【摘 要】
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由于多年的排放,河口和近海的底泥中往往沉积了大量的砷、锌、铜、铅等污染物。微粒是这些污染物的重要载体,它具有比表面积大、吸附性强以及易于迁移的特点,因而对污染物的
【出 处】
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中国科学院研究生院 中国科学院大学
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由于多年的排放,河口和近海的底泥中往往沉积了大量的砷、锌、铜、铅等污染物。微粒是这些污染物的重要载体,它具有比表面积大、吸附性强以及易于迁移的特点,因而对污染物的输移具有重要作用。上覆水体中波浪的作用会使得吸附于底泥的微粒和污染物重新释放并迁移,造成水环境的再污染。目前这方面研究还较少,其主要难点在于一方面对底泥中微粒的释放迁移规律认识还不够,另一方面需要考虑上覆水体和底泥的耦合。本文基于孔隙网络模型研究了多孔介质中微粒迁移过程并发展了释放、吸附以及弥散相关系数的推算方法。并由此建立水体和底泥耦合的流动和微粒输移模型,对波浪作用下底泥中微粒的释放迁移进行了研究。
首先建立了基于孔隙网络模型的微粒追踪方法并用其模拟了孔隙尺度上微粒在多孔介质中的迁移、俘获和释放等过程。主要考虑了间隙水流速、孔隙度、孔隙空间的连通性等参数对微粒迁移、俘获和释放过程的影响。探讨了微粒俘获的机制、微粒俘获对多孔介质渗透性的影响以及多孔介质对微粒的滞留作用等问题。此外,在孔隙尺度的模拟基础上,本文发展了一种获取宏观尺度上俘获速率、释放速率和弥散系数等参数的方法,通过该方法可以为下一步大尺度的模拟提供必要的输入参数,解决在大尺度模型中反映微粒吸附动力学特征的问题。
其次在宏观尺度上,本文模拟了多孔介质--水体耦合场中的微粒迁移,考虑了上覆水体中波浪运动对底泥中微粒的释放、迁移过程的影响。相关数值模拟是利用实验室已有的基于开源流体力学计算软件OpenFOAM的数值波浪水槽进行的,在实现水体--底泥多孔介质流动实时耦合的基础上加入微粒输移移对流弥散方程求解模块,可以模拟水体--底泥耦合流动和微粒迁移。本文着重探讨了波高和底泥的孔隙率等参数对水体--底泥界面上的微粒通量、微粒迁移高度等的影响,分析了微粒在波浪诱导作用下的向上迁移规律。通过模拟发现了波浪作用下底泥中微粒的不对称弥散,底泥中一定深度下微粒源向上释放迁移的临界波高等。以上研究有利于拓宽人们对近岸环境水体污染的认识和进一步研究的思路。
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