河流曲度对水体中磷去除影响的试验研究

陈睿东，陈 菁，肖晨光，金 秋,，樊 荣，陈炼钢

(1.河海大学农业工程学院，南京 210098；2. 南京水利科学研究院，南京 210029)

0 引 言

总磷超标是当前我国水污染问题的主要内容[1]，磷素的归趋机理已成为研究热点。其中，沉积物-水界面环境对磷素迁移、沉积物磷吸附释放的影响受到了广泛的关注。一些学者通过野外调查，发现沉积物颗粒粒径[2-4]、溶解氧含量[5]、沉积物再悬浮条件[6,7]、沉积物的组成成分[8]等对沉积物磷吸附的过程影响显著；另一些学者将沉积物从野外取回进行室内试验，分别从河流流速[9]、pH[10,11]、干湿交替条件[12,13]等方面研究各因素对磷素迁移转化的影响。目前，关于河流曲度对水体中磷素迁移转化过程影响的研究较为少见。其中，蔡晔[14]的研究结果显示曲度3.2的河流上覆水总磷浓度下降率显著高于曲度1.0的河流。林俊强[15]发现高曲度的河流较低曲度的河流侧向潜流交换更显著。然而，以潜流交换视角探索河流曲度对河流水体中磷去除影响的研究尚未报道。

本文利用自主设计的循环水系统，在上覆水总磷背景值、水流流速和河道断面尺寸相同的条件下，针对4组不同曲度的人工河道，进行循环水试验，并基于实测数据分析弯曲度对河流水体中磷去除影响的机制，为河流溶质运移理论研究以及水系规划与水污染治理等方面的实际应用提供依据。

1 试验设计与方法

1.1 试验设备与材料

1.1.1 试验设备

试验设备主要包括室内试验水池、循环管道系统和水质仪，见图1。

图1 试验设备及取样点布置Fig.1 Sketch of the experiment setup and the sampling location 注：1、2、3、4、5、6号分别表示孔隙水取样点；人工河道的曲度为1.4。

试验水池包括中央水池和2个集水池，材质为混凝土。中央水池为长方体(4.4 m×3.5 m×0.5 m)，池底为平面，坡降为1%。2个集水池(1.5 m×0.15 m×0.7 m)分布在中央水池两端，中央水池与上、下游集水池连通，在中央水池入口处设置进水器。循环管道系统布置在试验水池外，由Da60的PVC管、潜流泵、电磁流量计、流量控制阀、蜂窝整流器组成。

1.1.2 试验材料

试验材料为河沙、KH2PO4溶液。河沙从长江下游南京段取回。河流沉积物以细沙为主时，溶解性活态磷主要被细沙所吸附[16]，本试验选取细沙为试验材料。试验沙D50为0.273 1 mm，D10为0.147 2 mm，Cu为1.916，Cc为0.927 3，K为0.246 cm/s。KH2PO4溶液由KH2PO4溶剂(西陇化工，分析纯)和自来水配制，总磷浓度为1.5 mg/L。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理

以安徽省合肥市境内的十五里河为原型，以1∶55的缩放比例，由几何相似得人工河道的断面尺寸(十五里河断面形状近似为梯形)，根据弗劳德数相似原理计算断面平均流速。十五里河河道断面尺寸(数据来源于合肥市水文局的调查资料)为多个断面的平均值，水深与水面宽都近似取0.05 m的整数倍，具体数值及计算结果见表1。

河流曲度即河流实际长度与河流起迄断面的直线距离的比值。试验分为4组，每组试验仅含单一曲度的人工河道，曲度为2.2、1.8、1.4、1.0的小组试验分别由S1、S2、S3、S4表示。人工河道的形状都为正弦曲线的一个波长。试验沙不重复使用，每组试验换新的试验沙，各组试验沙的级配、压实度、总磷背景值一致。

表1 原型河道与人工河道的断面尺寸与流速Tab.1 Section size and flow rate of the prototypical river and the artificial channel

1.2.2 试验流程

4组试验按组次先后进行，每组试验流程如下。

(1)将试验沙均匀填入中央水池。挖出一条面宽30 cm的人工河道，河底沙厚5 cm，用200目的尼龙土工布在河道末端拦沙。确定取样点位置。向上、下游集水池注水并开启水泵，试验沙呈饱和含水状态后将水抽出。

(2)将总磷浓度为1.5 mg/L的KH2PO4溶液注入集水池，开启水泵，流量为1.2×10-4m3/s。试验开始后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分别进行上覆水和孔隙水取样。

(3)试验进行48.00 h后关闭水泵，抽出溶液，铲出试验沙。

1.2.3 取样点布置

在S1、S2、S3中，取样点1、3、4、5、6号距人工河道都是30 cm，取样点2号距取样点1号60 cm。S4中人工河道顺直， 3个取样点在垂直于河道的直线上。以图1所示的中央水池左下角为原点，水池长方向为x轴，水池宽方向为y轴，试验水池内各点坐标值均为正数，1个单位长度代表1 cm，建立平面直角坐标系，4组试验的孔隙水取样点坐标见表2。

本次试验水样总磷浓度采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定，数据处理采用Excel，画图通过Origin 8.0实现。

2 结果与分析

2.1 上覆水总磷浓度随时间的变化过程

由图2可知，S1、S2、S3、S4上覆水总磷浓度随时间变化的趋势基本一致。试验前期，上覆水的总磷浓度陡降，试验中期下降速率显著减缓，最终趋于稳定，稳定值接近，分别为0.761、0.732、0.741、0.742 mg/L。上覆水总磷浓度下降过程可分为快下降和慢下降阶段：S1、S2、S3、S4快下降阶段分别发生在试验前4.76、7.60、9.58、10.91 h，总磷浓度下降量达48.00 h下降量的80%，快下降速率分别为0.124、0.080 8、0.063 4、0.055 6 mg/(L·h)；S1、S2、S3、S4慢下降速率分别为0.003 42、0.003 80、0.003 95、0.004 09 mg/(L·h)。S1与S2快下降速率差[0.043 2 mg/(L·h)]显著大于S2与S3[0.017 4 mg/(L·h)]以及S3与S4[0.000 78 mg/(L·h)]。4组试验慢下降速率差异不显著。河流曲度的增加，缩短了总磷浓度快下降阶段的时长，增加了下降速率。河流曲度对上覆水总磷浓度快下降阶段影响显著，曲度越大，影响越显著。

表2 各组试验孔隙水取样点坐标 cm

图2 各组试验上覆水总磷浓度随时间的变化过程Fig.2 The changing process of total phosphorus concentration of overlying water over time in each group

图3中上覆水总磷浓度下降速率为平均下降速率(相邻两测点总磷浓度差与时间间隔的比值)。在试验前期，S1上覆水总磷浓度下降最快， S4下降最慢，4组试验上覆水总磷浓度下降速率的大小关系为：S1>S2>S3>S4。4组试验总磷下降速率与时间呈显著负指数关系(R2>0.91)，河流曲度小的试验较曲度大的试验R2更大，拟合程度更优。试验前期，S1的总磷浓度下降速率最大，随试验进行总磷浓度下降速率减小，并先后小于S2、S3、S4，临界时间分别为1.27、1.51、1.68 h。根据4组试验上覆水总磷浓度随时间变化的过程可知，试验前期高曲度河流总磷下降速率显著高于低曲度河流，高曲度河流有利于上覆水磷的去除[17]。

图3 各组试验上覆水总磷浓度下降速率随时间的变化过程Fig.3 The changing process of the rate of total phosphorus concentration in the overlying water over time in each group

2.2 孔隙水总磷浓度随时空变化特性

本文以S1、S4为例进行讨论， S2、S3的规律与S1相似。由图4可知， S1孔隙水总磷浓度随时空变化显著。试验进行0.17 h，各点孔隙水总磷浓度差异较显著，点1号比点2号大0.065 6 mg/L，点3号比点4号大0.067 8 mg/L，点5号比点6号大0.052 0 mg/L；试验进行4.76 h，不同取样点之间的孔隙水总磷浓度差较0.17 h减小，点1号比点2号大0.020 2 mg/L，点3号比点4号大0.017 5 mg/L，点5号比点6号大0.019 3 mg/L；试验进行48.00 h，各点孔隙水总磷浓度差小于0.001 97 mg/L。随着试验进行，各点孔隙水总磷浓度差异减小。在S4中，取样点1号的孔隙水总磷浓度大于点2号，点2号大于点3号，3点间的浓度差随时间减小，见图5。

图4 曲度2.2的人工河道孔隙水总磷浓度随时间的变化过程Fig.4 The changing process of total phosphorus concentration of pore water over time of artificial channel with a curvature of 2.2

图5 曲度1.0的人工河道孔隙水总磷浓度随时间的变化过程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，由于上覆水总磷浓度高于河岸的孔隙水，磷素通过横向扩散(紊动扩散和孔隙尺度下的微循环)从人工河道迁移到河岸[18]，因此点1号孔隙水与点2号存在随时间递减的浓度差，弯曲段存在对流交换(即弯曲的河岸引起剪切流扰动，水流流线弯曲，由此形成河岸表面的局部水压力梯度，诱导河岸纵向的孔隙对流[15])。人工河道中的水体流向河岸并在下游汇入人工河道，在河岸形成纵向潜流交换区。纵向潜流交换加速溶质向河岸运移，并导致河岸点3、4、5、6号等各点孔隙水总磷浓度差。而在S4中，河岸平整，不存在纵向潜流交换，S4中磷素的迁移过程主要受到横向扩散的影响，纵向潜流交换对河流溶质运移的作用显著大于横向扩散[18]。

对流交换引起的孔隙水流动在河岸中存在停滞性[19]，有利于泥沙对磷的吸附。高曲度河流较低曲度河流潜流交换面积更大，有更多的泥沙磷吸附过程受到影响。高曲度河流中，河岸的局部水压力梯度大，潜流交换强度大。因此，高曲度河流较低曲度河流其上覆水磷去除效率更高。

由于试验中河岸宽受限，各组试验沙的总量相近，且河道中的水体不断循环，因此不同曲度河流的上覆水总磷平衡浓度相近。然而，实际河流不是首尾相接的循环体，河道长度远超过试验河道，在有等量的外源磷输入时，经过相同距离的河段后，高曲度河流上覆水总磷浓度下降值将显著大于低曲度河流。

3 结 论

(1)上覆水总磷浓度下降过程可分为快、慢2个阶段，高曲度河流快下降阶段历时更短。快下降阶段，高曲度河流下降速率显著大于低曲度河流。河流曲度对快下降阶段上覆水磷去除的影响显著，曲度越大，影响越显著。上覆水总磷浓度去除效率随曲度增大而提高。

(2)河岸孔隙水总磷浓度存在时空变化特性。弯曲河流受纵向潜流交换和横向扩散影响，河岸各点孔隙水总磷浓度存在差异(1号>2号、3号>4号、5号>6号)；顺直河流受横向扩散影响，孔隙水总磷浓度沿远离河道的方向减小。孔隙水总磷浓度差随试验进行而减小。纵向潜流交换显著影响上覆水磷去除过程，曲度越大影响越显著，上覆水磷去除效率更高。