基于多场耦合有限元的天福庙水库清淤过程污染物磷释放行为研究

天福庙水库处于黄柏河流域东支,是宜昌市嫘祖镇的水源地,受周边磷矿开采的影响,2015年以来水库水环境质量不断恶化,为此宜昌市政府对天福庙库区河道实施了生态环保清淤工程。实施过程中发现,清淤船作业时清淤设备吸头会对周边水体及底泥造成扰动,进而可能会对水库水体造成二次污染。为了探究清淤过程导致的底泥沉积物扰动情况,利用COMSOL Multiphysics中的层流和稀物质传递等模块建立水库底泥污染物磷释放模型,基于天福庙水库水质和清淤设备的属性数据,以及前人总结的经验值,模拟清淤扰动过程中不同清淤时间和不同水平扰动范围下底泥的扩散速度分布特征,以及水库底泥和孔隙水中的磷污染物的释放规律,并进一步通过实地模拟底泥扰动实验验证模型可靠性。模拟和实验结果表明:当清淤扰动时间不断增加,底泥及其所含的污染物会逐渐向水面扩散,扩散速度和污染物浓度会随时间的推移而不断增大;在同一清淤扰动时间下,再悬浮液和磷污染物的纵向扩散受水平扰动范围的影响明显,水平扰动范围越大,底泥向水面扩散越多,底泥磷污染物释放浓度越多,对水库水环境质量危害越大。释放初期,水体中污染物浓度增加较为剧烈,孔隙水中的磷污染物释放起主导作用;随后水体中污染物浓度增加速度变缓,后期再悬浮液逐渐混合均匀,垂线上的总磷浓度差距减小,底泥中污染物的释放达到平衡状态。研究发现模型能够对清淤扰动造成的水体总磷浓度变化进行合理预测,为湖泊型深水水库清淤工程实践的防范措施提供了科学依据。