细颗粒物质潜入河道底泥截污效果研究

发布时间：2020-04-02 10:46

【摘要】：河水中的部分污染物通过河底以及边坡基质进入河道底泥基质中,通过渗透、扩散等过程进入地下水环境中,对地下水造成污染。河流污染水体与地下水的联结层河道底泥基质为多孔介质,具有毛管孔隙特征,研究如何采取人工措施使其毛管孔隙特征发生改变,遏制河流排泄水、污水对地下水的污染的课题就显得十分重要。本文通过河道原状底泥室内土柱积水入渗试验,研究细颗粒物质随水流入渗潜入河道底泥基质,阻塞底泥基质孔隙,遏制河流水中污染物进入地下水的作用和效果。研究结果如下:(1)不同细颗粒物质潜入河道多孔介质具有不同的减渗效果。细粒径物质粉煤灰、水渣、水泥和黏土实施潜入河道多孔介质基质后,都会一定程度上减小基质水分入渗率,其减渗效果顺序为:水泥(29.49%~39%)㧐黏土(14.1%~21%)㧐粉煤灰(12.82%~14%)㧐水渣(7.69%~12%)。细颗粒物质潜入底泥基质后物理性堵塞和凝聚堵塞底泥基质孔隙,降低底泥基质孔隙率,减弱底泥基质水分的入渗能力,进而减小基质水分入渗速率。水泥的比重和胶凝特性都大于水渣、粉煤灰和黏土,潜入河道底泥基质后的减渗效果相对显著。(2)底泥基质质地、结构、细颗粒水泥添加方式、添加剂量、潜入水头和延迟供水时间都是影响减渗效果的重要因素。3种添加方式下,减渗效果依次为:延迟(27.69%)㧐即时(17.14%)㧐同时(16.22%)。减渗率随延迟供水时间(0~48h)、水泥添加剂量(0.2~3 kg/m~2)的增加先增大后趋于稳定,延迟12h时,减渗率已达到最大(约33.33%),添加剂量为1kg/m~2时,减渗率几乎达到最大(约31.03%);减渗率随底泥砂粒含量(29.96~76.3%)、潜入水头(0~120cm)的增加,底泥基质干容重(1.3~1.6g"cm~3)的减小而增大。砂粒含量为76.3%时,减渗率达40.82%。基质干容重为1.3g"cm~3时,减渗率达39.67%。水头为120cm时,减渗率达37.78%。延迟时间越长、添加剂量越多、基质砂粒含量越大(粒间孔隙越大)、干容重越小(大孔隙越多)、潜入水头越大,水泥潜入量越多,减渗效果越好。(3)网格搜索优化SVM模型是细颗粒水泥潜入河道底泥基质条件下减渗效果预测的最好模型。选用减渗效果影响因素表征参数为输入变量建立的减渗效果表征参数减渗率多种预测模型的误差都在可接受范围,都是可行的。相对而言,线性、非线性回归预测误差较大,建模样本的平均误差分别为14.98%和12.6%,验证样本的平均误差分别为10.97%和11.64%。BP、GA-BP及PSO-BP神经网络模型建模样本的平均误差分别为3.61%、3.60%和3.35%,验证样本的平均误差分别为7.4%、4.42%和4.95%,但存在对样本的依赖性太大的缺陷。SVM模型和网格搜索优化后的SVM模型的的建模样本平均误差分别为4.56%和1.52%,验证样本的平均误差分别为7.54%和3.47%。(4)细颗粒水泥潜入河道底泥基质后对不同污染物质垂向分布有不同程度的影响。细颗粒水泥的潜入比较显著地促进了重金属元素的表聚现象,且底泥基质中砂粒含量越大,促进作用越明显。距离表层1cm深度土层(水泥潜入层)中重金属元素Cd(8.56%~29.58%)、Zn(9.77%~24.61%)、Cr(12.79%~35.7%)、Cu(8.56%~23.7%)、Pb(8.46%~20.27%)和Ni(11.84%~35.17%)浓度增加程度都大,距离表层10~90cm深度土层中重金属离子浓度减小率在5%~20%;氨氮、硝态氮、也表现出水泥潜入层浓度增加(10%~25%),水泥潜入层以下浓度减小(10%左右)的趋势;细颗粒水泥潜入底泥基质后水化反应会析出一定量的游离Ca~(2+),各深度土层中Ca~(2+)浓度都有一定程度的增加(5%~30%)。(5)细颗粒水泥潜入河道底泥基质可较为显著地减少污染物对流运移量及截留河道水流中的污染物质。如入渗历时为800min,延迟12h供水,添加1.0kg/m~2水泥,水泥潜入水头为120cm条件下,污染物质(以铵态氮为例)累积运移量减少率可达到45%~55%。细颗粒水泥潜入底泥基质堵塞基质孔隙、降低导水率、减小污水累积入渗量,进而降低污水中污染物质对流运移量。水泥潜入底泥后,渗出水中铵态氮、硝态氮、Cl~-、Cr和Ni浓度减少程度较显著,达到50%左右。总磷、SO_4~(2-)、Cd、Cu、Pb和Zn浓度减小程度在10%~40%。细颗粒水泥潜入底泥基质孔隙不仅堵塞污染物质的机械扩散通道,还会与污染物质发生吸附、离子交换、固化团结等作用,截留污染物于细颗粒水泥潜入层。研究成果可为减少地表污水中污染物通过排污沟道、河道向地下水渗流与迁移提供技术理论依据,也可为地下水环境防治提供有效、低成本工程措施。但由于受试验时间、试验手段的制约,还有很多问题有待进一步试验和研究。
【图文】：

示意图,示意图,渗流试验,粒径分析

图 2-1 渗流装置示意图Fig. 2-1 The diagram of test equipment析仪主要包括供试底泥基质、细颗粒物的粒径分析，渗流试验前后中营养性污染物、盐分、重金属等物质含量的测定。度分析仪图 2-2 激光粒度分析仪Fig.2-2 Laser particle size analyzer

示意图,激光粒度分析仪,渗流性,粒径分析

图 2-1 渗流装置示意图Fig. 2-1 The diagram of test equipment括供试底泥基质、细颗粒物的粒径分析，渗流性污染物、盐分、重金属等物质含量的测定。析仪
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52

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