水体垂向扰动条件下溶质在沉积介质中的迁移研究

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1、水体垂向扰动条件下溶质在沉积介质中的迁移研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：李邵龙指导教师:陈道毅教授二○一五年六月SoluteTransportinPorousSedimentUnderaVerticlewaterDisturbanceThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinEnvironmentalS

2、cienceandEngineeringbyLiShaolongThesisSupervisor:ProfessorChenDaoyiJune,2015摘要摘要上覆水体的扰动对海洋、河流、湖泊等水体沉积物中物质的再悬浮和释放已逐渐受到全球学者的关注。这种在水动力条件下导致的物质的迁移和再悬浮过程，尤其是污染物质的释放过程严重的影响着水体的环境和生态平衡。为了研究在上覆水体扰动条件下物质在沉积介质中的迁移，本实验建立了简单的沉积物再悬浮发生装置，并分别利用不同粒径大小的沙粒作为均质沉积物，-3同时利用500μg·

3、cm的溶解性罗丹明B作为示踪剂，观测研究在垂向紊流扰动条件下溶质在不同沉积介质中的迁移情况。实验表明，在均匀沉积介质中，水流的垂向扰动主要影响溶质的垂向迁移，-1而溶质的水平对流迁移十分微弱。在200r·min的扰动强度下，在平均粒径为71μm介质中，溶质几乎不发生对流迁移现象，以自由扩散迁移为主，且扩散的强度与埋深没有直接关系；而该扰动强度对平均粒径为154μm，311μm，503μm和646μm均匀沉积介质的扰动影响深度分别达到了7cm，10cm，12cm和13cm；在各均匀-1-1-1-1介质中最大迁移速

4、率分别达到了0.8mm·h、1.8mm·h、2.9mm·h和4.9mm·h，且随着埋深的加深，物质前迁移减弱。而在非均匀介质中，上覆水体的扰动将在非均匀介质中产生的横向孔隙水紊动压强增大，从而导致溶质随着水流发生跨介质的横向对流迁移，且一定范围内随着扰动的增强和颗粒粒径的增大，溶质的这-1种横向对流迁移也相应增强。当扰动强度达到300r·min以上时，沉积层表层颗粒已发生了大量再悬浮－再沉淀现象，破坏了表层沉积层结构。研究还发现非均匀结构将会增大溶质在介质中的垂向迁移以及同一扰动强度对介质的影响深度，如-120

5、0r·min的扰动强度对646μm均匀沉积介质影响深度为13cm，而对其各类非均匀结构的影响深度达到了15cm~16cm；并且对于同一种沉积介质，不同的非均匀组合对溶质迁移的影响也不同。同时，研究还表明，不同的沉积介质间存在着一个最利于溶质迁移的结构组合，在本实验组中，646μm介质与311μm介质构成的-1非均匀结构在200r·min的扰动强度下最利于物质的迁移。另外，实验发现在非均质边界处，溶质在71μm介质中的扩散迁移大大增强，其最大扩散直径增量几乎是其它各点的1.5倍~2倍，说明扰动条件下非均匀结构对溶

6、质的扩散迁移也有明显的增强效果。由于自然条件下水动力条件十分复杂，不同的扰动环境对物质的迁移影响也存在着较大的差异，因此该论文得出的结论适用于水体的垂向扰动。关键词：垂向扰动；紊动压强；对流迁移；自由扩散；非均匀结构IAbstractAbstractTheproblemofmassre-suspensionandreleasefromthesedimentstructureofocean,riverandlakebythedisturbanceofoverlyingwaterhasattainedmoreand

7、moreattractionfromglobalresearchers.Suchmassre-suspension,especiallypollutantsreleasebytheturbulentconditionhasdramaticallyinfluencedwaterenvironmentaswellasits’eco-system.Toexaminemasstransportinporoussedimentsduringaturbulentflow,weestablishedasimplesedime

8、ntre-suspensiondevice,madeuseofdifferentsizeofsands-3ashomogeneoussediments,andinjected500μg·cmsolubleRhodamineBintodifferentpartsofthesedimentasmasstracer,toobservemasstransportduringtheturbule