專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量測(cè)試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量的測(cè)試方法，同時(shí)還涉及適用于該測(cè)試方法的實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
污染物通過(guò)大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖刷等方式進(jìn)入河流與湖泊水體，其中相當(dāng)一部分沉積到底泥中并逐漸富集，河湖沉積物中積累的好氧性有機(jī)污染物、重金屬、 氮磷和各類(lèi)優(yōu)先有機(jī)污染物，其含量往往比背景值高出一至幾個(gè)數(shù)量級(jí)，成為污染物質(zhì)的重要聚集庫(kù)。污染物質(zhì)在沉積物中不是簡(jiǎn)單的累積，會(huì)通過(guò)一系列物理及生物化學(xué)過(guò)程影響水環(huán)境質(zhì)量。尤其是當(dāng)外部污染源得到有效控制后，沉積物中污染物質(zhì)向上覆水體釋放， 造成的內(nèi)源污染是造成水環(huán)境污染的重要原因之一。目前，內(nèi)源污染已成為一個(gè)全球性的威脅人類(lèi)和水生生態(tài)系統(tǒng)健康的環(huán)境問(wèn)題。定量研究積物水-泥界面污染物交換及內(nèi)源污染負(fù)荷是進(jìn)行水污染治理的基礎(chǔ)。因此，進(jìn)行河湖沉積物水-泥界面污染物通量的測(cè)試方法研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的河湖沉積物水-泥界面污染物通量的測(cè)定方法主要有質(zhì)量衡算法、孔隙水?dāng)U散模型法、表層底泥模擬法、柱狀芯樣模擬法和實(shí)地原位觀測(cè)法。質(zhì)量衡算法僅適用于湖泊，通過(guò)對(duì)所有出入湖量進(jìn)行收支平衡，從而估算來(lái)自湖泊內(nèi)源負(fù)荷，該法在沒(méi)有沉積物釋放數(shù)據(jù)時(shí)可以參用，但對(duì)于外源復(fù)雜的湖泊計(jì)算誤差較大，且不能知道湖區(qū)內(nèi)源分布；孔隙水?dāng)U散模型法需有形態(tài)離子的物化參數(shù)，還要掌握沉積物和界面上物質(zhì)在固液中的量及垂直分布，且孔隙水中污染物質(zhì)濃度的測(cè)定通常需要經(jīng)過(guò)離心、過(guò)濾、測(cè)試等步驟，操作較為繁瑣；表層底泥模擬法由于難以保證不破壞原底泥的表層物理狀態(tài)，其分析結(jié)果往往只可作為參考；柱狀芯樣模擬法可基本不破環(huán)沉積物形狀，但體系體積通常不能過(guò)大(一般小于3L)，易產(chǎn)生“壁效應(yīng)”;實(shí)地原位觀測(cè)法結(jié)果最接近實(shí)際情況，但不能改變環(huán)境條件，且費(fèi)用較高。因此，需要建立一種準(zhǔn)確、便捷，且能夠反映研究區(qū)域內(nèi)源分布的河湖底泥污染物通量的測(cè)試方法。本發(fā)明通過(guò)測(cè)定不同時(shí)間上覆水中污染物濃度的變化，利用擴(kuò)散理論和數(shù)學(xué)方法，得到河湖沉積物水-泥界面污染物通量隨時(shí)間的變化情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量測(cè)試方法，該方法通過(guò)多點(diǎn)取樣能夠獲得研究區(qū)域的內(nèi)源分布，且不需進(jìn)行底泥孔隙水提取即可獲得沉積物孔隙水中污染物質(zhì)濃度，本發(fā)明方法易行，操作方便，費(fèi)用低，結(jié)果可靠。本發(fā)明的另一個(gè)的目的是在于提供了一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，沉積物裝樣及水樣采集等操作均極方便。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施—種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量測(cè)試方法，其步驟是
A、底泥樣品采集與處理使用KH0201型彼得遜采泥器，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集底泥樣品2kg，剔除礫石、貝殼、動(dòng)植物殘?bào)w等雜物后，裝入聚氯乙烯袋避光保存；B、裝樣拆下法蘭盤(pán)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(yīng)小于5cm，在上部柱體法蘭盤(pán)與底座法蘭盤(pán)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、注水在底泥不沖懸浮的情況下，沿柱壁緩慢注入自來(lái)水至柱口 ；D、準(zhǔn)備對(duì)比樣在一不加底泥的實(shí)驗(yàn)裝置中注入自來(lái)水，作為空白對(duì)照；E、取樣將柱狀實(shí)驗(yàn)裝置置于ZY6002B型恒溫水箱內(nèi)，將水箱水溫設(shè)為實(shí)驗(yàn)需要的溫度(4 30°C)，維持柱體水溫(4 30°C)恒定，待柱體靜置24小時(shí)后開(kāi)始，打開(kāi)蝴蝶夾分5層分別取樣約20ml，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)不少于14d，I 9d取樣間隔為24h，9d后為 2d ；F、水樣分析采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法對(duì)水樣的中的污染物含量進(jìn)行測(cè)試；G、計(jì)算降解系數(shù)、本底濃度及I IOOcm內(nèi)不同深度上覆水濃度初值采用指數(shù)方程對(duì)柱體中距底泥界面不同深度的上覆水濃度隨時(shí)間(I 15d)的變化進(jìn)行擬合，推求污染物的降解系數(shù)、本底濃度及不同深度的濃度初值；H、計(jì)算底泥水相濃度初值及非平衡吸附項(xiàng)初始濃度由底泥中污染物運(yùn)移的雙點(diǎn)平衡/動(dòng)力學(xué)吸附方程，推求底泥中污染物的水相濃度初值及非平衡吸附項(xiàng)初始濃度；I、計(jì)算水-泥界面的污染物交換通量由費(fèi)克(Fick)定律推求水-泥界面的污染物交換通量表達(dá)式，將求得的水相濃度初值、降解系數(shù)以及依據(jù)底泥及污染物特性得到的污染物分子擴(kuò)散系數(shù)等代入交換通量表達(dá)式，即可得到不同時(shí)刻的水-泥界面的污染物交換通量。一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，包括恒溫水箱，還包括底板、底座壁、柱體、取樣裝置、上法蘭盤(pán)和下法蘭盤(pán)，底板固定在恒溫水箱底部，底座壁設(shè)置在底板上，底座壁上部設(shè)置有下法蘭盤(pán)，柱體一端設(shè)置有上法蘭盤(pán)，上法蘭盤(pán)上設(shè)置有上法蘭盤(pán)固定螺栓法蘭孔，下法蘭盤(pán)上設(shè)置有與上法蘭盤(pán)固定螺栓法蘭孔相適配的下法蘭盤(pán)固定螺栓法蘭孔，柱體通過(guò)上法蘭盤(pán)和下法蘭盤(pán)與底座壁密封連通，在柱體上設(shè)置有至少一個(gè)用于對(duì)柱體內(nèi)樣品進(jìn)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(shè)置柱體外壁上且一端與柱體內(nèi)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(shè)置有蝴蝶夾。如上所述的取樣裝置為五個(gè)，依次縱向設(shè)置在柱體上。如上所述的上法蘭盤(pán)和下法蘭盤(pán)之間設(shè)置有止水墊圈。如上所述的止水墊圈為橡膠材料，厚0. 3cm,內(nèi)徑16cm,外徑20cm。如上所述的底板為有機(jī)玻璃板，厚度0. 5cm,直徑20cm ;底座壁為有機(jī)玻璃管，高 IOcm,內(nèi)徑15cm,外徑16cm ;柱體為有機(jī)玻璃管，高90cm,內(nèi)徑15cm,外徑16cm ;上法蘭盤(pán)和下法蘭盤(pán)均為有機(jī)玻璃管材，內(nèi)徑均為16cm,外徑均為20cm,厚均為0. 5cm ;恒溫水箱高 100cm、長(zhǎng)100cm，寬50cm，采用厚度0. 2cm鋼板焊接而成，恒溫溫度控制范圍為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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果
I.適用于各種性狀的底泥，且適用于湖泊、河流等各種水體，具有廣泛的適用性；2.基于擴(kuò)散理論，采用數(shù)學(xué)方法推算出底泥孔隙水污染物質(zhì)濃度和底泥污染物釋放通量，不需經(jīng)過(guò)離心、過(guò)濾等沉積物孔隙水提取過(guò)程，亦不需測(cè)試孔隙水污染物質(zhì)濃度；3.通過(guò)測(cè)定一系列代表點(diǎn)的底泥污染物通量，即能獲得研究區(qū)域的內(nèi)源分布狀況；4.預(yù)設(shè)分層取樣管，使得取樣對(duì)上覆水基本不產(chǎn)生擾動(dòng)；5.采用可拆卸底座，使得實(shí)驗(yàn)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(jìn)行底泥裝樣和實(shí)驗(yàn)裝置清洗；6.外置恒溫水箱，可測(cè)定不同上覆水水溫條件下的底泥污染物通量。本發(fā)明為底泥污染物通量提供一種新的測(cè)試方法，創(chuàng)新性地基于擴(kuò)散理論直接推求底泥孔隙水污染物質(zhì)濃度和底泥污染物釋放通量，省去了沉積物中孔隙水提取及其污染物濃度測(cè)試的過(guò)程，極大的簡(jiǎn)化了測(cè)試步驟。同時(shí)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度進(jìn)行控制。申請(qǐng)者將試驗(yàn)成果與實(shí)地原位觀測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證理論的正確性。以武漢大學(xué)校內(nèi)星湖為研究對(duì)象。星湖水體深度約0. 7m,底泥主要由水生植物腐爛形成，屬于自然沼澤化形成的底泥，氮、磷及有機(jī)質(zhì)含量較高。2010年7月10日放空湖水后補(bǔ)充自來(lái)水。 將采取的星湖底泥采用本發(fā)明的方法進(jìn)行試驗(yàn)，并計(jì)算底泥污染物通量，與2010年7月11 日 7月25日原位觀測(cè)獲得的底泥污染物通量進(jìn)行比較，如附圖5 附圖7所示。從圖中可以看出，污染物通量計(jì)算值與水下原位模擬的實(shí)測(cè)值吻合較好。初始污染物交換通量較大，隨著時(shí)間增長(zhǎng)污染物交換通量逐漸減小，理論計(jì)算與原位觀測(cè)所反映的污染物交換通量變化情況是一致的，說(shuō)明所采用的數(shù)學(xué)模型是合理的，計(jì)算方法是可行的。


圖I為一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為所述的污染物通量測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置的A-A剖面圖；圖3為所述的污染物通量測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置的B-B剖面圖；圖4為所述的污染物通量測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置的C-C剖面圖；圖5為底泥COD通量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較圖；圖6為底泥TN通量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較圖；圖7為底泥TP通量實(shí)測(cè)值與計(jì)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(pán)7，下法蘭盤(pán)8，第一上法蘭盤(pán)固定螺栓孔9a、第二上法蘭盤(pán)固定螺栓孔 %、第三上法蘭盤(pán)固定螺栓孔9c、第四上法蘭盤(pán)固定螺栓孔9d、第五上法蘭盤(pán)固定螺栓孔 9e、第六上法蘭盤(pán)固定螺栓孔9f、第七上法蘭盤(pán)固定螺栓孔9g、第八上法蘭盤(pán)固定螺栓孔 9h，第一下法蘭盤(pán)固定螺栓孔0a、第二下法蘭盤(pán)固定螺栓孔10b、第三下法蘭盤(pán)固定螺栓孔 10c、第四下法蘭盤(pán)固定螺栓孔10d、第五下法蘭盤(pán)固定螺栓孔10e、第六下法蘭盤(pán)固定螺栓孔10f、第七下法蘭盤(pán)固定螺栓孔10g、第八下法蘭盤(pán)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，恒溫水箱14，底泥樣品15，上覆水16，恒溫水17。圖5 圖7中，初始污染物交換通量較大，隨著時(shí)間增長(zhǎng)污染物交換通量逐漸減小，理論計(jì)算與原位觀測(cè)所反映的污染物交換通量變化情況一致，污染物通量計(jì)算值與水下原位模擬的實(shí)測(cè)值吻合較好。圖8為一種1#點(diǎn)不同深度上覆水COD濃度隨時(shí)間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為28. 9mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為30cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為20. 3mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，do深度為50cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為14. 02mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為70cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為13. 24mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為90cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為12. 51mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。圖9為一種1#點(diǎn)不同深度上覆水TN濃度隨時(shí)間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為30. 29mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為30cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為20. 52mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為50cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為14mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為70cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為11. 96mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為90cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為9. 21mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。圖10為一種1#點(diǎn)不同深度上覆水TP濃度隨時(shí)間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為I. 391mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為30cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為I. 313mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為50cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為I. 194mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為70cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為I. 132mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為90cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為0. 954mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。圖11為一種2#點(diǎn)不同深度上覆水COD濃度隨時(shí)間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為31. 78mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為30cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為21. 26mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為50cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為16. 65mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為70cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為14. 84mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為90cm的上覆水中，COD濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為12. 48mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。圖12為一種2#點(diǎn)不同深度上覆水TN濃度隨時(shí)間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為16. 15mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為30cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為13. 75mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為50cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為14. 08mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為70cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為11. 96mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為90cm的上覆水中，TN濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為10. 38mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。圖13 —種2#點(diǎn)不同深度上覆水TP濃度隨時(shí)間變化情況示意圖。深度為IOcm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為I. 15mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為30cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為I. 077mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為50cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2天達(dá)到峰值，為1.09mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為70cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為I. 029mg/l，其后隨著時(shí)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(shí)間，d。深度為90cm的上覆水中，TP濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第I天達(dá)到峰值，為0. 987mg/l, 其后隨著時(shí)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(shí)間，d。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :—種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量測(cè)試方法其步驟是A、底泥樣品采集與處理1#采樣點(diǎn)位于京杭運(yùn)河江蘇常州段，坐標(biāo) 31° 3P 40.33 "，120° 0' 36. 98 " ;2#采樣點(diǎn)位于江蘇境內(nèi)的涌湖中，坐標(biāo) 31° 34' 58. 22"，119° 53' 56. 87"。使用KH0201型彼得遜采泥器，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集底泥樣品2kg，剔除礫石、貝殼、動(dòng)植物殘?bào)w等雜物后，裝入聚氯乙烯袋避光保存。B、裝樣拆下法蘭盤(pán)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，然后將上部柱體與底座用固定螺栓連接緊密；C、注水在底泥不沖懸浮的情況下，用虹吸法沿柱壁緩慢注入自來(lái)水至柱口，此時(shí) 5個(gè)取水口距底泥界面的深度分別為10cm、30cm、50cm、70cm及90cm。D、準(zhǔn)備對(duì)比樣在一不加底泥的有機(jī)玻璃柱中注入自來(lái)水，作為空白對(duì)照。
E、取樣待柱體靜置24小時(shí)后開(kāi)始，從5個(gè)分層取水口分別取樣約20ml，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為14d，l 9d取樣間隔為24h，9d后為2d，實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度控制在25°C左右。F、水樣分析取樣后立即對(duì)水樣進(jìn)行分析，分析項(xiàng)目包括COD、TN、TP，分析方法 COD采用重鉻酸鹽法，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP采用鑰酸銨分光光度法。G、計(jì)算降解系數(shù)、本底濃度及不同深度上覆水濃度初值25 °C恒溫靜態(tài)培養(yǎng)條件下1#樣和2#樣上覆水中污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(dá)到峰值，其后隨著時(shí)間的增加上覆水中濃度逐漸降低。對(duì)于同一深度的上覆水，其濃度變化符合指數(shù)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 為降解系數(shù)，1/d ；t為時(shí)間，d -,C1為本底濃度，mg/1。用式(I)對(duì)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(shí)間的變化進(jìn)行擬合，推出1#柱和2#柱C0D、TN、TP的降解系數(shù)、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降解系數(shù)、本底濃度及分層濃度初值
實(shí)驗(yàn) 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(jì)算底泥水相濃度初值及非平衡吸附項(xiàng)初始濃度底泥中污染物運(yùn)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為污染物在底泥水相中的濃度A1和S2分別為污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(diǎn)位占總吸附點(diǎn)位的比例；p為底泥體積密度；Kd為土壤一7jC分配系數(shù)；k為一階吸附解吸速率常數(shù)；D為彌散系數(shù)；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系數(shù)。
100097]求解底泥水相污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-泥界面的污染物交換通量 :
0100]αCS(h,t)/αt│h=0=0,t＞0
0101]αCS(h,t)/αt│h＞0=WS,t＞0
0102]底泥中污染物質(zhì)吸附與解吸為一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程:
0103]αCS/αt=-kCS
0104]則有
0105]Cs = Cs0ekt0106]對(duì)于水一泥界面，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]-Kθf(wàn)hS20S
0110] =C0γ水λcosλl
0111]由式(7)，得:
0112](kθ+λ2-k)S20S=kθ(1-f)kdC0S
0113]依據(jù)底泥及污染物特性得到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(xiàng)初始濃度。參數(shù)取值如表2所示
0114]表2計(jì)算參數(shù)取值
0115]
權(quán)利要求
1. 一種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量測(cè)試方法，其步驟是A、底泥樣品采集與處理使用彼得遜采泥器，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集底泥樣品，剔除礫石、 貝殼、動(dòng)植物殘?bào)w雜物后，裝入聚氯乙烯袋避光保存；B、裝樣拆下法蘭盤(pán)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(yīng)小于5cm，在上部柱體法蘭盤(pán)與底座法蘭盤(pán)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、注水在底泥不沖懸浮的情況下，用沿柱壁緩慢注入自來(lái)水至柱口；D、準(zhǔn)備對(duì)比樣在一不加底泥的實(shí)驗(yàn)裝置中注入自來(lái)水，作為空白對(duì)照；E、取樣將柱狀實(shí)驗(yàn)裝置置于恒溫水箱內(nèi)，將水箱水溫設(shè)為實(shí)驗(yàn)的溫度4 30°C，維持柱體水溫4 30°C恒定，待柱體靜置24小時(shí)后開(kāi)始，打開(kāi)蝴蝶夾分5層分別取樣20ml，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)不少于14d，l 9d取樣間隔為24h，9d后為2d ；F、水樣分析采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法對(duì)水樣中污染物含量進(jìn)行測(cè)試；G、計(jì)算降解系數(shù)、本底濃度及IOOcm內(nèi)不同深度上覆水濃度初值采用指數(shù)方程對(duì)柱體中距底泥界面不同深度的上覆水濃度隨時(shí)間I 15d的變化進(jìn)行擬合，推求污染物的降解系數(shù)、本底濃度及不同深度的濃度初值；H、計(jì)算底泥水相濃度初值及非平衡吸附項(xiàng)初始濃度由底泥中污染物運(yùn)移的雙點(diǎn)平衡 /動(dòng)力學(xué)吸附方程，推求底泥中污染物質(zhì)的水相濃度初值及非平衡吸附項(xiàng)初始濃度；I、計(jì)算水-泥界面的污染物交換通量由費(fèi)克定律推求水-泥界面的污染物交換通量表達(dá)式，將求得的水相濃度初值、降解系數(shù)以及依據(jù)底泥及污染物得到的污染物分子擴(kuò)散系數(shù)等代入交換通量表達(dá)式，得到不同時(shí)刻的水-泥界面的污染物交換通量。
2.權(quán)利要求I所述的一種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，包括恒溫水箱(14)，其特征在于還包括底板(I)、底座壁(2)、柱體(3)、取樣裝置、上法蘭盤(pán)(7)和下法蘭盤(pán)(8)，底板⑴固定在恒溫水箱(14)底部，底座壁(2)設(shè)置在底板⑴上， 底座壁(2)上部設(shè)置有下法蘭盤(pán)(8)，柱體(3) —端設(shè)置有上法蘭盤(pán)(7)，上法蘭盤(pán)(7)上設(shè)置有上法蘭盤(pán)固定螺栓法蘭孔，下法蘭盤(pán)(8)上設(shè)置有與上法蘭盤(pán)固定螺栓法蘭孔相適配的下法蘭盤(pán)固定螺栓法蘭孔，柱體(3)通過(guò)上法蘭盤(pán)(7)和下法蘭盤(pán)(8)與底座壁(2) 密封連通，在柱體(3)上設(shè)置有至少一個(gè)用于對(duì)柱體(3)內(nèi)樣品進(jìn)行取樣的取樣裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的取樣裝置包括取樣管、橡膠軟管和蝴蝶夾，取樣管設(shè)置柱體(3)外壁上且一端與柱體(3)內(nèi)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(shè)置有蝴蝶夾。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的取樣裝置為五個(gè)，依次縱向設(shè)置在柱體(3)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的上法蘭盤(pán)(7)和下法蘭盤(pán)(8)之間設(shè)置有止水墊圈(11)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的止水墊圈(11)為橡膠材料，厚O. 3cm,內(nèi)徑16cm,外徑20cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述的底板(I)為有機(jī)玻璃板，厚度O. 5cm，直徑20cm;底座壁(2)為有機(jī)玻璃管，高10cm，內(nèi)徑15cm，外徑16cm ;柱體⑶為有機(jī)玻璃管，高90cm，內(nèi)徑15cm，外徑16cm ； 上法蘭盤(pán)(7)和下法蘭盤(pán)(8)均為有機(jī)玻璃管材，內(nèi)徑均為16cm，外徑均為20cm，厚均為 O. 5cm ;恒溫水箱(14)高100cm、長(zhǎng)100cm,寬50cm，米用厚度O. 2cm鋼板焊接而成,恒溫溫度控制范圍為O 40°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種河湖沉積物水-泥界面污染物通量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于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(fā)明公開(kāi)了一種基于擴(kuò)散理論的河湖底泥污染物通量測(cè)試方法及裝置，步驟是A、采集底泥樣品；B、將底泥裝入實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置中注入自來(lái)水；E、靜置，持續(xù)一定時(shí)間；F、測(cè)定所取水樣的污染物濃度；G、計(jì)算上覆水中污染物的降解系數(shù)；H、計(jì)算底泥水相濃度初值；I、計(jì)算水-泥界面的污染物交換通量。底板固定在恒溫水箱底部，底座壁設(shè)置在底板上，底座壁上部設(shè)置有下法蘭盤(pán)，柱體一端設(shè)置有上法蘭盤(pán)，上法蘭盤(pán)上設(shè)置有上法蘭盤(pán)固定螺栓法蘭孔。本發(fā)明方法易行，操作方便，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，沉積物裝樣及水樣采集等操作均極方便具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102590479SQ20121004924
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者張萬(wàn)順, 彭虹, 楊寅群 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)