能量-涡旋-动量耦合机制将全氟烷基酸的流体动力学特性与传质过程联系了起来

《Environmental Pollution》：Energy–vortex–momentum coupling bridges hydrodynamics and mass transfer of perfluoroalkyl acids

全氟烷基酸（PFAAs）沉积物中释放机制与水动力能量-涡旋结构耦合关系研究。通过调控螺旋桨间隙高度（h_c）的明渠实验，揭示低h_c条件下涡旋能量集中底床诱发高强度PFAAs释放，高h_c时中尺度涡旋增强垂直混合促进污染物扩散。首次建立能量传递、涡旋动力学与污染物迁移的综合机制模型，为船舶活动区污染物管控提供理论支撑。

　　

马一欣|华祖琳|钟丽梅|万顺丽|李燕|陈然|刘启迪

黄山大学生命与环境科学学院，中国黄山245041

摘要

沉积物中积累的全氟烷基酸（PFAAs）在强烈的水动力扰动下可以被重新释放，但将湍流结构与沉积物-水体质量传递联系起来的机制途径仍不明确。螺旋桨间隙高度（h_c）是一个关键的几何边界条件，决定了高能量涡流是否能够直接与沉积物床面相互作用并引发PFAAs的释放。本研究通过在不同螺旋桨间隙高度下进行的受控水槽实验，阐明了涡流结构如何介导喷射能量来驱动PFAAs的迁移。螺旋桨间隙高度的变化显著改变了能量的空间分布和涡流的形态，从而控制了PFAAs的多相迁移过程。在较低的间隙高度下，能量集中在床面附近，形成大尺度涡流和高剪切力，促进了PFAAs从沉积物和孔隙水中的大量释放。释放的PFAAs主要累积在底部水体和悬浮颗粒物中，其行为受到碳-氟链长度、官能团类型以及水化学参数的影响。间隙高度的增加减弱了与床面的直接扰动，同时通过中尺度和小尺度涡流增强了垂直混合，有利于PFAAs的稀释和长距离扩散。进一步分析表明，能量传输途径、涡流动力学以及瞬态相干事件共同调控了PFAAs的质量传递。本研究从能量-涡流-质量传递的整合视角，首次提供了关于强湍流条件下PFAAs传输的机制性见解，为管理可航行水域中的沉积物衍生污染物提供了理论基础。

部分内容摘录

环境影响

本研究阐明了螺旋桨诱导的水动力能量如何通过涉及流动能量、涡流结构、动量交换和质量传递的整合机制来控制全氟烷基酸（PFAAs）的释放和迁移。结果表明，在低间隙高度下，涡流介导的动量交换显著加速了污染物在沉积物-水体界面的传递。这一发现意味着减少螺旋桨间隙高度的船舶运行条件会...

化学物质

本研究选取了水环境中11种具有代表性的PFAAs作为目标污染物（Song等人，2023年），包括4种全氟烷基磺酸（PFSAs，C4–C8）和7种全氟烷基羧酸（PFCAs，C6–C13）。为了确保准确量化，使用同位素标记的内标对样品中的PFAAs进行了校准和归一化（Shoemaker和Tettenhorst，2018年）。有关目标分析物和内标的详细信息...

喷射能量分布与涡流特性

平均动能（AKE）量化了可用于床面动量交换的时间平均流动的有序动能。相比之下，湍流动能通常用于表示整体湍流强度，但没有明确区分负责与床面相互作用的部分（Xiao等人，2019年）。因此，在后续分析中采用AKE来研究流动能量的空间分布及其在不同螺旋桨间隙高度下的变化。

结论

本研究从能量-涡流-质量传递的整合视角，阐明了在不同螺旋桨间隙高度下船舶螺旋桨喷射流如何驱动PFAAs的释放和迁移。实验结果表明，螺旋桨间隙高度是控制喷射能量传输路径的关键参数。它不仅决定了AKE的空间分布，还影响了多尺度涡流的生成、演化和消散。

作者贡献声明

钟丽梅：软件开发、方法论设计、数据分析。 万顺丽：撰写、审稿与编辑、资源协调、资金申请。 马一欣：初稿撰写、数据可视化、方法论设计、概念构思。 华祖琳：审稿与编辑、指导工作。 李燕：数据可视化、方法论研究。 陈然：实验研究。 刘启迪：数据可视化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了黄山大学“学者科研基金”（项目编号2024xkjq015和2024xkjq013）、国家自然科学基金（项目编号52200195）、安徽省科研创新团队项目（项目编号2023AH010053）以及优秀青年教师培养项目（项目编号YQZD2025084）的支持。