河流曲度對(duì)水體中磷去除影響的試驗(yàn)研究

陳睿東，陳 菁，肖晨光，金 秋,，樊 榮，陳煉鋼

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2. 南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

0 引 言

總磷超標(biāo)是當(dāng)前我國水污染問題的主要內(nèi)容[1]，磷素的歸趨機(jī)理已成為研究熱點(diǎn)。其中，沉積物-水界面環(huán)境對(duì)磷素遷移、沉積物磷吸附釋放的影響受到了廣泛的關(guān)注。一些學(xué)者通過野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沉積物顆粒粒徑[2-4]、溶解氧含量[5]、沉積物再懸浮條件[6,7]、沉積物的組成成分[8]等對(duì)沉積物磷吸附的過程影響顯著；另一些學(xué)者將沉積物從野外取回進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分別從河流流速[9]、pH[10,11]、干濕交替條件[12,13]等方面研究各因素對(duì)磷素遷移轉(zhuǎn)化的影響。目前，關(guān)于河流曲度對(duì)水體中磷素遷移轉(zhuǎn)化過程影響的研究較為少見。其中，蔡曄[14]的研究結(jié)果顯示曲度3.2的河流上覆水總磷濃度下降率顯著高于曲度1.0的河流。林俊強(qiáng)[15]發(fā)現(xiàn)高曲度的河流較低曲度的河流側(cè)向潛流交換更顯著。然而，以潛流交換視角探索河流曲度對(duì)河流水體中磷去除影響的研究尚未報(bào)道。

本文利用自主設(shè)計(jì)的循環(huán)水系統(tǒng)，在上覆水總磷背景值、水流流速和河道斷面尺寸相同的條件下，針對(duì)4組不同曲度的人工河道，進(jìn)行循環(huán)水試驗(yàn)，并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析彎曲度對(duì)河流水體中磷去除影響的機(jī)制，為河流溶質(zhì)運(yùn)移理論研究以及水系規(guī)劃與水污染治理等方面的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括室內(nèi)試驗(yàn)水池、循環(huán)管道系統(tǒng)和水質(zhì)儀，見圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及取樣點(diǎn)布置Fig.1 Sketch of the experiment setup and the sampling location 注：1、2、3、4、5、6號(hào)分別表示孔隙水取樣點(diǎn)；人工河道的曲度為1.4。

試驗(yàn)水池包括中央水池和2個(gè)集水池，材質(zhì)為混凝土。中央水池為長方體(4.4 m×3.5 m×0.5 m)，池底為平面，坡降為1%。2個(gè)集水池(1.5 m×0.15 m×0.7 m)分布在中央水池兩端，中央水池與上、下游集水池連通，在中央水池入口處設(shè)置進(jìn)水器。循環(huán)管道系統(tǒng)布置在試驗(yàn)水池外，由Da60的PVC管、潛流泵、電磁流量計(jì)、流量控制閥、蜂窩整流器組成。

1.1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為河沙、KH2PO4溶液。河沙從長江下游南京段取回。河流沉積物以細(xì)沙為主時(shí)，溶解性活態(tài)磷主要被細(xì)沙所吸附[16]，本試驗(yàn)選取細(xì)沙為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)沙D50為0.273 1 mm，D10為0.147 2 mm，Cu為1.916，Cc為0.927 3，K為0.246 cm/s。KH2PO4溶液由KH2PO4溶劑(西隴化工，分析純)和自來水配制，總磷濃度為1.5 mg/L。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)處理

以安徽省合肥市境內(nèi)的十五里河為原型，以1∶55的縮放比例，由幾何相似得人工河道的斷面尺寸(十五里河斷面形狀近似為梯形)，根據(jù)弗勞德數(shù)相似原理計(jì)算斷面平均流速。十五里河河道斷面尺寸(數(shù)據(jù)來源于合肥市水文局的調(diào)查資料)為多個(gè)斷面的平均值，水深與水面寬都近似取0.05 m的整數(shù)倍，具體數(shù)值及計(jì)算結(jié)果見表1。

河流曲度即河流實(shí)際長度與河流起迄斷面的直線距離的比值。試驗(yàn)分為4組，每組試驗(yàn)僅含單一曲度的人工河道，曲度為2.2、1.8、1.4、1.0的小組試驗(yàn)分別由S1、S2、S3、S4表示。人工河道的形狀都為正弦曲線的一個(gè)波長。試驗(yàn)沙不重復(fù)使用，每組試驗(yàn)換新的試驗(yàn)沙，各組試驗(yàn)沙的級(jí)配、壓實(shí)度、總磷背景值一致。

表1 原型河道與人工河道的斷面尺寸與流速Tab.1 Section size and flow rate of the prototypical river and the artificial channel

1.2.2 試驗(yàn)流程

4組試驗(yàn)按組次先后進(jìn)行，每組試驗(yàn)流程如下。

(1)將試驗(yàn)沙均勻填入中央水池。挖出一條面寬30 cm的人工河道，河底沙厚5 cm，用200目的尼龍土工布在河道末端攔沙。確定取樣點(diǎn)位置。向上、下游集水池注水并開啟水泵，試驗(yàn)沙呈飽和含水狀態(tài)后將水抽出。

(2)將總磷濃度為1.5 mg/L的KH2PO4溶液注入集水池，開啟水泵，流量為1.2×10-4m3/s。試驗(yàn)開始后0.17、0.50、1.00、1.50、2.00、3.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00、16.00、24.00、36.00、48.00 h分別進(jìn)行上覆水和孔隙水取樣。

(3)試驗(yàn)進(jìn)行48.00 h后關(guān)閉水泵，抽出溶液，鏟出試驗(yàn)沙。

1.2.3 取樣點(diǎn)布置

在S1、S2、S3中，取樣點(diǎn)1、3、4、5、6號(hào)距人工河道都是30 cm，取樣點(diǎn)2號(hào)距取樣點(diǎn)1號(hào)60 cm。S4中人工河道順直， 3個(gè)取樣點(diǎn)在垂直于河道的直線上。以圖1所示的中央水池左下角為原點(diǎn)，水池長方向?yàn)閤軸，水池寬方向?yàn)閥軸，試驗(yàn)水池內(nèi)各點(diǎn)坐標(biāo)值均為正數(shù)，1個(gè)單位長度代表1 cm，建立平面直角坐標(biāo)系，4組試驗(yàn)的孔隙水取樣點(diǎn)坐標(biāo)見表2。

本次試驗(yàn)水樣總磷濃度采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測(cè)定，數(shù)據(jù)處理采用Excel，畫圖通過Origin 8.0實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水總磷濃度隨時(shí)間的變化過程

由圖2可知，S1、S2、S3、S4上覆水總磷濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致。試驗(yàn)前期，上覆水的總磷濃度陡降，試驗(yàn)中期下降速率顯著減緩，最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值接近，分別為0.761、0.732、0.741、0.742 mg/L。上覆水總磷濃度下降過程可分為快下降和慢下降階段：S1、S2、S3、S4快下降階段分別發(fā)生在試驗(yàn)前4.76、7.60、9.58、10.91 h，總磷濃度下降量達(dá)48.00 h下降量的80%，快下降速率分別為0.124、0.080 8、0.063 4、0.055 6 mg/(L·h)；S1、S2、S3、S4慢下降速率分別為0.003 42、0.003 80、0.003 95、0.004 09 mg/(L·h)。S1與S2快下降速率差[0.043 2 mg/(L·h)]顯著大于S2與S3[0.017 4 mg/(L·h)]以及S3與S4[0.000 78 mg/(L·h)]。4組試驗(yàn)慢下降速率差異不顯著。河流曲度的增加，縮短了總磷濃度快下降階段的時(shí)長，增加了下降速率。河流曲度對(duì)上覆水總磷濃度快下降階段影響顯著，曲度越大，影響越顯著。

表2 各組試驗(yàn)孔隙水取樣點(diǎn)坐標(biāo) cm

圖2 各組試驗(yàn)上覆水總磷濃度隨時(shí)間的變化過程Fig.2 The changing process of total phosphorus concentration of overlying water over time in each group

圖3中上覆水總磷濃度下降速率為平均下降速率(相鄰兩測(cè)點(diǎn)總磷濃度差與時(shí)間間隔的比值)。在試驗(yàn)前期，S1上覆水總磷濃度下降最快， S4下降最慢，4組試驗(yàn)上覆水總磷濃度下降速率的大小關(guān)系為：S1>S2>S3>S4。4組試驗(yàn)總磷下降速率與時(shí)間呈顯著負(fù)指數(shù)關(guān)系(R2>0.91)，河流曲度小的試驗(yàn)較曲度大的試驗(yàn)R2更大，擬合程度更優(yōu)。試驗(yàn)前期，S1的總磷濃度下降速率最大，隨試驗(yàn)進(jìn)行總磷濃度下降速率減小，并先后小于S2、S3、S4，臨界時(shí)間分別為1.27、1.51、1.68 h。根據(jù)4組試驗(yàn)上覆水總磷濃度隨時(shí)間變化的過程可知，試驗(yàn)前期高曲度河流總磷下降速率顯著高于低曲度河流，高曲度河流有利于上覆水磷的去除[17]。

圖3 各組試驗(yàn)上覆水總磷濃度下降速率隨時(shí)間的變化過程Fig.3 The changing process of the rate of total phosphorus concentration in the overlying water over time in each group

2.2 孔隙水總磷濃度隨時(shí)空變化特性

本文以S1、S4為例進(jìn)行討論， S2、S3的規(guī)律與S1相似。由圖4可知， S1孔隙水總磷濃度隨時(shí)空變化顯著。試驗(yàn)進(jìn)行0.17 h，各點(diǎn)孔隙水總磷濃度差異較顯著，點(diǎn)1號(hào)比點(diǎn)2號(hào)大0.065 6 mg/L，點(diǎn)3號(hào)比點(diǎn)4號(hào)大0.067 8 mg/L，點(diǎn)5號(hào)比點(diǎn)6號(hào)大0.052 0 mg/L；試驗(yàn)進(jìn)行4.76 h，不同取樣點(diǎn)之間的孔隙水總磷濃度差較0.17 h減小，點(diǎn)1號(hào)比點(diǎn)2號(hào)大0.020 2 mg/L，點(diǎn)3號(hào)比點(diǎn)4號(hào)大0.017 5 mg/L，點(diǎn)5號(hào)比點(diǎn)6號(hào)大0.019 3 mg/L；試驗(yàn)進(jìn)行48.00 h，各點(diǎn)孔隙水總磷濃度差小于0.001 97 mg/L。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，各點(diǎn)孔隙水總磷濃度差異減小。在S4中，取樣點(diǎn)1號(hào)的孔隙水總磷濃度大于點(diǎn)2號(hào)，點(diǎn)2號(hào)大于點(diǎn)3號(hào)，3點(diǎn)間的濃度差隨時(shí)間減小，見圖5。

圖4 曲度2.2的人工河道孔隙水總磷濃度隨時(shí)間的變化過程Fig.4 The changing process of total phosphorus concentration of pore water over time of artificial channel with a curvature of 2.2

圖5 曲度1.0的人工河道孔隙水總磷濃度隨時(shí)間的變化過程Fig.5 The changing process of total phosphorus concentration of pore water over time of artificial channel with a curvature of 1.0

在S1中，由于上覆水總磷濃度高于河岸的孔隙水，磷素通過橫向擴(kuò)散(紊動(dòng)擴(kuò)散和孔隙尺度下的微循環(huán))從人工河道遷移到河岸[18]，因此點(diǎn)1號(hào)孔隙水與點(diǎn)2號(hào)存在隨時(shí)間遞減的濃度差，彎曲段存在對(duì)流交換(即彎曲的河岸引起剪切流擾動(dòng)，水流流線彎曲，由此形成河岸表面的局部水壓力梯度，誘導(dǎo)河岸縱向的孔隙對(duì)流[15])。人工河道中的水體流向河岸并在下游匯入人工河道，在河岸形成縱向潛流交換區(qū)。縱向潛流交換加速溶質(zhì)向河岸運(yùn)移，并導(dǎo)致河岸點(diǎn)3、4、5、6號(hào)等各點(diǎn)孔隙水總磷濃度差。而在S4中，河岸平整，不存在縱向潛流交換，S4中磷素的遷移過程主要受到橫向擴(kuò)散的影響，縱向潛流交換對(duì)河流溶質(zhì)運(yùn)移的作用顯著大于橫向擴(kuò)散[18]。

對(duì)流交換引起的孔隙水流動(dòng)在河岸中存在停滯性[19]，有利于泥沙對(duì)磷的吸附。高曲度河流較低曲度河流潛流交換面積更大，有更多的泥沙磷吸附過程受到影響。高曲度河流中，河岸的局部水壓力梯度大，潛流交換強(qiáng)度大。因此，高曲度河流較低曲度河流其上覆水磷去除效率更高。

由于試驗(yàn)中河岸寬受限，各組試驗(yàn)沙的總量相近，且河道中的水體不斷循環(huán)，因此不同曲度河流的上覆水總磷平衡濃度相近。然而，實(shí)際河流不是首尾相接的循環(huán)體，河道長度遠(yuǎn)超過試驗(yàn)河道，在有等量的外源磷輸入時(shí)，經(jīng)過相同距離的河段后，高曲度河流上覆水總磷濃度下降值將顯著大于低曲度河流。

3 結(jié) 論

(1)上覆水總磷濃度下降過程可分為快、慢2個(gè)階段，高曲度河流快下降階段歷時(shí)更短。快下降階段，高曲度河流下降速率顯著大于低曲度河流。河流曲度對(duì)快下降階段上覆水磷去除的影響顯著，曲度越大，影響越顯著。上覆水總磷濃度去除效率隨曲度增大而提高。

(2)河岸孔隙水總磷濃度存在時(shí)空變化特性。彎曲河流受縱向潛流交換和橫向擴(kuò)散影響，河岸各點(diǎn)孔隙水總磷濃度存在差異(1號(hào)>2號(hào)、3號(hào)>4號(hào)、5號(hào)>6號(hào))；順直河流受橫向擴(kuò)散影響，孔隙水總磷濃度沿遠(yuǎn)離河道的方向減小。孔隙水總磷濃度差隨試驗(yàn)進(jìn)行而減小。縱向潛流交換顯著影響上覆水磷去除過程，曲度越大影響越顯著，上覆水磷去除效率更高。