水動力條件對水體自凈作用的影響

朱紅偉 陳江海 王勇

摘要：通過水槽實驗和理論分析，研究了水動力條件對水體自凈作用的影響，發(fā)現(xiàn)水流流速是影響水體自凈作用的主要因素之一，不同斷面及水深條件下水體自凈作用的差別不是特別明顯。分別采用生化需氧量-溶解氧耦合模型和化學(xué)一級反應(yīng)擬合并預(yù)測了水質(zhì)隨時間的變化關(guān)系。水流流速的增加在一定程度上提高了水體復(fù)氧能力，增強了水體的自凈作用。當(dāng)流速超過一個臨界值使得底泥再懸浮發(fā)生時，水體自凈作用在短時間內(nèi)急劇降低。在引水工程中，合理控制和設(shè)計水力參數(shù)（流速流量、取水周期及間隔、增加消能水工建筑物）是控制水體水質(zhì)的有效措施。

關(guān)鍵詞：水動力;自凈作用;流速;底泥再懸浮;引水工程

中圖分類號：TV131.2，X522文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：朱紅偉

The effect of hydrodynamic conditions on the self-purification of water body

ZHU Hongwei.1，CHEN Jianghai.1，WANG Yong.2

（1.Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd，

Shanghai 200434，China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Abstract：The effect of hydrodynamic conditions on the self-purification of water body was studied through the water flume experiments and theoretical analysis.It was found that flow velocity was one of the main factors affecting the self-purification of water body，while different section and water depth conditions did not make much difference on the self-purification of water body.We adopted the biochemical oxygen demand-dissolved oxygen coupling model and chemical first-order reaction to predict the variation of water quality with time.To some extent，the increase of water flow velocity improved the reaeration ability of water body and enhanced the self-purification effect of water body.However，when the flow velocity exceeded a certain value causing sediment resuspension，the self-purification effect of the water body decreased sharply in a short time.In a water diversion project，reasonable control and design of hydraulic parameters such as flow velocity and discharge，water intake period and interval，and increase of energy dissipation hydraulic structures are effective measures to control water quality.

Key words：hydrodynamic;self-purification;flow velocity;sediment resuspension;water diversion project

自然水體能夠在其環(huán)境容量的范圍內(nèi)，經(jīng)過物理、化學(xué)和生物的作用，使排入的污染物濃度隨時間的推移靠自然凈化作用逐漸降低[1-3]。水體自凈過程非常復(fù)雜，影響自凈能力的因素很多且相互關(guān)聯(lián)，其中水中溶解氧含量和復(fù)氧速度與自凈作用密切相關(guān)[4-6]。水體的自凈過程也就是復(fù)氧過程，如果耗氧超過溶氧，水質(zhì)將會由好變壞[7-10]。水中溶解氧含量的恢復(fù)容易受到水動力條件的影響，如水面形態(tài)，流量、流速和含沙量等[11-13]。水流的流動加快了污染物與水體的混合稀釋過程，縮短了水體的滯留時間，增加了溶解氧的含量。基于水動力原理的引水工程被廣泛地應(yīng)用于水體污染治理工程中，以期在短期內(nèi)快速改善水環(huán)境水質(zhì)，提高水體自凈能力[14-18]。然而，過快的流速會產(chǎn)生底泥沉積物的懸浮和沉降，還會加速底泥污染物的釋放，進(jìn)而增加水體中的耗氧物質(zhì)[19-23]。針對引水實施的流動控制條件對受納水體自凈作用的影響還未引起足夠的重視，更缺少水動力條件對水體自凈能力影響的分析和研究。

本文擬采用室內(nèi)實驗和水質(zhì)模型計算相結(jié)合的方法，以嚴(yán)重污染水域的底泥作為研究對象，研究水動力條件對水體自凈作用的影響。目前，針對水體自凈能力分析和預(yù)測的水質(zhì)模型均以Streeter和Phelps建立的生化需氧量（BOD）和溶解氧（DO）耦合模型（S-P模型）為基礎(chǔ)[20]。BOD影響因素較多且難以實驗定量研究，因此本文以化學(xué)需氧量（COD）來反映水體中污染物進(jìn)行生化分解時所需要的耗氧量[24]。通過對比分析不同水動力條件下水體的耗氧系數(shù)、復(fù)氧系數(shù)以及自凈系數(shù)，為利用模型預(yù)測水質(zhì)、分析水環(huán)境容量和區(qū)域水環(huán)境規(guī)劃提供必要理論依據(jù)。這對于為引水工程的前期調(diào)研和方案設(shè)計，以及最終的實施過程都具有重大的指導(dǎo)意義。

1材料和方法

1.1實驗裝置

本實驗選取的采樣點位于上海市淀山湖底泥污染較嚴(yán)重區(qū)域。采用抓斗式采樣器采取表層0.2 m的底泥沉積物。底泥取出后立即用橡膠塞密閉，8 h內(nèi)將樣品帶回實驗室封存?zhèn)溆谩Ｋ畡恿嶒炇窃谏虾Ｊ袘?yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所循環(huán)玻璃水槽中進(jìn)行的[23]。水槽主體段長6 m，寬0.25 m，高0.45 m。實驗時通過變頻水泵將回水箱中的水抽取進(jìn)入玻璃水槽中。入口處有四道整流格柵，水由尾門排出，經(jīng)回水管流回水箱，通過調(diào)節(jié)水泵流量和尾門開度，水槽中水位控制在0.1～0.2 m，流速控制在0.05～0.15 m/s，能夠滿足循環(huán)水流的穩(wěn)定運行和對溫度等的限制要求。循環(huán)水槽實驗裝置見圖1。

開啟實驗前，將現(xiàn)場采集的底泥均勻的鋪在玻璃水槽底板的凹槽中，按照天然湖泊的泥厚和水深之比控制實驗底泥厚度，并用鏟子輕拍壓平，使得水流下部與底泥上部基本齊平，直至底泥密度與現(xiàn)場實際情況接近。在水泵開啟階段通過調(diào)節(jié)水泵主閥門和尾門控制水流保持在較低的流速，并逐步加大進(jìn)口流量，同時調(diào)節(jié)尾門以控制出口流量，以達(dá)到實驗所需要的流速及水深。用LGY-Ⅱ型智能流速儀測量斷面平均流速。實驗水樣的采集采用虹吸原理，分別在底泥上游，底泥中部和底泥下游布置3個采樣架。每個采樣架上有3個位于不同深度的采樣點，采樣鋼管直徑為0.001 m。取樣時打開取樣口橡皮套管，取樣后補充相同體積的水量。實驗初期采樣間隔時間控制在2 h、4 h和8 h不等，實驗后期采樣時間間隔相應(yīng)增加。水樣中COD的測定選用重鉻酸鉀氧化法，DO值采用JPB-607型便攜式溶解氧儀測定，水體濁度采用LP2000型濁度儀測定，單位為FTU。

1.2水質(zhì)模型的建立

采用BOD和DO的S-P耦合模型，不考慮底泥再懸浮對自凈作用的影響，穩(wěn)態(tài)一維水質(zhì)模型為u[SX（]dS[]dx[SX）]=Ds[SX（]d.2S[]dx.2[SX）]-K1S（1）

u[SX（]dC[]dx[SX）]=Ds[SX（]d.2C[]dx.2[SX）]-K1C+K2（Cs-C）（2）

式中：S為x處水體BOD濃度（mg/L）;C為x處水體DO濃度（mg/L）;Cs為某溫度下水體飽和DO濃度（mg/L）;u為水體平均流速（m/s）;K1和K2分別為為BOD衰減系數(shù)和DO復(fù)氧系數(shù)（d-1）;Ds為彌散系數(shù)（m.2/s）。

考慮底泥再懸浮對自凈作用的影響時，增加一項因懸浮沉降引起的BOD變化系數(shù)K3（d-1）和一項由底泥釋放引起的BOD變化速率R（mg/（L·d）），式（1）可以變?yōu)閇19]

u[SX（]dS[]dx[SX）]=Ds[SX（]d.2S[]dx.2[SX）]-（K1+K3）S+R（3）

不考慮彌散作用，將邊界條件S|x=0=S0，C|x=0=C0帶入到式（3）中，解得

S=S0f1+[SX（]R[]K1+K2[SX）]（1-f1）（4）

C=Cs-（Cs-C0）f2+[SX（]K1[]K1+K3-K2[SX）]（S0-[SX（]R[]K1+K3[SX）]）（f1-f2）-[SX（]K1R[]K2（K1+K3）[SX）]（1-f2） （5）

式中：f1=e.-[SX（]（K1+K2）x[]u[SX）];f2=e.-[SX（]K2x[]u[SX）]。

2結(jié)果與討論

2.1水流流速對自凈作用的影響

污染物進(jìn)入水體發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物的變化，其中生物化學(xué)凈化作用使水體自凈的主要原因。由于實驗中使用的水體為自來水，為了測定自來水COD對上覆水體中COD的影響。設(shè)計了三組無底泥的空白實驗，靜水實驗事先測定，圖2中顯示了水深為10 cm，流速分別為0.05 m/s和0.10 m/s時，水體中COD隨時間變化的關(guān)系。

2.1.1S-P耦合模型

S-P耦合模型表達(dá)式如式（1）所示，不考慮彌散作用對水體自凈的影響，得到

u[SX（]dS[]dx[SX）]=-K1S（6）

由式（4），不考慮底泥再懸浮對自凈作用的影響時，得到式（6）的解為

S=S0e-[SX（]K1x[]u[SX）]（7）

式中：S0是水體中初始BOD含量。

將圖2中的數(shù)據(jù)帶入到式（7）中，計算得到K1|u=0.1m/s=1.16×10-7，K1|u=0.05 m/s=1.69×10-7。可以看出，隨著流速的增加，衰減系數(shù)K1逐漸變小，兩者成反比例關(guān)系，這表明流速的增加使得有機物的消耗變的迅速。

2.1.2一維水體水質(zhì)模型

當(dāng)水體受納有機物后，沿水流方向產(chǎn)生的輸移有機物量遠(yuǎn)大于擴散稀釋量，當(dāng)流量與污水量穩(wěn)定，水體溫度不變時，則有機物生化降解的好氧量與該時期河水中存在的有機物量成正比，即呈一級反應(yīng)，屬一維水體水質(zhì)模型。從圖2中可以看出水體中有機物生化降解量與有機物量成正比，屬于化學(xué)一級反應(yīng)，可以用來簡化水體自凈過程，即有機物耗氧動力學(xué)來描述水體中COD隨時間的變化。[JB（{][SX（]dS[]dt[SX）]=-k[WTBX]1S

t=0，S=S0[JB）]（8）

式（8）中，k[WTBX]1為耗氧系數(shù)，解式（8）得S（t）=S0e-k[WTBX]1t。根據(jù)實驗得到的COD濃度變化曲線（圖2）是在低濃度條件下的，該方程在高濃度條件下不一定適用。因為低濃度下是好氧反應(yīng)，而高濃度下是厭氧反應(yīng)。因此為了采用此方程預(yù)測上覆水體中COD濃度，只對實驗后期COD濃度降低后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。當(dāng)u=0.1 m/s時，S（t）=S0e-0.01016t，S0=147 mg/L，當(dāng)u=0.05 m/s時，S（t）=S0e-0.0266t，S0=95 mg/L。結(jié)果如圖3所示，仍然可以得到流速的增加使得有機物的消耗變的迅速這一結(jié)論。

2.2水深及斷面變化對自凈作用的影響

當(dāng)?shù)啄喟l(fā)生再懸浮后，上覆水體的COD有一個明顯的峰值變化，隨著時間的推移有機物的消耗，COD濃度逐漸趨于平穩(wěn)。對同一斷面不同水深處的水樣進(jìn)行采集并觀測水體COD濃度隨時間的變化（圖4）。從圖4中可以看出，在相同工況條件下，兩個采樣點的COD釋放濃度相差不大，濃度曲線趨勢基本相同，這說明水深對水體自凈作用的過程影響不是很明顯。這可能是由于污水排入水體后，在流動的過程中，逐漸和水體水相混合，使污染物的濃度不斷降低并稀釋混合均勻。對不同一斷面不同水深處的水樣進(jìn)行采集并觀測水體COD濃度隨時間的變化，沿水流流向三個不同斷面處底泥污染物釋放COD濃度的分析發(fā)現(xiàn)，污染物濃度隨時間的變化曲線沿流向不同斷面處的變化趨勢基本上也是一致的，見圖5。

從圖4和圖5可以看出，在相同工況下，同一斷面的不同水深處，同一水深沿流向的不同斷面處，水體中COD濃度隨時間的變化曲線形式基本上是一致的。底泥向上覆水釋放的污染物濃度應(yīng)該為空間和時間的函數(shù)，但從實驗得知其在空間上分布趨于均勻，這說明底泥再懸浮釋放污染物在空間上釋放是一個相對較快的過程。由于水流紊動影響，底泥污染物釋放進(jìn)入上覆水體后，污染物很快通過混合和摻混過程在水體中趨于均勻分布，使得底泥污染物濃度變?yōu)闀r間的函數(shù)。

2.3底泥對自凈作用的影響

2.3.1底泥未懸浮對自凈作用的影響

底泥污染物通過再懸浮進(jìn)入上覆水體的過程是控制水體水質(zhì)的重要因素之一[22]。因此，在嚴(yán)格控制水體的點源和非點源污染的情況下，由于污染底泥的存在，在很長一段時間內(nèi)依然不能保證良好的水質(zhì)。泥水界面的輸運介質(zhì)是底泥固體顆粒和底泥中的空隙水，而水是主要介質(zhì)。底泥污染物的釋放主要分為兩種不同的釋放形式：一、底泥泥水界面通過分子擴散作用;二、底泥起動懸浮釋放。水體靜止時，表層底泥中有機污染物會消耗上覆水體中的溶解氧（DO），其隨時間的變化規(guī)律見圖6。

從上圖6可以看出，在實驗初始上覆水體DO值為4.1 mg/L，實驗第一天上覆水體DO值為3.5 mg/L，且下降趨勢較快，到第四天水體中的DO值降至1 mg/L左右，并基本維持在數(shù)值不變。靜水條件下表層底泥放對上覆水體 DO值的消耗，經(jīng)回歸呈現(xiàn)與時間相關(guān)的一次衰減模型。在試驗開始階段，水體中有一定的溶解氧含量，底泥中含有大量的還原性耗氧污染物使得水體中DO的消耗迅速增大。大氣復(fù)氧過程緩慢，水體中DO不能及時得到補充，使靜態(tài)實驗的水體逐漸呈缺氧狀態(tài)。

底泥未懸浮時，底泥對上覆水體的耗氧作用可以用一次衰減模型進(jìn)行歸納。考慮底泥未懸浮時對自凈作用的影響，增加一項由底泥釋放引起的BOD變化速率R（mg/（L·d）），式（5）可以變?yōu)?/p>

C=Cs-（Cs-C0）e-[SX（]K2x[]u[SX）]+[SX（]K1[]K1-K2[SX）]（S0-[SX（]R[]K1[SX）]）·（e-[SX（]K2x[]u[SX）]-e-[SX（]K1x[]u[SX）]）-

[SX（]R[]K2[SX）]）（1-e-[SX（]K2x[]u[SX）]） （9）

根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)和復(fù)氧系數(shù)K2=0.4/d，以及飽和DO濃度Cs=9.08帶入式（9）中，可得

C=9.08-4.93e-[SX（]0.4x[]u[SX）]-0.026×（1.6×10-4-[SX（]R[]0.01[SX）]）·（e-[SX（]0.4x[]u[SX）]-e-[SX（]0.01x[]u[SX）]）-[SX（]R[]0.4[SX）]（1-e-[SX（]0.4x[]u[SX）]）（10）

將x=10000 m，u=0.01 m帶入式（10）中得3.56=9.08-2.5R，R=2.208/d。

2.3.2底泥再懸浮對自凈作用的影響

底泥起動懸浮時，懸浮顆粒和孔隙水均會對上覆水質(zhì)進(jìn)行影響，釋放的主要貢獻(xiàn)還是來自于再懸浮泥沙顆粒。這表明再懸浮泥沙釋放污染物的程度與上覆水體中底泥懸浮顆粒濃度有密切關(guān)系，通過泥沙濃度測量儀器，以濁度來表征水體中懸浮泥沙濃度。

考慮底泥再懸浮對自凈作用的影響時，再增加一項因懸浮沉降引起的BOD變化系數(shù)K3（d-1），式（4）的解為

S=S0e-[SX（]K2x[]u[SX）]+[SX（]R[]K1+K2[SX）]（1-e-[SX（]（K1+K3）x[]u[SX）]）（11）

通過改變水體流速，得到不同流速下再懸浮泥沙污染物釋放過程，觀測得到上覆水體濁度與COD濃度關(guān)系見圖7。

從圖7中可以看到，隨著上覆水體濁度的增加，底泥懸浮污染物COD濃度也增大。在濁度值低于16.5時，懸浮底泥污染物濃度隨濁度值增幅較大;而濁度值高于16.5時，懸浮底泥污染物濃度增幅減小。實際上，底泥污染物在動水條件下，當(dāng)水流速度超過底泥起動速度，底泥被沖刷懸起，濁度增大，在水流的紊動影響下，吸附于懸浮顆粒上的污染物發(fā)生解吸，污染物重新進(jìn)入水體，使得上覆水體污染物COD濃度增加。因此，底泥污染物的起動懸浮釋放具有污染源的特點。

3結(jié)論

水體的自凈作用受到上覆水體水動力條件的影響很大，特別是在含有污染底泥的水體中。其中，水流流速是影響水體自凈作用的主要因素之一，流速的增大雖然在一定程度上增加了上覆水溶解氧水平，但同時也會造成底泥的再懸浮。在引水工程中若水力參數(shù)控制不當(dāng)，極易使得底泥中的污染物通過再懸浮作用再次進(jìn)入上覆水中。對于已經(jīng)發(fā)生底泥再懸浮的水體，相較于靜態(tài)底泥其對流速變化要更加敏感，因為流速決定了再懸浮污染物的最終歸宿。底泥起動懸浮釋放只是在一定的水動力學(xué)條件下存在，盡管作用時間較短，但是其釋放強度較分子擴散大得多，所以對水體自凈作用也起著主要的影響作用。

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