剛性植物對污染物輸移擴散規律的研究

郝文龍，朱長軍，常向萍

(河北工程大學城市建設學院，河北邯鄲056038)

在天然河道中，由于植物的存在，水流流速在時間和空間上的不確定性增強，紊動強度和雷諾應力的空間分布也發生了變化，而且由于植物的存在，改變了水體的紊動能和耗散率，進而改變了污染物的擴散系數。這些因素都影響著污染物在植物河道中的輸移擴散。開展植物明渠污染物輸移擴散規律的研究對水環境、水動力學以及水土保持都有很重要的意義。

目前，國內外對植物河道對污染物的輸移擴散的研究還處于需進一步研究階段。Nepf等人［1］建立了挺水植物條件下被動標量的擴散模型，他們認為挺水植物水流的紊動主要由植物后部的尾流產生。隨后，Nepf又進一步對不同植物雷諾數下的擴散系數進行了研究，提出了污染物的擴散模型。研究結果表明，挺水植物下的擴散主要由下列因素共同決定:①植物尾流引起的紊動擴散;②植物的物理阻擋改變了污染物的輸移路徑，進而形成的機械擴散。為了研究植物對縱向離散的影響，Nepf［2］又以羅丹明為示蹤劑進行了試驗，實驗結果表明，由于植物的存在，垂向剪切減弱，而水流紊動和垂向擴散加強，這整體削弱了縱向離散;植物后部的“死區”一定程度上提高了縱向離散。Tanino 和 Nepf［3－4］又進一步對不同雷諾數植物橫向離散進行了集中研究，并得出了植物雷諾數、植物體積分數和橫向離散系數之間的關系。并建立了植物條件下污染物橫向離散模型，通過實驗的驗證，證明了模型的可靠性。姜新佩［5］在研究人工濕地中植物對河流凈化效果時發現，對TP、CODMn等指標進行測量，出水水質均能達到II類水甚至I類水標準，說明在河流淺灘中種植植物對河流中污染物的吸收具有促進作用。

1 試驗概況

本試驗是在河北工程大學水利館內的水槽中進行的。水槽布置如圖1所示。水槽長7 m，寬0.5 m，高0.5 m。兩邊為玻璃壁面，中間為鋪滿小石子的底面，縱向底坡坡度可以利用升降螺桿進行調節。槽首設有進水閥門，水流經過消能柵，穩定后進入水槽，水槽上設有活動支架，以固定測速設備。槽尾設有平板閘門，調節平板閘門開度可控制水槽水位。為了嚴格控制水位，在水槽沿程布置了2個水位計。

天然植物自然特性非常復雜且不易固定，不適合在水槽中進行試驗測量。因此，本文用PVC圓棒來模擬剛性植物，圓棒直徑D=1 cm，高hv=8 cm。試驗將模擬植物固定在PVC板上，無需其他固定設備。固定后放水進行測量發現，植物底部穩定性較好，沒有出現滑落。試驗中，圓棒在水槽中的布置示意圖如圖2所示。

試驗中采用羅丹明溶液作為示蹤劑，植物密度為101.62 株/m2，試驗入流流量為12 L/s，水深10 cm，水力坡降為0.001。植物種植帶長1.2 m，示蹤劑入射處在植物種植帶前2 m處，試驗開始前向水槽中注射示蹤劑，3根針管橫向平行排列，示蹤劑以相同的速度平行射出進入水槽。試驗在示蹤劑釋放的下游選取了一個斷面作為觀測面，植被帶最前端設為坐標0點，下游斷面坐標分別為X1=60 cm。試驗示意如圖3所示。試驗中示蹤劑濃度的測量是在水槽中種有植物部分的側面攝取示蹤劑濃度圖片，通過圖片的光亮度來反應示蹤劑濃度，因此實驗數據反應的是斷面的橫向平均值。

2 試驗結果與分析

利用MATLAB軟件，把攝取的每張圖片進行處理，每張圖片都能得到一組在垂向上的有關濃度的數據，然后把數據進行處理，進行無量綱化，C/Cmax為橫坐標，y/H為縱坐標作圖。圖4是斷面2隨時間的增加污染物濃度垂向分布圖。

從圖4可以看出，污染物濃度在垂向上的最大值隨著時間的增加向水槽底部移動，濃度梯度隨時間增加越來越小，濃度沿水深分布趨于均勻。這是因為植物的存在使水流的形態發生了改變，植物層的水流速度減小，水中的污染物質被截留。同時，植物的存在使水流的紊動特性增強，污染物的垂向擴散作用增大，從而使污染物的垂向混合時間變少。因此，污染物排放后在植物作用下更快地完成初始稀釋過程，降低了下游水體的污染物濃度，有效地抑制了下游水體的污染狀況。

3 結論

在植物的作用下，水流的紊動特性增強，增加了污染物的垂向擴散作用。而且，水流流速減慢，

污染物的濃度在植物的作用下能更快的趨于均勻，縮短了污染物的垂向混合時間，截留了部分污染物質，使下游水體的污染物濃度降低，從而有效控制了下游水體的污染程度。

［1］NEPF H M，SULLIVAN J A，ZAVISTOSKIV R A.A model for diffusion within emergent vegetation［J］.Limnol Oceanogr，1997，42(8):1735 －1745.

［2］NEPF H M，MUGNIER C G，ZAVISTOSKI R A.The effects of vegetation on longitudinal dispersion［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1997，44:675－684.

［3］TANINO Y，NEPF H M.Lateral dispersion in random cylinder arrays at high reynolds number［J］.Journal of Fluid Mechanics，2008，600:339 －371.

［4］TANINO Y，NEPF H M.Laboratory investigation of lateral dispersion within dense arrays of randomly distributed cylinders at transitional reynolds number［J］.Physics of Fluids.2009，21(4):doi:10.1063/1061.3119862.

［5］姜新佩，張歡，李瑩.人工濕地中植物對生活污水的凈化研究［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2014，31(2):59－63.