河流曲度對水體中磷去除影響的試驗研究

陳睿東，陳 菁，肖晨光，金 秋,，樊 榮，陳煉鋼

(1.河海大學農業(yè)工程學院，南京 210098；2. 南京水利科學研究院，南京 210029)

0 引 言

總磷超標是當前我國水污染問題的主要內容[1]，磷素的歸趨機理已成為研究熱點。其中，沉積物-水界面環(huán)境對磷素遷移、沉積物磷吸附釋放的影響受到了廣泛的關注。一些學者通過野外調查，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]等對沉積物磷吸附的過程影響顯著；另一些學者將沉積物從野外取回進行室內試驗，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磷素遷移轉化的影響。目前，關于河流曲度對水體中磷素遷移轉化過程影響的研究較為少見。其中，蔡曄[14]的研究結果顯示曲度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[15]發(fā)現(xiàn)高曲度的河流較低曲度的河流側向潛流交換更顯著。然而，以潛流交換視角探索河流曲度對河流水體中磷去除影響的研究尚未報道。

本文利用自主設計的循環(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4組不同曲度的人工河道，進行循環(huán)水試驗，并基于實測數(shù)據(jù)分析彎曲度對河流水體中磷去除影響的機制，為河流溶質運移理論研究以及水系規(guī)劃與水污染治理等方面的實際應用提供依據(jù)。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗設備與材料

1.1.1 試驗設備

試驗設備主要包括室內試驗水池、循環(huán)管道系統(tǒng)和水質儀，見圖1。

圖1 試驗設備及取樣點布置Fig.1 Sketch of the experiment setup and the sampling location 注：1、2、3、4、5、6號分別表示孔隙水取樣點；人工河道的曲度為1.4。

試驗水池包括中央水池和2個集水池，材質為混凝土。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置進水器。循環(huán)管道系統(tǒng)布置在試驗水池外，由Da60的PVC管、潛流泵、電磁流量計、流量控制閥、蜂窩整流器組成。

1.1.2 試驗材料

試驗材料為河沙、KH2PO4溶液。河沙從長江下游南京段取回。河流沉積物以細沙為主時，溶解性活態(tài)磷主要被細沙所吸附[16]，本試驗選取細沙為試驗材料。試驗沙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 試驗方法

1.2.1 試驗處理

以安徽省合肥市境內的十五里河為原型，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查資料)為多個斷面的平均值，水深與水面寬都近似取0.05 m的整數(shù)倍，具體數(shù)值及計算結果見表1。

河流曲度即河流實際長度與河流起迄斷面的直線距離的比值。試驗分為4組，每組試驗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波長。試驗沙不重復使用，每組試驗換新的試驗沙，各組試驗沙的級配、壓實度、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 試驗流程

4組試驗按組次先后進行，每組試驗流程如下。

(1)將試驗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。確定取樣點位置。向上、下游集水池注水并開啟水泵，試驗沙呈飽和含水狀態(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分別進行上覆水和孔隙水取樣。

(3)試驗進行48.00 h后關閉水泵，抽出溶液，鏟出試驗沙。

1.2.3 取樣點布置

在S1、S2、S3中，取樣點1、3、4、5、6號距人工河道都是30 cm，取樣點2號距取樣點1號60 cm。S4中人工河道順直， 3個取樣點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，水池長方向為x軸，水池寬方向為y軸，試驗水池內各點坐標值均為正數(shù)，1個單位長度代表1 cm，建立平面直角坐標系，4組試驗的孔隙水取樣點坐標見表2。

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

2 結果與分析

2.1 上覆水總磷濃度隨時間的變化過程

由圖2可知，S1、S2、S3、S4上覆水總磷濃度隨時間變化的趨勢基本一致。試驗前期，上覆水的總磷濃度陡降，試驗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)生在試驗前4.76、7.60、9.58、10.91 h，總磷濃度下降量達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長，增加了下降速率。河流曲度對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 各組試驗孔隙水取樣點坐標 cm

圖2 各組試驗上覆水總磷濃度隨時間的變化過程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(相鄰兩測點總磷濃度差與時間間隔的比值)。在試驗前期，S1上覆水總磷濃度下降最快， S4下降最慢，4組試驗上覆水總磷濃度下降速率的大小關系為：S1>S2>S3>S4。4組試驗總磷下降速率與時間呈顯著負指數(shù)關系(R2>0.91)，河流曲度小的試驗較曲度大的試驗R2更大，擬合程度更優(yōu)。試驗前期，S1的總磷濃度下降速率最大，隨試驗進行總磷濃度下降速率減小，并先后小于S2、S3、S4，臨界時間分別為1.27、1.51、1.68 h。根據(jù)4組試驗上覆水總磷濃度隨時間變化的過程可知，試驗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 各組試驗上覆水總磷濃度下降速率隨時間的變化過程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空變化特性

本文以S1、S4為例進行討論， 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空變化顯著。試驗進行0.17 h，各點孔隙水總磷濃度差異較顯著，點1號比點2號大0.065 6 mg/L，點3號比點4號大0.067 8 mg/L，點5號比點6號大0.052 0 mg/L；試驗進行4.76 h，不同取樣點之間的孔隙水總磷濃度差較0.17 h減小，點1號比點2號大0.020 2 mg/L，點3號比點4號大0.017 5 mg/L，點5號比點6號大0.019 3 mg/L；試驗進行48.00 h，各點孔隙水總磷濃度差小于0.001 97 mg/L。隨著試驗進行，各點孔隙水總磷濃度差異減小。在S4中，取樣點1號的孔隙水總磷濃度大于點2號，點2號大于點3號，3點間的濃度差隨時間減小，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，磷素通過橫向擴散(紊動擴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1號孔隙水與點2號存在隨時間遞減的濃度差，彎曲段存在對流交換(即彎曲的河岸引起剪切流擾動，水流流線彎曲，由此形成河岸表面的局部水壓力梯度，誘導河岸縱向的孔隙對流[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)?？v向潛流交換加速溶質向河岸運移，并導致河岸點3、4、5、6號等各點孔隙水總磷濃度差。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散的影響，縱向潛流交換對河流溶質運移的作用顯著大于橫向擴散[18]。

對流交換引起的孔隙水流動在河岸中存在停滯性[19]，有利于泥沙對磷的吸附。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。

由于試驗中河岸寬受限，各組試驗沙的總量相近，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，實際河流不是首尾相接的循環(huán)體，河道長度遠超過試驗河道，在有等量的外源磷輸入時，經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 論

(1)上覆水總磷濃度下降過程可分為快、慢2個階段，高曲度河流快下降階段歷時更短?？煜陆惦A段，高曲度河流下降速率顯著大于低曲度河流。河流曲度對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空變化特性。彎曲河流受縱向潛流交換和橫向擴散影響，河岸各點孔隙水總磷濃度存在差異(1號>2號、3號>4號、5號>6號)；順直河流受橫向擴散影響，孔隙水總磷濃度沿遠離河道的方向減小。孔隙水總磷濃度差隨試驗進行而減小?？v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。