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湿地涵括沼泽、湖泊、河流、河口、海岸带、三角洲等,是人类生存的基本生态支持系统。湿地流动中环境弥散的机理是湿地环境风险评价与生态修复,尤其是重大水污染事件发生后污染带预报、诊断、评估以及污染源辨识的基本依据。
基于多孔介质流体动力学理论,构建了湿地流动中环境弥散的基本理论方法:扩展Aris浓度矩法,建立了湿地流动中环境弥散度分析的方法体系,导出了表征污染物整体分布特性的任意阶浓度矩的解析解,进而得到了任意断面形状下湿地环境弥散度的一般形式;拓展泰勒分析,构建了湿地流动中污染物长时间演化的环境弥散模型,明确了污染物长距离输运的特征;给出了湿地流动中断面平均浓度变化的解析解,并确定了污染团沿程长度与持续时间演化的表达式。
应用本文提出的基本理论方法,系统研究了典型湿地流动中环境弥散的规律和特征。对于定常湿地流情形,分别推导了水面效应主导、岸壁效应主导以及水面一岸壁效应作用下充分发展湿地流的环境弥散度与速度型;对于非定常湿地流情形,分别推导了相同效应作用下周期湿地流的环境弥散度与速度型。分析了上述六种典型湿地流中环境弥散度的渐进演化规律、稳态特征以及达到稳态所需的时间尺度,比较了充分发展湿地流与周期湿地流中环境弥散的特征,考察了无量纲特征参数变化对环境弥散度的影响,探讨了湿地流中环境弥散度与纯流体中泰勒弥散度的关系。分析表明:
(1)充分发展湿地流的环境弥散度将逐渐增加到一个恒正的渐进值,而周期湿地流的环境弥散度将达到一个稳定的振荡状态,并且当振幅较大时可能出现负值。
(2)在水面效应主导、岸壁效应主导以及水面一岸壁效应作用下,湿地流动中环境弥散度达到稳态所需的时间尺度分别依赖于:①水深、深度方向质量弥散度、扩散系数、弯曲度以及孔隙率;②湿地宽度、宽度方向质量弥散度、扩散系数、弯曲度以及孔隙率;和③水深、湿地宽度、深度方向质量弥散度、宽度方向质量弥散度、扩散系数、弯曲度以及孔隙率。
(3)在水面效应主导与水面一岸壁效应作用下,周期湿地流中环境弥散度变化的周期等于流动周期,而在岸壁效应主导下,周期湿地流中环境弥散度变化的周期等于二分之一流动周期。
(4)重力驱动下二维明渠层流与平面泊肃叶流中的泰勒弥散度分别是水面效应与岸壁效应主导下充分发展湿地流中环境弥散度的特例。
针对污染物排入湿地引起的水环境恶化与有毒化学品泄漏引发的重大水污染,应用本文提出的基本理论方法,首次从解析的角度给出了国家地表水环境水质标准下,典型湿地流动中COD、BOD5、TN、TP、Pb污染团的沿程长度与持续时间,揭示了湿地流动中污染团演化的层次结构特征。结果表明:对于相同的排污强度与水质标准,充分发展湿地流中污染团的持续时间在水面效应主导的情形下最长,在岸壁效应主导的情形下最短,在水面一岸壁效应作用的情形下介于二者之间;上述三种情形下污染团的最大沿程长度相同,但达到最大沿程长度的时刻不同。
综上所述,针对湿地流动中的环境弥散,本文提出了基本理论方法,系统分析了典型情形下的规律与特征,建立了污染团沿程长度与持续时间的评估准则,揭示了污染团演化的层次结构。