Numerical research for contaminant release from un-suspended bottom sediment under different hydrodynamic conditions

Contaminant release from bottom sediments in rivers is one of the main problems to study the environmental hydrodynamics. Contaminant will release into the overlying water column under different hydrodynamic conditions through pore-water in sediment, the release mechanism can be roughly divided into convection diffusion, molecular diffusion and adsorption/desorption. In this article, phosphorus was as a typical contaminant with sorption. Through theoretical analysis of the contaminant release, according to different particle-sized and hydraulic conditions, the mathematics model of contaminant release can be established by the coupled Navier-Stokes equation, Darcy equation, solute transport equation and adsorption/desorption equation. Then that model was verified by flume experiment. Numerical studies show that, under different velocity, the instantaneous concentration of convection diffusion is about 6 times to 50 times larger than that of molecular diffusion during initial stages. The concentration of molecular diffusion is about 1 times to 4 times larger than to that of convection diffusion during late stages. Through analysis, the diffusive boundary layer near the interface can be obtained. In addition, the release will increase with particle size decreasing, and the release will be influenced much more by the size change when the particle size is relatively big under different velocity.     

细颗粒泥沙吸附铜离子后表面孔隙变化的实验研究

细颗粒泥沙的表面形貌十分丰富,研究其表面的复杂结构对泥沙的吸附、输移具有重要的理论意义。本文通过镶嵌制样观察泥沙颗粒的孔隙结构,采用物理化学吸附仪对重金属离子吸附后的实验沙进行孔径分布分析与孔隙特征变化研究。结果表明细颗粒泥沙为多孔性固体,微孔与中孔是吸附作用的重要因素。铜离子在吸附量由低到高的过程,首先聚集在孔隙入口处,再逐渐填满孔隙内部空间。伴随这一过程,泥沙的形貌特征也发生了相应的改变。     

Experimental investigation on diffusive contaminant release from permeable sediment layer under unidirectional unsteady flow

The interfacial diffusive contaminant（phosphorus） release from permeable sediment layer into overlying water column under a unidirectional unsteady（periodic） flow condition was experimentally measured and analyzed. The experimental results indicate that the gross diffusive contaminant release rate is substantially enhanced as compared to that under a steady flow condition, and this enhancement trend is much more pronounced in an immediate release stage. The interfacial diffusive contaminant release rate tends to increase with the increasing flow velocity, decreasing period and augmenting amplitude for the case of the unsteady flow. The additional interfacial diffusive contaminant release under the unsteady flow condition may be related to the hydrodynamic response of the diffusive boundary layer to the flow unsteadiness of the overlying water, depending upon not only the periodic thickness variation of the diffusive boundary layer immediately above the sediment-water interface modulated by the temporal flow velocity of the overlying water column but also the intensified turbulent mixing between the overlying water and the pore-water within the superficial sediment layer induced by an alternate acceleration/deceleration fluctuation during each period.     

泥沙颗粒表面吸附铜离子的分布特征的实验研究

现有的水体中泥沙与污染物质关系方面的研究,多着重于吸附模式的理论探讨和吸附总量的实验研究,而对泥沙颗粒的表面形态和污染物质在泥沙颗粒表面的分布研究较少.本文在泥沙颗粒硝酸铜吸附实验和场发射枪扫描电子显微镜观测的基础上,提出了泥沙颗粒表面铜离子分布观测的实验方法,该方法能够定量确定铜离子分布与泥沙表面形态的关系.观测表明:在泥沙颗粒表面的边脊与凹谷处吸附铜离子较多.     

太湖沉积物再悬浮对双酚A吸附性能的影响

利用PES(particle entrainment simulator)模拟装置,率定PES装置产生的切应力与水浴恒温振荡器转速之间的经验关系,采用批量平衡法测定了不同水动力条件下沉积物对双酚A的吸附解吸作用及吸附动力学行为。结果表明,双酚A在沉积物上的平衡吸附量不随切应力的改变而改变,其吸附行为可用Freundlich模型来描述。吸附以快速吸附为主,吸附量占总吸附量的90%以上,慢速吸附对总的吸附进程的贡献很小。切应力主要在快速吸附阶段发挥作用,快速吸附阶段的平均吸附速率与切应力呈正相关,切应力对慢速吸附阶段的影响很小。准二级吸附动力学方程能够很好地拟合不同切应力条件下双酚A在沉积物上的吸附动力学曲线。     

泥沙对营养物质吸附与释放研究进展分析

水体中的泥沙分布非常广泛,它对进入水环境系统的营养性污染物具有强烈的表面物理、化学和生物等作用,是污染物迁移、转化的主要载体。污染物与泥沙的作用对水体生态环境会产生影响。结合国内外研究最新动态,对泥沙及营养性污染物的形态、泥沙与水体水质的关系作了概述,重点对影响营养性污染物释放与吸附的因子作了分析,并对泥沙对营养性污染物吸附与释放存在的问题发表了一些见解。     

EXPERIMENTAL STUDY ON BED RESISTANCE CHARACTERISTICS OF NONUNIFORM SEDIMENT

1.　 INTRODUCTIONThe resistance characteristics of a fluvial river are in close relation with the dischargeand sediment-carrying capacity of the flow and it is a basic problem of river dynamics.Un-der natural circumstances,the bed of a fluvial river is composed of nonuniform sediment.Bed material size and nonuniform property are important factors affecting bed roughnesswhich is the most importantfactor of surface resistance.Early studieson bed resistance characteristicswasfocused on unifo…     

泥沙的分形表面和分形吸附模型

天然水体中泥沙对污染物的吸附过程对水质影响很大，己成为环境水力学研究领域中的热点问题之一。尽管采用分形理论分析泥沙颗粒表面现象方面取得了许多进展，但泥沙颗粒的分 维与污染物的吸附解吸的热力学和动力学特征之间的关系尚不清楚。针对这一问题，本文首 先介绍了分形几何学的基本概念、分形维数的定义以及分形表面的维数测定方法。并应用分形几何原理，从理论上推导出具有分形表面泥沙的分形吸附方程。这一方程与Freundlich等温吸附方程和Langmuir等温吸附方程相比更具有普遍意义。     

盲肠河段口门掺混区的泥沙扩散

本文在分析水槽模型试验结果的基础上，简要论述了盲肠式河段口门紊动掺混区的水流紊动和泥沙扩散特性。近似认为掺混区的混沙运动具有相似性，给出了沙量分布的相似函数。     

水环境中泥沙作用研究进展及分析

首先分析了泥沙在微观和宏观方面，对污染物迁移转化过程中的影响。泥沙通过吸附、解吸作用，同时通过泥沙运动，共同影响着污染物的赋存状态，从而影响着水体环境质量的变化。本文系统总结了在泥沙吸附解吸污染物机理、影响因素、数学模型等方面，已经进行的研究工作所取得的成果，并讨论了有待进一步研究的内容。     

界面裂纹对混凝土氯离子扩散系数的影响

将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥石基体所组成的三相复合材料,平行界面裂纹位于骨料表面,据此构建出圆形单元细胞模型,并采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞,然后应用有限元法获得混凝土氯离子扩散系数的数值解。通过与已有实验结果的比较,初步验证了文中数值方法的有效性,并定量评价了混凝土细观结构对氯离子扩散系数的影响。数值计算表明,混凝土氯离子扩散系数随裂纹张开角、界面厚度的增大而增大,但随着骨料直径的增大而减小,且骨料级配对混凝土氯离子扩散系数有很大的影响。     

Experimental study on desorption of soluble matter as influenced by cations in static water

With variation of drainage basin environments, desorption of soluble matter has become one of the significant erosion processes in rivers. It has a considerable impact on flow and sediment transport, as well as processes of river bed deformation and landform evolution throughout a watershed. In this study, considering influences on sediment movement, especially on cohesive sediment transport, Ca^2＋ and H^＋ were chosen as characteristic ions of soluble matter, and the total desorption quantity of Ca^2＋ and pH value when the desorption equilibrium is reached were employed as two indexes representing the desorption of soluble matter. By means of an indoor experiment, desorption of soluble matter as influenced by cations in static water was investigated. The results show that the total desorption quantity of soluble matter increases with the initial cation concentration until a maximum desorption quantity value is obtained and maintained. The total desorption quantity of soluble matter depends on properties of the specific cations in static water, and the stronger the affinity is between the cation and sediment surface, the higher the total desorption quantity will be. Finally, a strong approximate linear relationship between desorption quantities for different kinds of soluble matters was obtained, which means that variation of pH values can accurately reflect the desorption results of soluble matter.     

盐龙湖表面流人工湿地底泥氧化层对污染物释放的影响

为了解盐城市盐龙湖表面流人工湿地底泥氧化层理化性质,探讨其对底泥氮、磷及有机物释放过程的影响,在测定底泥理化性质的基础上进行了室内静态柱状试验。结果表明:盐龙湖表面流人工湿地长期运行后在底泥表层形成了厚度为1 cm、呈棕黄色、无明显臭味、含水率低、TP含量高、TOC和TN含量低的氧化层;氧化层对于底泥中污染物的释放特征影响显著(P0.05),对内源污染的控制具有一定的正面作用;无氧化层试验组上覆水中TN、NH_3-N和COD的平均质量浓度分别比有氧化层试验组高9.5%、30.8%和3.5%;在湿地的实际管理中,不宜对湿地进行疏浚,如疏浚则疏浚深度应达到健康层。     

悬移质泥沙输移扩散方程适用条件的讨论

悬移质泥沙的输移扩散是泥沙运动力学的基础问题之一,学者们基于不同理论对其运动规律开展了深入研究。基于已有研究,本文主要讨论了不同理论下扩散方程的适用条件。研究结果表明,传统的Rouse扩散方程及其修正式仅适用于泥沙浓度较低、颗粒惯性小至可忽略的条件;两相流理论下的扩散方程由于未考虑颗粒惯性效应,同样只适用于浓度较低、颗粒较小的条件;近期Snehasis Kundul和Koeli Ghoshal基于漂移速度建立的扩散方程由于考虑了升力、颗粒惯性等因素对悬移质分布的影响,使其适用范围相应变大,但在确定泥沙扩散系数上仍然采用的是经验公式,应用上会受到实验资料的限制。基于动理学理论的扩散模型包括基于PDF方程的扩散方程和弥散方程。两个模型中,除了重力沉降和紊流扩散作用外,由于考虑了升力、颗粒紊动、颗粒惯性等影响因素,其在浓度较高、颗粒惯性较大时仍适用,具有普适性。尤其是弥散方程,能够反映颗粒浓度、颗粒紊动、颗粒碰撞等不同机制对泥沙悬浮的影响,全面阐释了悬移质泥沙扩散背后的力学机理。     

泥沙吸附磷前后Zeta电位变化试验

选取长江南京段、淮河蚌埠段以及甬江口3种来源不同的细颗粒泥沙,通过泥沙对磷的等温平衡吸附试验,研究细颗粒泥沙吸附磷前后Zeta电位的变化。结果表明:泥沙的Zeta电位绝对值随着单位质量泥沙对固相磷的平衡吸附量的增大而增大,泥沙稳定性增强,不易絮凝;泥沙的Zeta电位绝对值变化量与单位质量泥沙对固相磷的平衡吸附量呈正比关系,对于不同来源的泥沙,单位质量泥沙对固相磷的平衡吸附量增量相同时,Zeta电位绝对值的增幅不同,甬江泥沙增幅最大,淮河泥沙次之,长江泥沙最小;Zeta电位绝对值相对变化量与固相磷相对吸附量呈正比,甬江泥沙Zeta电位绝对值相对变化量对固相磷相对吸附量变化的敏感度更高,长江与淮河泥沙的敏感度相近。     

泥沙粒径对重金属污染物吸附影响的研究

本文系统研究了不同粒径泥沙颗粒对重金属污染物的吸附作用，粗细不同的泥沙对重金属污染物的吸附能力差异很大，因此研究天然河流泥沙吸附能力必须考虑泥沙组成的非均匀性和各级泥少的含量，度量泥少量粒吸附能力的标准主要是吸附活性组分的含量，而不仅是粒径大小。     

泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究Ⅱ：沉降速度计算

泥沙生长生物膜后相应的物理特性会发生改变。本文主要探讨泥沙颗粒在微生物生命活动的影响下沉降特性的改变情况。将官厅水库的泥沙分为6组,使用天然水和营养液的混合液对泥沙进行培养,用来模拟富营养水体中泥沙颗粒特性的发展变化情况。对于生长生物膜后的絮体颗粒在各个不同培养时间的沉降运动,实验采用先进的图像采集观测系统进行拍摄采样,并利用图像分析测量颗粒大小和沉速的变化,推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式。研究表明生物膜极大地改变了颗粒的表面特性,使得颗粒下沉阻力增大,与同等大小无生物膜黏连的泥沙颗粒相比沉速明显减小。     

有压输沙管道脉动压强特性试验研究

壁面脉动压强是工程上重要的研究对象,脉动强度直接影响泄洪排沙洞、输水隧洞(管道)等建筑物的稳定性和运行安全。为研究不同含沙浓度对壁面脉动压强特性的影响,以黄河细沙(d50=107μm)为研究对象,在直径80 mm的水平管道中进行模型试验,测量出每种工况下的流量、含沙浓度和脉动压强。采用统计方法对测量数据进行多方面分析,并结合快速傅里叶变换(FFT)方法研究了脉动压强的功率谱密度。试验结果表明,时均压强的沿程幅值和瞬时峰值压强均随含沙浓度增加而增大,相对脉动强度随着含沙浓度增大总趋势是减小的;脉动压强概率密度为脉动压强均值接近于零的正太分布,随着含沙浓度增加分布形态从瘦高型发展成矮胖型,压强振幅变大;脉动压强功率谱密度中低频分量随着含沙浓度变大有明显的增加。     

关中平原区细沟水流侵蚀产沙研究

为了研究关中平原区坡面细沟侵蚀过程,利用定水头冲刷试验,系统研究了6个坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°)、5个流量(8L/min、16L/min、24L/min、32L/min、40L/min)工况下的细沟水流含沙量及其与各水动力学间的耦合关系。结果表明:不同流量和坡度下,细沟断面流速随细沟断面的增加而呈波动性增加。断面流速与流量及断面呈显著性相关,而与坡度和平均含沙量相关性不大;不同流量和坡度条件下,含沙量随冲刷历时的增加,先急剧降低,然后呈微小波动趋势,最终归于稳定。含沙量与流量和坡度呈显著幂函数关系增加;挟沙饱和系数K变化范围为10.17~295.66,对应的不淤保证率约为73%。K随流量和坡度的增大逐渐增加,但增加的趋势逐渐减缓。由此可知,挟沙水流的剥蚀能力是有限度的。     

细沟侵蚀特征及其产流产沙过程试验研究

在不同坡度(15°、20°、25°)和降雨强度(1.5mm/min和2.0mm/min)条件下,利用室内模拟降雨试验,研究了杨凌塿土和安塞黄绵土的坡面细沟发育过程、形态特征及水沙关系.结果表明,不同降雨强度和坡度下,塿土坡面的细沟发育规律基本一致,主要由沿坡面方向呈线状分布的跌坎链相互连通而成,表现为沟头溯源侵蚀和沟道下切侵蚀,细沟宽深比随雨强及坡度增加而变小,细沟密度则随之而增加;黄绵土的跌坎形状为长条状,细沟主要由单个跌坎发育而成,发育过程中溯源侵蚀和边壁崩塌现象更为明显,细沟的宽深比较大.相比黄绵土,塿土的产流和达到稳定径流量的速度较快,相同降雨强度条件下,不同坡度间径流量的差异性较小;不同降雨强度和坡度条件下,塿土的含沙量变化过程较为一致,最终会趋于一个稳定值,黄绵土含沙量的变化过程较为复杂.另外,两种土壤从含沙量开始较快增加至达到最高值的时间段与其细沟形成及发育的时间段大体吻合,相比之下塿土更易发生细沟侵蚀.