙濃度及溶解態(tài)磷濃度的歷時(shí)變化.

表1 泥沙釋放磷試驗(yàn)的試驗(yàn)方案及特征值Table 1 Experiment plan and character data for phosphorus release

圖4 紊流條件下泥沙釋放磷的試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results for phosphorus release from sediment under the action of turbulence

試驗(yàn)初期的 120min內(nèi),紊動(dòng)強(qiáng)度較小,床面泥沙尚未起動(dòng),上覆水懸浮泥沙濃度幾乎為 0,但溶解態(tài)磷的濃度卻有明顯的增加,且存在快速釋放階段,然后釋放速率減緩并逐漸趨向平衡.

隨著水體紊動(dòng)作用增強(qiáng),泥沙起動(dòng)并逐漸懸浮至上覆水中,水中懸浮泥沙濃度增大,吸附在懸浮泥沙顆粒上的磷元素解吸釋放至上覆水中,增加了上覆水中溶解態(tài)磷的濃度,泥沙濃度越高,解吸釋放出的磷元素總量越多,上覆水中溶解態(tài)磷的濃度增長(zhǎng)越快,達(dá)到平衡的時(shí)間越短,平衡濃度越高.當(dāng)水體紊動(dòng)作用減弱時(shí),部分泥沙顆粒開(kāi)始沉降,上覆水懸浮泥沙濃度降低,溶解態(tài)磷元素濃度保持相對(duì)穩(wěn)定,未見(jiàn)明顯變化.

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象的數(shù)值模擬結(jié)果

由圖5可知,本文建立的數(shù)學(xué)模型可較好地模擬泥沙懸浮釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程,能反映上覆水中溶解態(tài)磷濃度隨懸浮泥沙含量變化而變化的過(guò)程,與試驗(yàn)現(xiàn)象相同,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后數(shù)值模擬結(jié)果也將達(dá)到平衡.從計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比來(lái)看,兩者存在一定的偏差,但總體吻合較好,充分說(shuō)明,采用Langmuir吸附動(dòng)力學(xué)方程及基于恒溫振蕩器試驗(yàn)所獲得的吸附特性參數(shù)(k1,k2,b),能較好地描述不同紊動(dòng)強(qiáng)度作用下泥沙釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程,可應(yīng)用于模擬天然水體中泥沙懸浮釋放磷的時(shí)空演化.

圖5 溶解態(tài)磷數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比Fig.5 Measured and computed results for dissolved phosphorus concentration

3 討論

3.1 泥沙起動(dòng)前紊動(dòng)作用對(duì)磷釋放的影響機(jī)制

泥沙起動(dòng)之前上覆水中溶解態(tài)磷的濃度有明顯的增長(zhǎng),主要包括如下幾方面的原因:

(1)弱紊動(dòng)作用使得床面少部分極細(xì)顆粒泥沙懸浮至上覆水中解吸釋放溶解態(tài)磷,但數(shù)量極少,只會(huì)引起上覆水溶解態(tài)磷元素很小的增長(zhǎng).

(2)水體紊動(dòng)促使孔隙水中溶解態(tài)磷元素輸送到上覆水中,加快了兩者之間的物質(zhì)交換,但由于體積較小,孔隙水中磷元素的直接釋放引起上覆水溶解態(tài)磷濃度的增加也只占較小的比重.

(3)孔隙水中溶解態(tài)磷的濃度減小使得泥沙顆粒與孔隙水中磷元素分布的平衡狀態(tài)被打破,因此,底泥顆粒吸附的磷元素將解吸至孔隙水中,然后在紊動(dòng)擴(kuò)散作用下輸送到上覆水中,直至達(dá)到新的平衡,這是泥沙起動(dòng)前上覆水溶解態(tài)磷濃度增長(zhǎng)的主要因素.

從上覆水中溶解態(tài)磷含量的增長(zhǎng)過(guò)程來(lái)看,泥沙起動(dòng)前底泥中磷釋放存在快速釋放和慢速釋放兩個(gè)階段,其主要原因?yàn)榈啄囝w粒所吸附的磷元素解吸至孔隙水中也存在快速解吸和慢速解吸過(guò)程,這一現(xiàn)象已被大多數(shù)試驗(yàn)所證實(shí)[17-18].

3.2 泥沙起動(dòng)后紊動(dòng)作用對(duì)磷釋放的影響

當(dāng)水體紊動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)泥沙起動(dòng)的臨界值時(shí),泥沙開(kāi)始起動(dòng),在垂向紊動(dòng)擴(kuò)散作用下懸浮至上覆水體中,上覆水懸浮泥沙濃度增大,泥沙對(duì)磷的吸附能力降低,吸附在泥沙顆粒上的磷也相應(yīng)解吸到水體中,上覆水中溶解態(tài)磷的濃度隨之增大.由圖4可知: Run01～Run03三組試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)泥沙濃度分別為 0.25,1.98,4.16kg/m3,平衡濃度分別為 0.41,0.97,1.3mg/L,達(dá)到平衡的時(shí)間分別為 6,4.5,3.5h.由此可見(jiàn)紊動(dòng)強(qiáng)度越強(qiáng),水中懸浮泥沙濃度越高,泥沙解吸釋放磷的總量越多,溶解態(tài)磷的平衡濃度越高,泥沙解吸磷達(dá)到平衡的時(shí)間越短.

圖4(g)和圖4(h)所示的Run04試驗(yàn)結(jié)果表明,水體紊動(dòng)減弱后,泥沙顆粒逐漸沉降到床面,懸浮泥沙濃度減小,水相總磷濃度保持相對(duì)穩(wěn)定,未見(jiàn)明顯變化.而據(jù)恒溫振蕩器中開(kāi)展的吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的現(xiàn)象,當(dāng)泥沙濃度降低時(shí),泥沙的吸附能力將增大,上覆水溶解態(tài)磷的濃度應(yīng)有所降低,但本文的試驗(yàn)未曾觀測(cè)到這一現(xiàn)象.其主要原因可能為,恒溫振蕩器中的試驗(yàn)為平衡態(tài)試驗(yàn),動(dòng)力條件和泥沙濃度均穩(wěn)定,振動(dòng)強(qiáng)度大且歷時(shí)較長(zhǎng),而本文的試驗(yàn)為動(dòng)態(tài)試驗(yàn),動(dòng)力條件與恒溫振蕩器試驗(yàn)不同且歷時(shí)較短,泥沙沉降時(shí)吸附的磷元素極少,因此水相濃度變化不大.

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與適用性

從數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,數(shù)學(xué)模型對(duì)于泥沙懸浮釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程有著較好的描述,Run01～Run04計(jì)算值與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差依次為3.8%、9.9%、11.7%和8.7%.其誤差來(lái)源包括如下幾個(gè)方面:(1)水體紊動(dòng)作用下,部分床面泥沙與懸浮泥沙在不斷交換,本文建立的數(shù)學(xué)模型沒(méi)有考慮這一過(guò)程;(2)懸浮泥沙濃度及其分布的模擬計(jì)算存在一定的誤差;(3)描述泥沙吸附解吸磷的吸附動(dòng)力學(xué)方程及吸附特性參數(shù)存在一定的誤差.本文在針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),懸浮泥沙濃度的計(jì)算采用實(shí)測(cè)濃度作為邊界條件,有效的減少了泥沙數(shù)值模擬的誤差,因此,主要的誤差來(lái)自吸附動(dòng)力學(xué)方程及參數(shù).

天然情況下底泥磷釋放的過(guò)程除了泥沙顆粒的吸附解吸作用外,還包含其他物理過(guò)程和生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,因此,本文建立的數(shù)學(xué)模型只能較好地描述懸浮泥沙吸附解吸磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程,對(duì)其他過(guò)程的計(jì)算仍需要引入其他的方程進(jìn)行描述,有待進(jìn)一步的研究.

4 結(jié)論

4.1 本文采用的近似均勻紊流模擬裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率較好地控制水體紊動(dòng)強(qiáng)度、泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和上覆水懸浮泥沙濃度,且可以較好的量化和模擬,因此,可利用該裝置研究不同紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響及其釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程.

4.2 泥沙起動(dòng)之前,在床面附近的垂向紊動(dòng)擴(kuò)散作用下,底泥顆粒所吸附的磷元素解吸至孔隙水然后輸送到上覆水中,是上覆水中溶解態(tài)磷濃度增長(zhǎng)的主要原因.在研究水動(dòng)力條件作用下泥沙懸浮釋放污染物的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí),應(yīng)當(dāng)合理考慮泥沙起動(dòng)前污染物的動(dòng)態(tài)釋放.

4.3 泥沙起動(dòng)以后,懸浮泥沙解吸磷是上覆水中溶解態(tài)磷濃度增長(zhǎng)的主要原因,紊動(dòng)強(qiáng)度越強(qiáng),懸浮泥沙濃度越高,泥沙解吸磷的總量越多,泥沙解吸磷達(dá)到平衡的時(shí)間越短,溶解態(tài)磷的平衡濃度越高.因此,紊動(dòng)強(qiáng)弱對(duì)泥沙懸浮釋放磷的釋放量、釋放速率和動(dòng)態(tài)過(guò)程至關(guān)重要.

4.4 本文建立的數(shù)學(xué)模型,可較好的模擬試驗(yàn)過(guò)程中泥沙懸浮釋放磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程,采用 Langmuir吸附動(dòng)力學(xué)方程及基于恒溫振蕩器試驗(yàn)所獲得的吸附特性參數(shù)(k1,k2,b)有著較好的精度,平均相對(duì)誤差在 10%以內(nèi),對(duì)于模擬天然水體中泥沙懸浮解吸磷的動(dòng)態(tài)過(guò)程有較好的參考作用.

[1]Appan A, Wang H. Sortion isotherms and kinetics of sediment phosphorus in a tropical reservoir [J]. Journal of Environ. Eng.ASCE, Vol. 126, No.11, 2000:996-998.

[2]李劍超,褚君達(dá),豐華麗.河流底泥沖刷懸浮對(duì)水質(zhì)影響途徑的試驗(yàn)研究 [J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2002,11(2):137-140.

[3]孫小靜,秦伯強(qiáng),朱廣偉,等.持續(xù)水動(dòng)力作用下湖泊底泥膠體態(tài)氮、磷的釋放 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2007,28(6):1223-1229.

[4]高永霞,孫小靜,張戰(zhàn)平.風(fēng)浪擾動(dòng)引起湖泊磷形態(tài)變化的模擬試驗(yàn)研究 [J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2007,18(5):668-673.

[5]惠二青,江春波,劉德富.動(dòng)水條件下懸浮態(tài)泥沙顆粒吸附TP規(guī)律探討 [J]. 泥沙研究, 2009,2:34-38.

[6]彭進(jìn)平,逄 勇,李一平,等.水動(dòng)力條件對(duì)湖泊水體磷素質(zhì)量濃度的影響 [J]. 生態(tài)環(huán)境, 2003,12(4):388-392.

[7]彭進(jìn)平,逄 勇,李一平,等.水動(dòng)力過(guò)程后湖泊水體磷素變化及其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn) [J]. 生態(tài)環(huán)境, 2004,13(4):503-505.

[8]李一平,逄 勇,呂 俊,等.水動(dòng)力條件下底泥中氮磷釋放通量[J]. 湖泊科學(xué), 2004,16(4):318-324.

[9]朱廣偉,秦伯強(qiáng),張 路,等.太湖底泥懸浮中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的波浪水槽試驗(yàn) [J]. 湖泊科學(xué), 2005,17(1):61-68.

[10]羅瀲蔥,秦伯強(qiáng),朱廣偉,等.動(dòng)力擾動(dòng)下太湖梅梁灣水-沉積物界面的營(yíng)養(yǎng)鹽釋放通量 [J]. 中國(guó)科學(xué) D輯 地球科學(xué), 2005,35(S2):166-172.

[11]孫小靜,朱廣偉,羅瀲蔥,等.淺水湖泊沉積物磷釋放的波浪水槽試驗(yàn)研究 [J]. 中國(guó)科學(xué)D輯 地球科學(xué), 2005,35(S2):81-89.

[12]丁艷青,朱廣偉,秦伯強(qiáng).波浪擾動(dòng)對(duì)太湖底泥磷釋放影響模擬[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 22(2):273-278.

[13]De Silva I P D, Fernando H J S, 1992. Some aspects of mixing in a stratified turbulent patch [J]. Journal of Fluid Mechanics, 240,601-625.

[14]Yan J, Cheng N S, Tang H W, et al. Oscillating-grid turbulence and its applications: a review [J]. Journal of Hydraulic Research,2007,45(1):26-32.

[15]GB/T 6682-2008 分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法 [S].

[16]Winterwerp J C. On the flocculation and settling velocity of estuarine mud [J]. Cont. Shelf Res., 2002,22:1339-1360.

[17]Matsunaga N, Sugihara Y, Komatsu T, et al. Quantitative properties of oscillating-grid turbulence in a homogeneous fluid[J]. Fluid Dynamics Research, 1999,25:147-165.

[18]禹雪中.三峽庫(kù)區(qū)泥沙對(duì)水體磷影響的模擬研究 [D]. 北京:北京師范大學(xué), 2008.

[19]陳明洪.泥沙顆粒吸附磷的規(guī)律及微觀形貌變化的研究 [D].北京:清華大學(xué), 2009.

[20]Hopfinger E J, Toly J A. Spatially decaying turbulence and its relation to mixing across density interfaces [J]. Journal of Fluid Mechanics, 1976,78(1):155-175.

[21]Medina P, Sánchez M A, Redondo J M. Grid stirred turbulence:applications to the initiation of sediment motion and lift-off studies [J]. Phys. Chem. Earth, 2000,26(4):299-304.

[22]Medina P. Start of sediment motion and resuspension in turbulent flows: application of zero-mean flow grid stirred turbulence on sediment studies [D]. Univ. of Politécnica de Catalunya, Spain,July, 2002.

Experimental and numerical investigation of the effects of turbulence on phosphorus release from sediment.

XIA Bo1,2*,ZHANG Qing-he2, NIE Xiao-bao1, HUANG Xiao-yun1, CHEN Shu-xiu1(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China；2.School of Civil Engineering, Tianjin University,Tianjin 300072, China). China Environmental Science, 2014,34(1)：97～104

Nearly isotropic homogeneous turbulence in a water column was generated by an oscillating grid turbulence device. Effects of flow turbulence on phosphorus release from sediments were investigated. Results show that the turbulent diffusion was an important factor in phosphorus release from sediments. Under the low turbulent shear stress,sediments remained at the bottom of water body, and the phosphorus absorption onto bottom sediments released into the pore water. The phosphorus in pore water would be mixed into upper water due to the vertical turbulent diffusion to increase the concentration of phosphorus in the upper water column. While the higher turbulence intensity led to sediment suspension, the phosphorus adsorbed onto suspended sediments would be released into upper water directly through the desorption process. The dissolved phosphorus concentration increased and the equilibrium time decreased with increasing suspension-sediment concentration. Coupling the turbulence model, hydrodynamic and sediment transport model,convection-diffusion model and the Langmuir adsorption kinetics model, a one dimensional vertical numerical model was established to simulate dynamic processes of sediment transport and phosphorus release in the turbulent flow. The numerical results and the experimental data show an agreement and an average relative error of less than 10%. The model can be used to simulate phosphorus release processes in real environments.

nearly homogeneous turbulence；sediment；phosphorus release；desorption；numerical simulation

X143

A

1000-6923(2014)01-0097-08

2013-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51109018,51309036);湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2009TP4030-2);湖南省教育廳資助項(xiàng)目(10C0392)

* 責(zé)任作者, 講師, steded@126.com

夏 波(1981-),男,湖南湘潭人,講師,博士,主要從事水流泥沙運(yùn)動(dòng)及其環(huán)境效應(yīng)研究.發(fā)表論文8篇.