表面风对湿地流中双组分污染物传输与扩散的影响

《Journal of Contaminant Hydrology》：Effects of surface wind on bicomponent contaminant transport and dispersion in wetland flow

　　

• 建立了风力驱动湿地中双组分污染物输送的分析模型
• 推导了顺向风和反向风表面条件下的垂向速度剖面
• 顺向风增强弥散，而较强的反向风抑制流动并产生回流
• 环境弥散度在顺向风下增强污染物扩散，在反向风下则表现出非单调弥散行为

引言

湿地是价值最高的自然生态系统之一，因为它们提供了多样的生态系统服务。湿地支持生物群落，通过自然净化过程改善水质，通过暂时储存多余径流来调节洪水，促进地下水补给，并作为重要的碳汇，从而有助于气候调节（Zedler和Kercher，2005；Mitsch等，2015）。湿地还支持众多社会经济活动，包括农业、渔业、林业、旅游业和自然资源的可持续利用。然而，快速城市化、污染、土地利用变化和不可持续的管理实践导致全球范围内湿地广泛退化，凸显了对有效湿地保护和恢复的迫切需求（Davidson，2014；Xu等，2019）。由于湿地调节溶解态污染物的输送、滞留和转化，理解这些系统内的污染物输送对于评估水质和生态健康至关重要。

泰勒的理论随后由Aris（1956）推广，后者表明剪切诱导混合产生的有效纵向弥散系数远大于分子扩散系数。Lighthill（1966）随后研究了泊肃叶流中扩散的初始发展。Gill和Sankarasubramanian（1970）随后发展了非定常对流扩散的精确分析，并证明弥散系数在瞬态阶段会发生变化。弥散理论后来被推广到振荡流（Mukherjee和Mazumder，1988；Mazumder和Das，1989）、风力驱动的浅层湿地流（Mondal等，2023；Mondal等，2025a），以及包含生态退化的三层湿地系统（Mondal等，2024b）。尽管这些发展增进了对湿地环境中污染物输送的理解，但大多数现有的分析研究集中于单组分污染物。

早期的弥散分析理论发展主要集中在单一溶质的输送上。尽管这类研究对于理解平流和弥散机制是基础性的，但它们不能充分代表许多多种污染物共存并相互作用的真实环境系统。在湿地环境中，这些相互作用可能改变浓度剖面、弥散特性和污染物的总体归宿。因此，双组分污染物模型日益重要，因为它们为描述湿地中的输送过程提供了更现实的基础。然而，双组分污染物流描述的是两个化学或物理相关物种在运动流体中的同时输送。在本研究中，两种组分代表同一污染物系统的不同状态，如初级污染物和通过转化形成的次级物质。各组分通过相互转化过程耦合，因此每种物种的浓度和持久性不仅取决于平流和弥散，还取决于它们之间的交换速率。因此，当输送过程中发生转化或可逆相互作用时，该公式比单组分模型更真实地捕捉了污染物行为。这些状态之间的交换由线性一级反应项建模，为湿地中发生的生物降解、可逆化学转化和其他反应途径提供了理想化描述。因此，该公式的目的不仅是推广单物种输送模型，而是确定在风力驱动流条件下，组间转化如何影响污染物持久性、有效纵向弥散和下游受影响区域的范围。

在湿地流中，双组分污染物研究考察两种相互作用的污染物物种在平流、弥散和生态反应的综合影响下的输送行为。这些研究之所以重要，是因为两种组分之间的相互作用可显著改变浓度分布、扩散特性和污染物的总体归宿。因此，双组分污染物模型为理解湿地系统中的污染物输送和改进生态风险评估提供了更实用的框架。Chen等（2012）建立了自由表面湿地中脉冲双组分释放的基本理论框架。Zeng等（2014）扩展了这项工作，表明渠道几何形状和河岸壁效应影响纵向扩散。后来，Wang和Zeng（2019）通过引入反应机制完善了这一方法，并证明组间转化可显著改变输送特性和浓度分布。总体而言，这些研究表明，由于流态构型、边界相互作用和反应共同决定湿地系统中的污染物行为，双组分污染物输送比单溶质输送更为复杂。

在湿地流中，污染物输送研究表明风在控制弥散过程中起着重要作用。Miles（1957）发展了风力驱动剪切流产生表面波的分析理论，表明气流剪切与自由表面之间的相互作用控制着波浪增长。Zeng等（2012）研究了自由表面主导的湿地流中的风效应，并推导了速度分布和环境弥散度的解析解。他们的结果表明，风速和风向都对流动结构和污染物弥散施加了强烈影响。Wang和Huai（2018）通过整合浓度矩方法与Gill的展开理论进一步扩展了这一分析，证明风况显著影响湿地系统中的速度场和浓度分布。Wang等（2013）为三层自由表面湿地流开发了环境弥散模型，并证明了垂向层结构对污染物输送的影响。Wang等（2019）研究了风力驱动的三层湿地中的污染物输送，证明风显著改变了速度结构、浓度分布和总体输送特性。在更全面的框架中，Kelleher和Shaw（2018）表明蒸散发的简化公式可能忽视了对水分平衡和径流的长期重要控制。Wang等（2020）通过将表面风和河床吸收纳入湿地输送分析，揭示了它们对溶质扩散和浓度演化的显著综合影响。相关研究考虑了从表面点源释放污染物与河床吸收的情况（Guo等，2018）以及底部吸收层上的风力驱动输送（Mondal等，2025b）。

先前的分析调查通常将风力驱动的湿地弥散和双组分反应输送作为独立问题来考虑。因此，在表面风作用下，两种可逆耦合污染物状态之间有限时间的质量重新分配仍然理解不足。特别是，非平衡阶段的持续时间、双组分公式与等效单组分描述显著不同的条件，以及向平衡分配转变的过程，尚未在统一的分析框架中得到明确量化。

本研究考察了表面风对稳态湿地流中双组分污染物输送的影响。分析聚焦于风力驱动如何改变垂向速度场、深度平均流以及多尺度摄动框架下两种相互作用污染物物种的纵向输送行为。具体而言，本研究建立了渐近深度平均浓度、环境弥散度和与特定浓度阈值相关的临界长度的分析表达式。研究目标是：（1）推导风修正的垂向速度分布和深度平均流；（2）建立组分A′和B′的耦合平流-弥散-反应方程；（3）获得共同的环境弥散度和重建的组分组分浓度场；（4）推导反应控制的瞬态修正并量化偏离平衡的程度；（5）确定组分比、非平衡指数和特征平衡时间；（6）识别双组分耦合弱、动态重要或接近平衡的反应-观测区域；（7）比较双组分浓度与等效单组分场；以及（8）评估不同风况下的阈值基础临界长度。均质化解描述了长时间、大尺度的输送，而高阶浓度矩则用于考察有限时间不对称性和非高斯行为。

章节摘要

方法

在湿地渠道中，双组分污染物系统的输送由以下平流-弥散-反应方程控制，如式(1)、(2)所示（Chen等，2010；Zeng和Chen，2011）：

φ(?C_A′/?t) + ?·(u′C_A′) = ?·(κ_λ/φ ?C_A′) + κ_?K ?C_A′ ? φ r_A′ C_A′ ? k_d C_B′

φ(?C_B′/?t) + ?·(u′C_B′) = ?·(κ_λ/φ ?C_B′) + κ_?K ?C_B′ + φ r_B′ (1/k_d C_A′ ? k_d C_B′)

其中φ表示孔隙率[无量纲]，λ是分子扩散系数 m2/s，t是时间[s]。变量C_A′和C_B′分别代表污染物A′和B′的浓度[kg/m3]

数值验证

为了验证多尺度均质化方法获得的解析结果，控制平流-弥散-反应方程[式(14)、(15)]也使用有限差分格式进行数值求解。数值模拟（Wang等，2020）在二维xz域中进行。计算域的纵向长度为L，水的深度为H。这种比较的目的是考察解析解能否准确再现长时间

速度分布

垂向速度分布描述了纵向流动从湿地底部到自由表面的变化情况。表面风通过加速上层水体来改变顺流条件下的这一剖面，并在足够强的反向流条件下减小或反转近表面速度。由此产生的垂向剪切变化直接影响纵向污染物扩散。

图4（a、b）展示了风强度对垂向速度

应用

设C?为规定的阈值浓度。则对应的无量纲阈值浓度取为：

Ω? = Φ C? H2 / Q

由于两个纵向浓度剖面关于羽流中心对称，临界位置通过将相应浓度设为等于Ω?获得，完整临界长度为从中心到单侧阈值距离的两倍。

因此，污染物A′的完整临界长度获得为：

S_A′ = 4H / [4 D_E T ln(Ω_0 H / (φ · 4π D_E))] + 1

结论

本研究建立了在表面风力驱动下湿地流中两种可逆相互作用污染物组分输送的分析框架。耦合输送方程的变换将共同水动力学浓度场与反应控制的非平衡模式分离开来。在相同输送特性下，两种组分共享相同的环境弥散度，而它们的有限时间浓度、相对比例和

CRediT作者贡献声明

Shuvendu Saha：初稿撰写、验证、软件、方法论、形式分析。Buddhadeb Mondal：验证、方法论。Krishnendu Barman：审稿与编辑、验证、指导、概念化。Koustuv Debnath：审稿与编辑。

未引用参考文献

Taylor, 1953

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

第一作者感谢印度政府落后阶层学生国家奖学金项目（NBCFDC编号：231610052505，NBCFDC/CSIR-UGC NET DEC-2022/JUNE-2023）。通讯作者衷心感谢印度政府科学和技术部科学与工程研究委员会（SERB）对本研究的资金支持（文件号：SUR/2022/000387）。

Shuvendu Saha | Buddhadeb Mondal | Krishnendu Barman | Koustuv Debnath