一种基于自研装置的河口重金属迁移及通量模拟方法与流程

本发明属于水污染研究，尤其涉及一种基于自研装置的河口重金属迁移及通量模拟方法。

背景技术：

1、河口区域具有径流、潮汐和波浪等多种动力过程，水动力条件复杂多变。已有研究或发明较少涉及水动力条件对重金属分布的影响及相关机制，大多数研究基于沉积物理化性质分析河口重金属的分布规律；或者研究区域集中于水动力条件简单的河流，不适用于水动力复杂的河口，而河口往往是重金属污染较为严重的区域。

2、水体中的重金属以溶解态、颗粒态和赋存于沉积物这3种形式存在，但是现有技术仅考虑了溶解态和颗粒态，未考虑沉积物。对于污染严重的区域，沉积物重金属对水体中重金属通量的影响很大，不可忽视。并且水体理化性质对重金属的迁移行为和通量影响很大，现有技术未考虑此类水质的影响。

3、由于未考虑沉积物对通量的影响，因此现有技术只采用了一维对流扩散模型，仅能模拟河流中重金属的横向迁移过程，无法模拟重金属在横向、纵向和垂向等多维度的迁移转化行为以及通量。

4、授权公告号为cn114660236b的专利公开了沉积物扰动实验装置，能够在室内模拟自然情形下的动力扰动过程，通过简单的操作实现了对切应力大小的精确控制和量化表征，可用于分析水体中多次动力扰动的复杂环境下不同重金属在沉积物-水界面间的迁移释放规律与机制。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于自研装置的河口重金属迁移及通量模拟方法，基于室内沉积物扰动实验结果，合理地简化水质过程，并确定关键参数的取值，以构建出简单且可靠的水质模型。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于自研装置的河口重金属迁移及通量模拟方法，包括以下步骤：

4、s1.采集研究区域的上覆水样品和沉积物柱状样，测定水体和沉积物的理化性质及重金属含量，并收集水动力模型和水质模型所需的参数信息；

5、s2.采用沉积物扰动实验装置，开展室内沉积物扰动模拟实验，获取切应力与搅拌桨转速之间的定量关系，通过设置多个切应力等级，对所采集的沉积物柱状样进行包括沉积物再悬浮实验和静置实验的室内模拟，建立不同水动力条件下重金属在溶解态、颗粒态和沉积物三者之间的迁移行为关系；

6、s3.基于所收集的数据构建三维水动力模型并对其进行验证；

7、s4.将经过验证的水动力模型与水质模型耦合，基于s2的实验结果简化重金属反应过程，根据野外调查和s2的实验获取重金属的分配系数、沉积物临界起动切应力和沉积物再悬浮系数，并作为关键输入参数，构建三维重金属迁移模型，再利用实测数据进行验证；

8、s5.利用验证后的三维重金属迁移模型，对河口区域重金属的多维度迁移行为和通量进行模拟及计算。

9、进一步的，所述s1中，水动力模型和水质模型所需的参数信息包括地形、水文、气象及边界条件数据。

10、进一步的，所述s2中，开展模拟实验前，还包括对装置进行校准，利用已知中值粒径的石英砂对实验装置进行校准，以获取切应力和转速间的计算公式；具体包括：

11、将已知中值粒径的石英砂平铺于装置内，利用调节变频器逐渐增加搅拌桨转速，当观察到石英砂出现显著悬移时记录临界转速，临界转速对应的切应力大小即为沉积物起动的临界值，以此获取切应力与搅拌桨转速之间的定量关系。

12、进一步的，所述s2中，沉积物再悬浮实验具体包括：设定多个切应力等级，从零开始逐级增大搅拌转速，每个切应力等级维持固定时间后取上覆水样，并补充等量原位底层水；完成全部切应力等级后关闭搅拌器进行静置沉降，并在沉降开始后的不同时间间隔分别取水样；过滤所取水样，分别测定总悬浮颗粒物浓度、溶解态重金属浓度和颗粒态重金属浓度。

13、进一步的，所述s2中，静置实验与沉积物再悬浮实验同步进行，静置实验具体包括：利用薄膜扩散梯度技术测定未扰动条件下沉积物-水界面附近溶解态重金属的浓度梯度，并依据浓度梯度计算界面的扩散通量。

14、进一步的，所述s3中，利用实测的水位、流速、流向和盐度数据对三维水动力模型进行验证。

15、进一步的，所述s4中，简化重金属反应过程，是指当s2中测得的溶解态扩散通量比再悬浮通量低设定的数量级时，在模型中忽略溶解态重金属在沉积物-水界面的扩散过程；并且，基于实验结果确定上覆水与沉积物采用全场统一的分配系数，同时将沉积物活性层厚度设置为满足最大侵蚀深度的固定值。

16、进一步的，根据野外调查和s2的实验获取重金属的分配系数、沉积物临界起动切应力和沉积物再悬浮系数；具体包括：

17、分配系数的获取方式为：野外调查结果，分别测定水中颗粒态重金属浓度和溶解态重金属浓度，两者相除计算分配系数；

18、沉积物临界起动切应力的获取方式为：基于s2的室内沉积物扰动模拟实验中沉积物表面颗粒起动时所对应的搅拌转速、结合切应力与搅拌转速之间的定量关系换算得到；

19、沉积物再悬浮系数的获取方式为：基于s2的室内沉积物扰动模拟实验中底部切应力与沉积物再悬浮通量之间的正相关关系确定。

20、进一步的，所述s4中，将分配系数、临界起动切应力和再悬浮系数作为三维重金属迁移模型的关键输入参数；

21、所述三维重金属迁移模型的关键反应过程包括：重金属在上覆水中的吸附-解吸过程、重金属在沉积物中的吸附-解吸过程、以及重金属在沉积物-水界面的沉降-再悬浮过程；

22、沉降-再悬浮过程通过计算悬浮颗粒物的沉降通量和再悬浮通量，并利用分配系数换算得到重金属的相应通量；具体包括：

23、首先计算悬浮颗粒物沉降通量，当底部切应力小于临界沉降切应力时判定发生沉降，当底部切应力大于临界起动切应力时判定发生侵蚀；再通过分配系数将所得颗粒物通量换算为颗粒态重金属的沉降或再悬浮通量。

24、进一步的，所述s4中，利用实测重金属浓度和悬浮物浓度数据对三维重金属迁移模型进行验证。

25、与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：

26、本发明通过简单的沉积物扰动实验装置实现了对切应力大小的精确控制和量化表征，分析了天然水体中多次动力扰动的复杂环境下不同重金属在沉积物-水界面间的迁移释放规律与机制。装置成本低、易操作，并且可以用于定量分析，其实验结果具备代表性。

27、本发明利用沉积物扰动实验装置开展室内扰动模拟实验和静置实验，可以复现天然河口中的重金属在溶解态、悬浮颗粒物和沉积物三部分之间的吸附-解吸、沉降-再悬浮等过程。还可以通过调节水体的理化条件，如ph、盐度、温度等，实现对不同水体的模拟，扩大了应用范围。

28、本发明通过沉积物扰动实验装置开展的模拟实验、dgt技术以及野外调查相结合，优化了模型设置，构建出了简单且可靠的三维水质模型。并且基于室内模拟实验结果，计算出数值模型所需的3个关键参数取值。经过实际案例验证表明，模型较好地再现了河口区域内悬浮物输移过程以及重金属浓度的时空分布特征，可用于横向、纵向和垂向等多维度的重金属迁移及通量研究。