一種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試方法及裝置的製作方法

2023-05-22 10:38:06

專利名稱：一種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及水環境監測領域，更具體涉及一種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量的測試方法，同時還涉及適用於該測試方法的實驗裝置。
背景技術：
汙染物通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與衝刷等方式進入河流與湖泊水體，其中相當一部分沉積到底泥中並逐漸富集，河湖沉積物中積累的好氧性有機汙染物、重金屬、 氮磷和各類優先有機汙染物，其含量往往比背景值高出一至幾個數量級，成為汙染物質的重要聚集庫。汙染物質在沉積物中不是簡單的累積，會通過一系列物理及生物化學過程影響水環境質量。尤其是當外部汙染源得到有效控制後，沉積物中汙染物質向上覆水體釋放， 造成的內源汙染是造成水環境汙染的重要原因之一。目前，內源汙染已成為一個全球性的威脅人類和水生生態系統健康的環境問題。定量研究積物水-泥界面汙染物交換及內源汙染負荷是進行水汙染治理的基礎。因此，進行河湖沉積物水-泥界面汙染物通量的測試方法研究具有重要的理論和現實意義。傳統的河湖沉積物水-泥界面汙染物通量的測定方法主要有質量衡算法、孔隙水擴散模型法、表層底泥模擬法、柱狀芯樣模擬法和實地原位觀測法。質量衡算法僅適用於湖泊，通過對所有出入湖量進行收支平衡，從而估算來自湖泊內源負荷，該法在沒有沉積物釋放數據時可以參用，但對於外源複雜的湖泊計算誤差較大，且不能知道湖區內源分布；孔隙水擴散模型法需有形態離子的物化參數，還要掌握沉積物和界面上物質在固液中的量及垂直分布，且孔隙水中汙染物質濃度的測定通常需要經過離心、過濾、測試等步驟，操作較為繁瑣；表層底泥模擬法由於難以保證不破壞原底泥的表層物理狀態，其分析結果往往只可作為參考；柱狀芯樣模擬法可基本不破環沉積物形狀，但體系體積通常不能過大(一般小於3L)，易產生「壁效應」;實地原位觀測法結果最接近實際情況，但不能改變環境條件，且費用較高。因此，需要建立一種準確、便捷，且能夠反映研究區域內源分布的河湖底泥汙染物通量的測試方法。本發明通過測定不同時間上覆水中汙染物濃度的變化，利用擴散理論和數學方法，得到河湖沉積物水-泥界面汙染物通量隨時間的變化情況。

發明內容
本發明的目的在於提供了一種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試方法，該方法通過多點取樣能夠獲得研究區域的內源分布，且不需進行底泥孔隙水提取即可獲得沉積物孔隙水中汙染物質濃度，本發明方法易行，操作方便，費用低，結果可靠。本發明的另一個的目的是在於提供了一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，該實驗裝置結構合理、簡單，沉積物裝樣及水樣採集等操作均極方便。實驗裝置結構合理、簡單，具有顯著的經濟效益。為了實現上述目的，本發明採用以下技術措施—種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試方法，其步驟是
A、底泥樣品採集與處理使用KH0201型彼得遜採泥器，在每個採樣點採集底泥樣品2kg，剔除礫石、貝殼、動植物殘體等雜物後，裝入聚氯乙烯袋避光保存；B、裝樣拆下法蘭盤固定螺栓，取下底座，將底泥裝入底座中，小心抹平泥面，使泥面水平，底泥厚度不應小於5cm，在上部柱體法蘭盤與底座法蘭盤間放置止水墊圈，將上部柱體與底座用固定螺栓連接緊密；C、注水在底泥不衝懸浮的情況下，沿柱壁緩慢注入自來水至柱口 ；D、準備對比樣在一不加底泥的實驗裝置中注入自來水，作為空白對照；E、取樣將柱狀實驗裝置置於ZY6002B型恆溫水箱內，將水箱水溫設為實驗需要的溫度(4 30°C)，維持柱體水溫(4 30°C)恆定，待柱體靜置24小時後開始，打開蝴蝶夾分5層分別取樣約20ml，實驗持續時間應不少於14d，I 9d取樣間隔為24h，9d後為 2d ；F、水樣分析採用符合國家標準的測試方法對水樣的中的汙染物含量進行測試；G、計算降解係數、本底濃度及I IOOcm內不同深度上覆水濃度初值採用指數方程對柱體中距底泥界面不同深度的上覆水濃度隨時間(I 15d)的變化進行擬合，推求汙染物的降解係數、本底濃度及不同深度的濃度初值；H、計算底泥水相濃度初值及非平衡吸附項初始濃度由底泥中汙染物運移的雙點平衡/動力學吸附方程，推求底泥中汙染物的水相濃度初值及非平衡吸附項初始濃度；I、計算水-泥界面的汙染物交換通量由費克(Fick)定律推求水-泥界面的汙染物交換通量表達式，將求得的水相濃度初值、降解係數以及依據底泥及汙染物特性得到的汙染物分子擴散係數等代入交換通量表達式，即可得到不同時刻的水-泥界面的汙染物交換通量。一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，包括恆溫水箱，還包括底板、底座壁、柱體、取樣裝置、上法蘭盤和下法蘭盤，底板固定在恆溫水箱底部，底座壁設置在底板上，底座壁上部設置有下法蘭盤，柱體一端設置有上法蘭盤，上法蘭盤上設置有上法蘭盤固定螺栓法蘭孔，下法蘭盤上設置有與上法蘭盤固定螺栓法蘭孔相適配的下法蘭盤固定螺栓法蘭孔，柱體通過上法蘭盤和下法蘭盤與底座壁密封連通，在柱體上設置有至少一個用於對柱體內樣品進行取樣的取樣裝置。如上所述的取樣裝置包括取樣管、橡膠軟管和蝴蝶夾，取樣管設置柱體外壁上且一端與柱體內部連通，另一端伸出柱體外與橡膠軟管的一端連接，橡膠軟管上設置有蝴蝶夾。如上所述的取樣裝置為五個，依次縱向設置在柱體上。如上所述的上法蘭盤和下法蘭盤之間設置有止水墊圈。如上所述的止水墊圈為橡膠材料，厚0. 3cm,內徑16cm,外徑20cm。如上所述的底板為有機玻璃板，厚度0. 5cm,直徑20cm ;底座壁為有機玻璃管，高 IOcm,內徑15cm,外徑16cm ;柱體為有機玻璃管，高90cm,內徑15cm,外徑16cm ;上法蘭盤和下法蘭盤均為有機玻璃管材，內徑均為16cm,外徑均為20cm,厚均為0. 5cm ;恆溫水箱高 100cm、長100cm，寬50cm，採用厚度0. 2cm鋼板焊接而成，恆溫溫度控制範圍為0 40°C。如上所述的取樣裝置依次距離柱體的底部的距離為85cm、65cm、45cm、25cm、5cm。本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果
I.適用於各種性狀的底泥，且適用於湖泊、河流等各種水體，具有廣泛的適用性；2.基於擴散理論，採用數學方法推算出底泥孔隙水汙染物質濃度和底泥汙染物釋放通量，不需經過離心、過濾等沉積物孔隙水提取過程，亦不需測試孔隙水汙染物質濃度；3.通過測定一系列代表點的底泥汙染物通量，即能獲得研究區域的內源分布狀況；4.預設分層取樣管，使得取樣對上覆水基本不產生擾動；5.採用可拆卸底座，使得實驗裝置在滿足模擬較大深度上覆水的情況下，仍能夠方便的進行底泥裝樣和實驗裝置清洗；6.外置恆溫水箱，可測定不同上覆水水溫條件下的底泥汙染物通量。本發明為底泥汙染物通量提供一種新的測試方法，創新性地基於擴散理論直接推求底泥孔隙水汙染物質濃度和底泥汙染物釋放通量，省去了沉積物中孔隙水提取及其汙染物濃度測試的過程，極大的簡化了測試步驟。同時，設計的實驗裝置結構簡單，操作方便，可以對實驗時的溫度進行控制。申請者將試驗成果與實地原位觀測成果進行對比，以驗證理論的正確性。以武漢大學校內星湖為研究對象。星湖水體深度約0. 7m,底泥主要由水生植物腐爛形成，屬於自然沼澤化形成的底泥，氮、磷及有機質含量較高。2010年7月10日放空湖水後補充自來水。 將採取的星湖底泥採用本發明的方法進行試驗，並計算底泥汙染物通量，與2010年7月11 日 7月25日原位觀測獲得的底泥汙染物通量進行比較，如附圖5 附圖7所示。從圖中可以看出，汙染物通量計算值與水下原位模擬的實測值吻合較好。初始汙染物交換通量較大，隨著時間增長汙染物交換通量逐漸減小，理論計算與原位觀測所反映的汙染物交換通量變化情況是一致的，說明所採用的數學模型是合理的，計算方法是可行的。


圖I為一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置結構示意圖；圖2為所述的汙染物通量測試實驗裝置的A-A剖面圖；圖3為所述的汙染物通量測試實驗裝置的B-B剖面圖；圖4為所述的汙染物通量測試實驗裝置的C-C剖面圖；圖5為底泥COD通量實測值與計算值比較圖；圖6為底泥TN通量實測值與計算值比較圖；圖7為底泥TP通量實測值與計算值比較圖。圖I 圖4中,底板I,底座壁2,柱體3,第一取樣管4a、第二取樣管4b、第三取樣管4c、第四取樣管4d、第五取樣管4e，第一橡膠軟管5a、第二橡膠軟5b、第三橡膠軟5c、第四橡膠軟5d、第五橡膠軟5e，第一蝴蝶夾6a、第二蝴蝶6b、第三蝴蝶6c、第四蝴蝶Gd、第五蝴蝶6e，上法蘭盤7，下法蘭盤8，第一上法蘭盤固定螺栓孔9a、第二上法蘭盤固定螺栓孔 %、第三上法蘭盤固定螺栓孔9c、第四上法蘭盤固定螺栓孔9d、第五上法蘭盤固定螺栓孔 9e、第六上法蘭盤固定螺栓孔9f、第七上法蘭盤固定螺栓孔9g、第八上法蘭盤固定螺栓孔 9h，第一下法蘭盤固定螺栓孔0a、第二下法蘭盤固定螺栓孔10b、第三下法蘭盤固定螺栓孔 10c、第四下法蘭盤固定螺栓孔10d、第五下法蘭盤固定螺栓孔10e、第六下法蘭盤固定螺栓孔10f、第七下法蘭盤固定螺栓孔10g、第八下法蘭盤固定螺栓孔10h，11止水墊圈，第一止水墊圈固定螺栓孔12a、第二止水墊圈固定螺栓孔12b、第三止水墊圈固定螺栓孔12c、第四止水墊圈固定螺栓孔12d、第五止水墊圈固定螺栓孔12e、第六止水墊圈固定螺栓孔12f、第七止水墊圈固定螺栓孔12g、第八止水墊圈固定螺栓孔12h，第一固定螺栓13a、第二固定螺栓13b、第三固定螺栓13c、第四固定螺栓13d、第五固定螺栓13e、第六固定螺栓13f、第七固定螺栓13g、第八固定螺栓13h固定螺栓，恆溫水箱14，底泥樣品15，上覆水16，恆溫水17。圖5 圖7中，初始汙染物交換通量較大，隨著時間增長汙染物交換通量逐漸減小，理論計算與原位觀測所反映的汙染物交換通量變化情況一致，汙染物通量計算值與水下原位模擬的實測值吻合較好。圖8為一種1#點不同深度上覆水COD濃度隨時間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為28. 9mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低，濃度變化符合式C = 24e_°_m+5。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為30cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為20. 3mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 19e_°_m+5。式中，C 為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，do深度為50cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為14. 02mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 12e_°_m+5。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為70cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為13. 24mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= lle_°_m+5。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為90cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為12. 51mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 10e_°_m+5。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。圖9為一種1#點不同深度上覆水TN濃度隨時間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為30. 29mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = 30e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為30cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為20. 52mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 19e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為50cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為14mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = 13e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為70cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為11. 96mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 10e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為90cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為9. 21mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = 8e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。圖10為一種1#點不同深度上覆水TP濃度隨時間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為I. 391mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 97e_°_°5t+0. 45。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為30cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為I. 313mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 89e_°_°5t+0. 45。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為50cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為I. 194mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合C = O. 77e_°_°5t+0. 45式。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為70cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為I. 132mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 74e_°_°5t+0. 45。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為90cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為0. 954mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 53e_°_°5t+0. 45。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。圖11為一種2#點不同深度上覆水COD濃度隨時間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為31. 78mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = 30e_°_m+6。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為30cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為21. 26mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 19e-°_m+6。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為50cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為16. 65mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 13e_°_m+6。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為70cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為14. 84mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 10e_°_m+6。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為90cm的上覆水中，COD濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為12. 48mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中COD濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = 8e_°_m+6。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。圖12為一種2#點不同深度上覆水TN濃度隨時間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為16. 15mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 15e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為30cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為13. 75mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 12e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為50cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為14. 08mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 13e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為70cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為11. 96mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C= 10e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為90cm的上覆水中，TN濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為10. 38mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TN濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = 8e_°_nt+3。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。圖13 —種2#點不同深度上覆水TP濃度隨時間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為I. 15mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = 0. 9e_°_°7t+0. 32。式中， C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為30cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為I. 077mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 85e_°_°7t+0. 32。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為50cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第2天達到峰值，為1.09mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 84e_°_°7t+0. 32。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為70cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為I. 029mg/l，其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 72e_°_°7t+0. 32。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。深度為90cm的上覆水中，TP濃度在實驗開始後第I天達到峰值，為0. 987mg/l, 其後隨著時間的增加上覆水中TP濃度逐漸降低。濃度變化符合式C = O. 7e_°_m+0. 32。式中，C為上覆水濃度，mg/1 ；t為時間，d。
具體實施例方式實施例I :—種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試方法其步驟是A、底泥樣品採集與處理1#採樣點位於京杭運河江蘇常州段，坐標 31° 3P 40.33 "，120° 0' 36. 98 " ;2#採樣點位於江蘇境內的湧湖中，坐標 31° 34' 58. 22"，119° 53' 56. 87"。使用KH0201型彼得遜採泥器，在每個採樣點採集底泥樣品2kg，剔除礫石、貝殼、動植物殘體等雜物後，裝入聚氯乙烯袋避光保存。B、裝樣拆下法蘭盤固定螺栓，取下底座，將底泥裝入底座中，小心抹平泥面，使泥面水平，底泥厚度約5cm，然後將上部柱體與底座用固定螺栓連接緊密；C、注水在底泥不衝懸浮的情況下，用虹吸法沿柱壁緩慢注入自來水至柱口，此時 5個取水口距底泥界面的深度分別為10cm、30cm、50cm、70cm及90cm。D、準備對比樣在一不加底泥的有機玻璃柱中注入自來水，作為空白對照。
E、取樣待柱體靜置24小時後開始，從5個分層取水口分別取樣約20ml，實驗持續時間為14d，l 9d取樣間隔為24h，9d後為2d，實驗時溫度控制在25°C左右。F、水樣分析取樣後立即對水樣進行分析，分析項目包括COD、TN、TP，分析方法 COD採用重鉻酸鹽法，TN採用鹼性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP採用鑰酸銨分光光度法。G、計算降解係數、本底濃度及不同深度上覆水濃度初值25 °C恆溫靜態培養條件下1#樣和2#樣上覆水中汙染物濃度變化情況如圖2 圖 7所示。由圖可知，在前I 2天上覆水中濃度快速達到峰值，其後隨著時間的增加上覆水中濃度逐漸降低。對於同一深度的上覆水，其濃度變化符合指數方程C = C0e-kt+Q(I)式中C為上覆水在第t天的濃度值，mg/1 ；C0為該層上覆水濃度值初值，mg/1 ；k 為降解係數，1/d ；t為時間，d -,C1為本底濃度，mg/1。用式(I)對1#和2#柱體中距底泥界面深度為10cm、30cm及50cm的上覆水濃度隨時間的變化進行擬合，推出1#柱和2#柱C0D、TN、TP的降解係數、本底濃度及不同深度上覆水濃度初值，如表2. 3-1所示。表I降解係數、本底濃度及分層濃度初值
實驗 組深度 (cm)CODTNTPC0 (mg/1)C1 (mg/1)k (1/d)C0 (mg/1)C1 (mg/1)k (1/d)C0 (mg/1)C1 (mg/1)k (1/d)1#102450.173030.110.970.450.073019190.895012130.771030150.92#301960.171330.110.850.320.075013120.84
H、計算底泥水相濃度初值及非平衡吸附項初始濃度底泥中汙染物運移的控制方程為
d(e+fPKd)cs _ d dt dh
-k6p[(\-f)KdCs-S,
Sl=JKdCs dS,
QD
SCs
~dh
-e\c
dqCs
dh
-JpKACs
(2)
dt
k9[(\-f)KdCs 式中CS為汙染物在底泥水相中的濃度A1和S2分別為汙染物在平衡和非平衡吸附相上的吸附濃度；e為體積含水率；f為平衡吸附交換點位佔總吸附點位的比例；p為底泥體積密度；Kd為土壤一7jC分配係數；k為一階吸附解吸速率常數；D為彌散係數；h為底泥深度彳p X2和X3分別為水相、平衡吸附相和非平衡吸附相的一階降解速率係數。
100097]求解底泥水相汙染物濃度的初始條件為；
0098]C (h, t)│t=0= = 0 = S1 (h, t) t = 0 = S2 (h, t) │t =0
0099]邊界條件為水-泥界面的汙染物交換通量 :
0100]αCS(h,t)/αt│h=0=0,t＞0
0101]αCS(h,t)/αt│h＞0=WS,t＞0
0102]底泥中汙染物質吸附與解吸為一級反應動力學過程:
0103]αCS/αt=-kCS
0104]則有
0105]Cs = Cs0ekt0106]對於水一泥界面，有:
0107]WSekt= C0γ水λcosZ│z-l=C0γ水λcosλl
0108]將式(7)代入式(5)，得
0109]C0S[-θhk2+fpkdhk+kθpkdh(1-f)+θλlh+fpkdλ2h]-KθfhS20S
0110] =C0γ水λcosλl
0111]由式(7)，得:
0112](kθ+λ2-k)S20S=kθ(1-f)kdC0S
0113]依據底泥及汙染物特性得到θ、p、f、kd、k、λ1、 λ2及γ水，即可求得底泥水相濃度初值C0S及非平衡吸附項初始濃度。參數取值如表2所示
0114]表2計算參數取值
0115]
權利要求
1. 一種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試方法，其步驟是A、底泥樣品採集與處理使用彼得遜採泥器，在每個採樣點採集底泥樣品，剔除礫石、 貝殼、動植物殘體雜物後，裝入聚氯乙烯袋避光保存；B、裝樣拆下法蘭盤固定螺栓，取下底座，將底泥裝入底座中，抹平泥面，使泥面水平， 底泥厚度不應小於5cm，在上部柱體法蘭盤與底座法蘭盤間放置止水墊圈，將上部柱體與底座用固定螺栓連接緊密；C、注水在底泥不衝懸浮的情況下，用沿柱壁緩慢注入自來水至柱口；D、準備對比樣在一不加底泥的實驗裝置中注入自來水，作為空白對照；E、取樣將柱狀實驗裝置置於恆溫水箱內，將水箱水溫設為實驗的溫度4 30°C，維持柱體水溫4 30°C恆定，待柱體靜置24小時後開始，打開蝴蝶夾分5層分別取樣20ml，實驗持續時間應不少於14d，l 9d取樣間隔為24h，9d後為2d ；F、水樣分析採用符合國家標準的測試方法對水樣中汙染物含量進行測試；G、計算降解係數、本底濃度及IOOcm內不同深度上覆水濃度初值採用指數方程對柱體中距底泥界面不同深度的上覆水濃度隨時間I 15d的變化進行擬合，推求汙染物的降解係數、本底濃度及不同深度的濃度初值；H、計算底泥水相濃度初值及非平衡吸附項初始濃度由底泥中汙染物運移的雙點平衡 /動力學吸附方程，推求底泥中汙染物質的水相濃度初值及非平衡吸附項初始濃度；I、計算水-泥界面的汙染物交換通量由費克定律推求水-泥界面的汙染物交換通量表達式，將求得的水相濃度初值、降解係數以及依據底泥及汙染物得到的汙染物分子擴散係數等代入交換通量表達式，得到不同時刻的水-泥界面的汙染物交換通量。
2.權利要求I所述的一種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試的實驗裝置，包括恆溫水箱(14)，其特徵在於還包括底板(I)、底座壁(2)、柱體(3)、取樣裝置、上法蘭盤(7)和下法蘭盤(8)，底板⑴固定在恆溫水箱(14)底部，底座壁(2)設置在底板⑴上， 底座壁(2)上部設置有下法蘭盤(8)，柱體(3) —端設置有上法蘭盤(7)，上法蘭盤(7)上設置有上法蘭盤固定螺栓法蘭孔，下法蘭盤(8)上設置有與上法蘭盤固定螺栓法蘭孔相適配的下法蘭盤固定螺栓法蘭孔，柱體(3)通過上法蘭盤(7)和下法蘭盤(8)與底座壁(2) 密封連通，在柱體(3)上設置有至少一個用於對柱體(3)內樣品進行取樣的取樣裝置。
3.根據權利要求2所述的一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，其特徵在於所述的取樣裝置包括取樣管、橡膠軟管和蝴蝶夾，取樣管設置柱體(3)外壁上且一端與柱體(3)內部連通，另一端伸出柱體(3)外與橡膠軟管的一端連接，橡膠軟管上設置有蝴蝶夾。
4.根據權利要求3所述的一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，其特徵在於所述的取樣裝置為五個，依次縱向設置在柱體(3)上。
5.根據權利要求2所述的一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，其特徵在於所述的上法蘭盤(7)和下法蘭盤(8)之間設置有止水墊圈(11)。
6.根據權利要求5所述的一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，其特徵在於所述的止水墊圈(11)為橡膠材料，厚O. 3cm,內徑16cm,外徑20cm。
7.根據權利要求2所述的一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，其特徵在於所述的底板(I)為有機玻璃板，厚度O. 5cm，直徑20cm;底座壁(2)為有機玻璃管，高10cm，內徑15cm，外徑16cm ;柱體⑶為有機玻璃管，高90cm，內徑15cm，外徑16cm ； 上法蘭盤(7)和下法蘭盤(8)均為有機玻璃管材，內徑均為16cm，外徑均為20cm，厚均為 O. 5cm ;恆溫水箱(14)高100cm、長100cm,寬50cm，米用厚度O. 2cm鋼板焊接而成,恆溫溫度控制範圍為O 40°C。
8.根據權利要求3所述的一種河湖沉積物水-泥界面汙染物通量測試的實驗裝置，其特徵在於所述的取樣裝置依次距離柱體(3)的底部的距離為85cm、65cm、45cm、25cm、5cm。
全文摘要
本發明公開了一種基於擴散理論的河湖底泥汙染物通量測試方法及裝置，步驟是A、採集底泥樣品；B、將底泥裝入實驗裝置的底座中，使泥面水平；C、沿柱壁緩慢注水至柱口；D、在不加底泥的實驗裝置中注入自來水；E、靜置，持續一定時間；F、測定所取水樣的汙染物濃度；G、計算上覆水中汙染物的降解係數；H、計算底泥水相濃度初值；I、計算水-泥界面的汙染物交換通量。底板固定在恆溫水箱底部，底座壁設置在底板上，底座壁上部設置有下法蘭盤，柱體一端設置有上法蘭盤，上法蘭盤上設置有上法蘭盤固定螺栓法蘭孔。本發明方法易行，操作方便，實驗裝置結構合理、簡單，沉積物裝樣及水樣採集等操作均極方便具有顯著的經濟效益。
文檔編號G01N33/24GK102590479SQ20121004924
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者張萬順, 彭虹, 楊寅群 申請人:武漢大學