河流水环境修复技术

1.河流2.河流污染第四章河流水环境修复技术3.河流水环境修复概述4.河流水环境修复技术1.背景知识介绍——河流背景知识介绍——河流背景知识介绍——河流河流流域背景知识介绍——河流水力学背景知识介绍——河流泥沙背景知识介绍——河流生态背景知识介绍——河流生态①大型水生植被：浮游类、根生类植物②微型植物：藻类，1-300μm③河流动物：软体动物、蠕动动物、甲壳动物、昆虫、鱼类④细菌和真菌：存在水流、底泥、石头和植物表面4.2.河流污染由于人类的活动，使得河流中某些物质的浓度增加，当排入河流中的物质的量超过自净能力对其降解、转化的量，改变了河流原有生态系统的能量交换和物质循环过程，破坏了河流生态系统的结构与功能，影响了人类对河流的可持续利用时，便形成了污染概念河流污染现状世界自然基金会2007年3月公布亚洲五在河流已成为世界上遭受破坏最严重的河流，包括长江、萨尔温江（怒江）、印度河、恒河、湄公河中国七大河流污染程度由重到轻的顺序：海河、辽河、黄河、淮河、松花江、长江和珠江河流污染参数氨氮、化学需氧量、高锰酸盐、五日生化需氧量、溶解氧、挥发酚河流污染源的分类根据污染来源：外部污染源、内部污染源根据排入水体的方式：点污染源和面污染源根据污染物的类型：物理性污染、化学性污染和生物性污染UniversityofShanghaiforScienceandTechnology污染物在河流中的传输1.泥沙对污染物的传输吸附作用是决定河水系统中的污染物分布和归属的一个重要控制机制。吸附作用+沉淀、共沉淀、凝聚、絮凝、胶化和表面络合河流可携带大量泥沙和溶解性物质，进行远距离搬运输送。悬移式泥沙对河流污染物的传输起决定性作用。细颗粒泥沙吸附能力较强，能吸附大量有机污染物和营养盐细颗粒泥沙传输距离较远平均传输距离：细小颗粒10000m/a,沙子1000m/a,卵石100m/aUniversityofShanghaiforScienceandTechnology河底积泥也对污染物的储存、迁移和转化起着重要作用，且受多个因素影响。外在因素：地质条件、地貌、土壤类型、气候变化以及河流管理调度等。内部因素：颗粒尺寸、河床结构、河岸材料、植被特征、河边植被、河谷坡度、河道形态、沉积泥沙的形态等。一般来说，沉积物长期处于沉降状态。但在长期暴露或发生风化以及生物作用下，与沉积物结合的污染物可能会释放进入环境。污染物在河流中的传输UniversityofShanghaiforScienceandTechnology实际上，有机化合物在沉积物中的吸着存在着二种主要机理分配作用吸附作用溶解作用，吸附等温线是线性的范德华力，及各种化学键如氢键、离子偶极键、配位键等的作用；吸附等温线是非线性的。2.有机物的迁移转化污染物在河流中的传输UniversityofShanghaiforScienceandTechnology2.有机物的迁移转化分配系数（Kd）有机物在沉积物与水之间的分配，往往可用分配系数(Kd)表示：Kd=Cs/CwCs、Cw—分别为有机物在固相沉积物中和水中的平衡浓度。针对类型各异、组分复杂的有机组分,引入标化分配系数(Koc)：Koc=Kd／fOCKoc——标化的分配系数，即以有机碳为基础表示的分配系数；fOC——沉积物中有机碳的质量分数。有机物份额分配系数可通过摇瓶实验法直接测定，或通过与辛醇-水分配系数（Kow）的关系估算：LogKoc=0.944LogKow-0.485lgKow=5.00-0.67lg(Sw×103／Mr)Sw—有机物在水中的溶解度，mg/L；Mr—有机物的分子量。UniversityofShanghaiforScienceandTechnology当水体条件发生改变是，沉积物中的有机物可能重新释放进入水相。如：降雨将导致河流有机物含量增加：1）降水通过地表浸流将地表污染物冲刷进入河流2）降水径流形成侧向淋溶将土壤表面的水溶性有机物冲进河道，尽管河水具有一定稀释作用，但大多数情况下，有机物浓度呈升高变化，尤其是在每年的几次初期降雨期间，有机负荷比较大。2.有机物的迁移转化污染物在河流中的传输UniversityofShanghaiforScienceandTechnology3.河床底泥化学变化过程底泥成分矿物质：各种金属盐、氧化物有机质：天然有机物，如腐殖质(占70-80%)蛋白类、多糖、脂肪酸和烷烃等(占20-30%)流动相：水、气自然胶体发挥极为重要的作用，为粘土矿物、有机质、活性金属水合氧化物和二氧化硅的混合物。腐殖质含羧基（COOH）和羟基（OH）取代的芳香烃结构，可通过离子交换、表面吸附、螯合络合、絮凝等作用，固定有机物、重金属有机物质量比仅占2%左右，但是从表面积来看约占90%。因此沉积物中的有机质与周围环境的离子、有机物和微生物等相互作用起着主要的作用。例如：氧化铝颗粒吸附有机质后，等电点从pH=9下降至5左右，说明沉积物表面的负电荷与有机质的阴离子基团相关。污染物在河流中的传输UniversityofShanghaiforScienceandTechnology4.重金属离子的迁移转化河流水体中重金属离子的主要来源地质自然风化作用矿山开采排放的废水和尾矿金属冶炼和化工过程排放的废水垃圾渗滤液重金属在沉积物中的形态可交换态、有机质结合态、碳酸盐结合态、(铁\锰\铝)氧化物结合态主要的传输过程吸附与解吸、凝聚与沉积、溶解与沉积污染物在河流中的传输UniversityofShanghaiforScienceandTechnology4.重金属离子的迁移转化重金属污染物进入天然河流水体后，将很快迁移至底泥沉积物中。因此底泥是重金属污染物在河流中迁移输送的主要载体，也是主要归宿。一定条件下，重金属离子会从底泥中重新释放出来。水力冲刷、底泥疏浚以及某些地区发生酸沉降等都会在不同程度的影响重金属离子的形态和转化。例如：微生物在厌氧-兼氧-好氧状态之间转换导致重金属氧化还原状态发生变化，由沉淀状态转化为溶解状态；同时厌氧过程产生具有较强络合能力的有机酸分子，pH下降，氢氧化物重新溶解；另外有机酸通过络合作用使非溶解态的重金属离子转化为溶解态；微生物还能直接以金属离子为电子受体或供体，改变其价态。UniversityofShanghaiforScienceandTechnology5.河流活性金属元素——铁的变化铁和锰称为河流中的活性金属元素铁在含氧水中主要由腐殖质所携带，Fe倾向与溶解性高分子有机物结合。Fe3+容易与有机物的羧基和羟基官能团络合不仅能增加溶解性铁离子浓度，还能抑制铁氧化物的形成、铁和磷之间的反应。底泥空隙中以厌氧为主，铁离子主要以亚铁离子态存在；底泥表面的好氧/厌氧边界区，是有机铁胶体形成的主要区域，也是物质化学转化和循环的关键地方。污染物在河流中的传输UniversityofShanghaiforScienceandTechnology5.河流活性金属元素——铁的变化铁会影响底泥有机物的降解：铁在细菌分解代谢有机物过程中可充当电子受体、供体有机铁络合物容易吸收紫外光发生光化学反应较高的铁含量可促进腐殖质的絮凝和沉淀（河床截留有机物的主要途径之一）微生物影响河水和底泥中的铁浓度夏季，微生物活性达到高峰，氧化有机物，消耗溶解氧导致厌氧状态，容易引起铁和锰氧化物的离解。UniversityofShanghaiforScienceandTechnology6.营养盐的累积输送和释放磷在沉积物中的形态无机态磷：钙、镁、铁、铝形式的盐有机态磷：核酸、核素以及卵磷脂等少量吸附态和交换态的磷一般河流水体中，铁磷浓度比较高，钙磷其次，铝磷最低大部分磷由泥沙携带沉积物中的磷和氮化合物的迁移转化过程包括：各种化学、生物反应：吸附、生物分解和溶出物理过程：沉淀、分配和扩散等沉积物是磷迁移的载体、沉积的归宿和转化的起点污染物在河流中的传输UniversityofShanghaiforScienceandTechnology氮和磷的释放机制不同（一）推流迁移:（二）分散迁移（三）污染物的衰减和转化污染物在水中的运动特征分子扩散湍流扩散弥散推流作用只改变水流中污染物的位置，并不能降低污染物的浓度。UniversityofShanghaiforScienceandTechnology污染物在河流中的混合和稀释过程河流的稀释能力和效果取决于河流的水力推动和扩散能力。扩散作用包括：分子扩散、对流扩散和紊流扩散河流水的推移作用、分散作用和衰减作用过程IIIIII图I为推流迁移：a=A，∆x1=∆x0图II为推流迁移+分散：a=A，∆x1∆x0图III为推流迁移+分散+衰减：aA，∆x1∆x0UniversityofShanghaiforScienceandTechnology水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。河流水质模型水质模型的分类：1、按水域类型：河流、河口、河网、湖泊2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、多重组分（比较复杂，如综合水生态模型）3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型UniversityofShanghaiforScienceandTechnology284.按空间维数分类零维水质模型:3个方向都不考虑一维水质模型:仅考虑纵向二维水质模型:考虑纵向、横向三维水质模型:3个方向河流水质模型一维模型（稳态）假设条件：假定只在X方向上存在污染物浓度梯度xyz河流某一断面上一点的污染物浓度C的相关条件：河流流量——Q(m3/s)断面的平均流速——ux(m/s)纵向弥散系数——Dx(m2/s)排入污水的流量——q(m3/s)污水中某种污染物的浓度——cz(mg/L)河流中某种污染物的本底浓度——c1(mg/L)排放点完全混合后的初始浓度——c0(mg/L)污染物的衰减速度常数——K稳态：污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化。河流生态系统健康评价早期管理仅考虑由污染引起水体理化性质的变化，制定了水环境质量标准，进行水水体质量评价。我国的《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），将地表水体分成I-V类。仅凭水质指标进行河流生态系统评价的弊端：污染的复杂化、多样化，使得人们难以监测全部污染物；不能很好反映出流域环境变化对水生生物的影响；Ⅰ类主要适用于源头水、国家自然保护区；Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产场、仔稚幼鱼的索饵场等；Ⅲ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通到、水产养殖区等渔业水域及游泳区；Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。地表水环境质量标准（GB3838-2002）物理/化学指标：水质指标、沉积次序与组成、土壤和沉积侵蚀、流量、河道河床形态学、河岸带和湿地结构与水力学等生物学指标：大型无脊椎动物、鱼类、植物综合指标：综合考虑物理/化学指标、生物指标和人类利用价值的指标1972年美国《清洁水法》明确提出河流保护的目标是维持和恢复河流系统的完整性利用生物群落构建的多参数评价方法得到广泛的应用河流评价方法——多指标指数法IBI指数(IndexofBioticIntegrity)：IBI是一种多指标指数,其特点是将测试点的生物群落的结构、物种组成、数量及生物量等与参照点对比,得出相应的IBI值,从而得到河流的健康情况。（美国）河流状况指数(ISC:IndexofStreamCondition)是一个包括河流5种状况(水力学、物理形式、河岸带、水质、水生动物等)的综合指标。对这些指标的状况按4,3,2,1,0五级进行评分,然后按模型进行计算,得出ISC指数。（澳大利亚）WFD指标(waterFrameworkDiree