第三章水环境化学-第四节水质模型介绍

水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移、扩散和转化过程（包括物理、化学、生物作用过程）的数学方程（或方程组）.第四节水质模型水质模型的基本原理是质量守恒原理；建立水质模型的目的是用来描述污染物数量与水环境影响因素之间的定量关系，从而为水质分析、预测和水环境管理提供基础的量化依据。本节讨论的水质模型主要是：氧平衡模型、湖泊富营养化模型和有毒有机污染物归趋模型。1.Streeter-Phelps（S-P）模型（河流水质自净模型）S-P模型的建立基于两项假设：（1）只考虑好氧微生物参加的有机物降解反应，并认为该反应为一级反应。（2）河流中的耗氧只是有机物降解反应引起的。有机物的降解反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速率相同，大气中的氧进入水体的复氧速率与河水中的亏氧量D成正比。一、氧平衡模型式中:L—河水中的BOD值，mg/L；D—河水亏氧值，mg/L,是饱和溶解氧浓度Cs（mg/L）与实际溶解氧浓度C（mg/L）的差值D=CS-C；k1—河水耗氧速度常数，1／d；k2—河水复氧速度常数，1／d；u—河水平均流速km/d;x-顺河水流动方向的纵向距离km。S-P模型的基本方程为：0,0,00xCCxLL当边界条件S-P模型基本方程的解析解为:S-P模型的临界点和临界点氧浓度以S-P解析解中溶解氧C对距离作图可得一条下垂曲线，称为氧垂曲线。氧垂曲线最低点所对应的溶解氧，称为极限溶解氧Cc，出现Cc的距离称为极限距离xc；在极限距离处xc，溶解氧变化率为零，由S-P方程可得：极限距离：极限溶解氧：（DC为极限氧亏）2．托马斯(Thomas)模型对于一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对BOD变化的影响，引入了BOD沉浮系数k3--DkLkdxdDuLkkdxdLu2131)(当边界条件0,0,00xCCxLL求取解析解可得：二、水体富营养化预测模型1．水体的富营养化问题水的停留时间较长（可达数月至数年），属于缓流水域，其中的化学和生物学过程保持一个比较稳定的状态。进入湖泊和水库中的营养物质在其中容易积累，致使水质发生富营养化。在水深较大的湖、库中，水温和水质是竖向分层的。湖泊(水库)的水质特征：指在人类活动的影响下，氮、磷等生物所需营养物质大量进入湖泊、水库、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，引起鱼类及其他生物大量死亡的现象。雨水：雨水中硝酸盐的含量在0.16-1.06mg/L间，氨氮含量在0.04-1.70mg/L间，大面积湖泊和水库从雨水受纳氮数量相当可观。农业排水：土壤中的氮、磷通过地表水径流被引入到湖泊、水库。水中营养物质的来源城市污水：包括：排泄物、食品污物，含磷洗涤剂。污水厂通过厌氧处理污泥的方法可去除20－50％的氮和大部分的磷，但在污水处理中也使用到多种含氮、磷的化学试剂，如氯胺、有机絮凝剂、无机助絮凝剂、多聚磷酸钠等。其他来源：包括工业废水等。湖泊水质模型的类型：湖泊水质模型可划分为：多元相关模型；输入输出模型；富营养化预测模型和扩散模型，这里仅讨论富营养化预测模型。2.富营养化预测模型对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小型湖泊和水库，可视为一个均匀混合的水体。沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数，用质量平衡方程表示就是：cVqcIdtdcVPP--)(cPVIdtdcPWP-)(简化可得：湖泊富营养物质的变化=单位时间输入湖泊营养物质的量—单位时间输出湖泊营养物质的量—单位时间营养物质沉积的量即：式中：c-湖水平均总磷浓度mg/L,IP－输入湖泊磷的浓度g/dPW-水力冲刷系数PW=q/V(d-1)q-出湖河道流量m3/d,V－湖泊容积m3λP-磷的沉降速率常数d-1t-河水入湖时间d令边界条件:t=0,C=C0；t=t,C=C对上式积分可得:当时间足够长，利用上面的积分解可求取湖泊、水库中污染物(营养物)的平衡浓度.在水质分析和水质预测中,利用该式可求出湖泊、水库中污染物达到一指定浓度CT所需时间t0。表征环境特征：取决于实际水环境。(水流量,流速,pH,水温,风速,细菌数,光强等）三、有毒有机物的归趋模型通过研究水环境中各种有机毒物的动力学模型，可以预测污染物在环境中浓度的时空分布，以及通过各种迁移转化过程后的最终归趋，这对合理使用有机有毒物质意义重大。有机污染物迁移转化的动力学机理表征化合物固有性质：可由实验室测得。（溶解度,蒸汽压，辛醇－水分配系数等）模型中的水质参数：化合物迁移转化过程：负载过程（输入过程）来源：污水人为排放，大气沉降，陆地径流等将有机毒物引入水体。迁移过程沉淀-溶解作用：有机或无机物溶解度对其迁移转化可利用性的影响，将改变迁移的速率。对流作用：水流作用使污染物进入（排出）特定水生生态系统。挥发作用：大气、水中浓度分布。沉积作用：底部沉积物的吸附-解吸。形态过程酸碱平衡：PH值、有机酸碱分数(离子、分子)，挥发作用等。吸着-解吸平衡：有机物滞留在悬浮颗粒物或沉积物上的过程最终将影响其归趋。转化过程生物降解：微生物代谢将改变污染物和它们的毒性。光解作用：破坏有毒有机物分子的结构。水解作用：使污染物分子变成简单分子，低毒或无毒化合物。氧化还原：微生物催化氧化,光催化氧化,均将改变有机分子的结构。生物积累过程生物浓缩：通过可能的生物浓缩手段（如鱼腮吸附），摄取有机物进入生物体。生物放大：高营养级生物以低营养级生物为食物，使生物体中有机毒物的浓度随营养级的提高而逐步增大。污染物归趋模式研究思路从研究单个的主要迁移转化过程着手，建立单个过程的模式，作为整体模式的基础。假设某化合物从水环境消失的总速率，是各个单过程消失速率之和，每个单过程的速率均是一级反应过程，总速率亦同。模式中环境具有固定特征，环境参数不变，速率方程为准一级方程，并假定有机污染物不会改变环境参数。假定吸着过程不是瞬间能完成的，但其速率远快于挥发和其他过程转化速率。因此，模式不适用于污染源近地距离，只适用于长时间大范围。模型建立步骤：1.计算有机物因转化和挥发从水环境中消失速率]][[CEKRRtiiiKi表示i过程速率常数，Ei表示i过程环境参数KT=Kvm(挥发)+Kb(生物降解)+KP(光降解)+Kh(水解)][][CKCKRTiT当Ei固定时，有机物在颗粒物上的吸着会降低有机物在水中的浓度，吸着也会发生转化（如微生物转化代谢），但在这里不考虑转化过程或转化很慢（比溶液中慢），并且吸着过程具有可逆性。2.吸着过程对有机物消失的影响WSPCCKWPSTCCCC当有机物含量很低时，它在水和颗粒物之间的分配往往可以用分配系数(KP)来表示：Cs、Cw分别为有机毒物在颗粒物和水中的平衡浓度;CT、CP分别为单位体积水溶液有机毒物和颗粒物总浓度。将上式代入][][CKCKRTiT1PPTTTCKCKR)1(2ln21PPTKCKt则3.稳态时的浓度（动态平衡）假设:有机毒物输入水体的速率RI,有机毒物在水环境中消失的速率RL当RI=RL时，有机毒物就达到稳态浓度RT：系有机物转化、挥发消失总速率；RD：有机物稀释速率；RO：有机物输出速率；RI=RL=RT+RD+RO有机毒物的稳态浓度:CT(RI-RO-RD)(KPCP1)/KT在稳态条件下：应用实例（略p247）美国国家环保局（EPA）对五种邻苯二甲酸脂类物质在不同类型水环境中的迁移转化的规律的研究。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。