剛性植物對污染物輸移擴散規(guī)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(fā)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(shù)。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(guī)律的研究對水環(huán)境、水動力學以及水土保持都有很重要的意義。

目前，國內(nèi)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(chǎn)生。隨后，Nepf又進一步對不同植物雷諾數(shù)下的擴散系數(shù)進行了研究，提出了污染物的擴散模型。研究結(jié)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(jié)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(qū)”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(shù)植物橫向離散進行了集中研究，并得出了植物雷諾數(shù)、植物體積分數(shù)和橫向離散系數(shù)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(fā)現(xiàn)，對TP、CODMn等指標進行測量，出水水質(zhì)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(nèi)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(diào)節(jié)。槽首設有進水閥門，水流經(jīng)過消能柵，穩(wěn)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(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)，植物底部穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)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(cè)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(shù)據(jù)反應的是斷面的橫向平均值。

2 試驗結(jié)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(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)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(tài)發(fā)生了改變，植物層的水流速度減小，水中的污染物質(zhì)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(jié)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(zhì)，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.