槐文信团队在溶质输运对漂浮植被分布特征变化的响应研究 取得新进展

近日，水资源工程与调度全国重点实验室槐文信教授等在环境领域TOP期刊Journal of Cleaner Production(中科院1区TOP，IF：11.072)发表题为“Solute cloud evolution in channels with suspended vegetation of different configurations”（具有不同分布特征的漂浮植被影响下河道中溶质云团的演变）的研究论文。实验室博士生艾一丹为第一作者，槐文信教授、北京师范大学陈彬教授为共同通讯作者，实验室杨中华教授、华南农业大学王慧琳博士为共同作者。

漂浮水生植物广泛存在于自然水体中，提供观赏价值及生态价值。植物根系伸入水体中，显著改变了水动力特性，从而影响离散规律。仅预测植被化河道的纵向离散系数只能反映离散作用的综合强度，并不能体现溶质浓度空间分布的瞬态演变。此外，目前已有研究大多数指出植被密度，间隙比(间隙区高度与水深之比)对时均流速分布，紊流结构的影响，但较少研究对浓度场时空演变的影响。为此，槐文信教授团队在水面瞬时释放点源的条件下，基于泰勒弥散理论，探究了在垂向变化的对流和扩散作用下溶质云团的时空演变及其对植被密度，间隙比变化的响应规律。


图1 研究框架

研究建立了耦合泰勒弥散与漂浮植被水流水动力分区的瞬态对流扩散模型。相比数值计算，该解析模型可显著节约计算资源，并有望拓展至描述不同类型植被水流中的溶质运移。除此之外，该研究分析了在云团达到纵向正态分布之前植被密度或间隙比对云团重心位置，偏度，峰度，垂向浓度分布的影响。并从纵向对流强度，垂向紊动扩散强度，剪切层入侵深度等水动力学特性出发揭示了溶质垂向传输对植被密度或间隙比变化的响应机制。


图2 （a）不同间隙比工况下云团重心位置（b）纵向离散系数（c）偏度（d）峰度的时间演变


图3 （a-e）不同植被密度工况下t=0.5时典型断面垂向浓度分布，（f）垂向平均浓度的纵向分布

本研究拓展了泰勒弥散理论，对植被垂向非均匀分布时河道中污染物的空间分布提供定量化表征的理论方法，对更准确地进行环境风险评估具有重要意义。同时，溶质垂向传输对植被密度或间隙比变化的响应机制可为漂浮植被种植密度和植被类型的选择提供理论依据，从而提高漂浮植被的水处理效率。

据悉，本研究得到了国家自然科学基金重点国际合作项目和面上项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652623012155