3第三章 2第二节 污染物在水中的扩散

第三章水体环境第二节污染物在水中的扩散一、污染物在水中的运动特征二、河流水体中污染物扩散的稳态解三、河流水质模型第三章水体环境一、污染物在水中的运动特征（一）推流迁移（二）分散迁移（三）污染物的衰减和转化（一）推流迁移1、何谓推流迁移？污染物在水流作用下产生的迁移作用。第三章水体环境2、作用：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。第三章水体环境xyzu3、推移通量计算公式：fx=uxc，fy=uyc，fz=uzcfx，fy，fz——x、y、z方向上污染物推移通量ux，uy，uz——在x、y、z方向上的水流速度分量c——污染物浓度第三章水体环境（二）分散作用1、分子扩散分子扩散湍流扩散弥散由分子的随机运动引起的质点的分散现象。分子的扩散过程服从斐克第一定律：分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比。（假定污染物质点的动力学特性和水质点是一致的）分子扩散是各向同性的,上式中的负号表示质点的迁移指向负梯度方向第三章水体环境2、湍流扩散在河流水体的湍流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于平均值的随机脉动而导致的分散现象。当水流体的质点的紊流瞬时脉动速度为稳定的随机变量时,湍流扩散规律可以用费克第一定律表达,即湍流扩散系数是各向异性的。湍流扩散作用是由于计算中采用时间平均值描述湍流的各种状态导致的,如果直接用瞬时值计算,就不会出现湍流扩散项。第三章水体环境3、弥散由空间各点湍流流速时平均值和流速时平均值的空间平均值的系统差别所产生的分散现象。分子的弥散过程可以用斐克第一定律来描述——分子弥散的质量通量与弥散物质的湍流平均浓度梯度成正比。第三章水体环境三种扩散运动的扩散系数在河流中的取值数量级分别为:分子扩散系数为10-5—10-4m2/s；湍流扩散系数为10-2—100m2/s；弥散系数为101—104m2/s。第三章水体环境（三）污染物的衰减和转化1、进入水体中的污染物类型（根据在水中转移和衰减形式）保守物质：进入水体后，随着水流改变空间位置，由于分散作用不断向周围扩散而降低其初始浓度，但不会改变总量。如重金属和很多高分子有机化合物。应严格控制排放，因为水环境对其没有净化能力。非保守物质：进入水体后，随着水流改变空间位置，由于分散作用不断向周围扩散而降低其初始浓度，还因污染物的自身衰减而加速浓度下降，减少总量。两种方式衰减：自身的运动变化规律决定的；另一种是在水环境因素的作用下，由于化学的或生物的反应而不断衰减，如可以生化降解的有机物在水体中的微生物作用下的氧化分解过程。•试验和实际观侧数据都证明，污染物在水环境中的衰减过程基本上符合一级反应动力学规律，即第三章水体环境2、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，只改变位置，不改变分布图II为推流迁移+分散：a=A，∆x1∆x0改变位置，改变分布图III为推流迁移+分散+衰减：aA，∆x1∆x0改变位置，改变分布，改变总量Aaxx0x1∆x0∆x1Axx0x1∆x0∆x1Axx0x1∆x0a∆x1a第三章水体环境二、河流水体中污染物扩散的稳态解（一）一维模型（二）二维模型（略）在河流水处于稳定流动状态、污染源连续稳定排放的条件下，水中的污染物分布状况也是稳定的，这时，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化。这种不随时间变化的状态称稳态。第三章水体环境（一）一维模型1、稳态在水流处于稳定流动状态污染源连续稳定排放水中的污染物分布状况稳定河流充分混合段河流恒定流动废水连续稳定排放非持久性污染物2、河流一维稳态模式的适用条件第三章水体环境第三章水体环境3、一维模型（稳态）：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——c2(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——kqQqcQcc210)](exp[204112xXxxukDDxuCC)exp(0xukxcc022KcxcuxcDxx第三章水体环境例1：向一条河流稳定排放污水，污水流量q=0.15m3/s，BOD5浓度为30mg/L，河流流量Q=5.5m3/s，流速ux=0.3m/s，本底BOD5浓度为0.5mg/L，BOD5的衰减速度常数K=0.2/d，纵向弥散系数为Dx=10m2/s，试求排放点下游10Km处的BOD5浓度。解：1、求其始点初始浓度：2、考虑纵向弥散作用条件下的下游10Km处的浓度：3、不考虑纵向弥散作用条件下的下游10Km处的浓度：)/(2832.115.05.53015.05.05.510LmgqQqcQcczLmgC/.)]..(.exp[.187931308640010204111021000030283212)/(18791.1)864003.0100002.0exp(2832.1)exp(0Lmgukxccx（二）二维模型（略）第三章水体环境02222KcycuxcuycDxcDyxyx程生通主编，环境系统分析教程，化学工业出版社2006年，P55-87xyz第三章水体环境三、河流水质模型（二）生物化学分解（三）大气复氧（四）简单河段水质模型（一）污染物与河水的混合（一）污染物与河水的混合•当污染物排入河流后，从污水排放口到污染物在河流横断面上达到均匀分布，通常要经过竖向混台与横向混合两个阶段。•竖向混台：由于河流的深度通常要比其宽度小很多，污染物排入河流后，在比较短的距离内就达到竖向的均匀分布，亦即完成竖向混合过程。•完成竖向混合所需的距离大约是水深的数倍至数十倍。在竖向混合阶段，河流中发生的物理作用十分复杂，它涉及到污水与河水之间的质量交换、热量交换与动量交换等问题。在竖向混合阶段也发生横向的混合作用。•横向混合：从污染物达到竖向均匀分布到污染物在整个断面上达到均匀分布到污染物在整个断面上达到均匀分布的过程称为横向混合阶段。•在直线均匀河道中，横向混合约主要动力是横向弥散作用。在河曲中，由于水流形成的横向环流，大大加速了横向混合的进程，完成横向混合所需的距离要比竖同混合大得多。•在横向混合完成之后，污染物在整个断面上达到均匀分布。如果没有新的污染物输入，保守性污染物质将一直保持恒定的断面浓度；非保守性物质则由于生物化学等作用产生浓度变化，但在整个断面上的分布始终是均匀的。•在竖向混合阶殴，由于研究的问题涉及到空间三个方向。竖向混合问题又称为三维混合问题。相应的横向混合问题称为二维混合问题，完成横向混合以后的问题称为一维混合问题。•如果研究的河段很长，而水深．水面宽度都相对较小，一般可以简化为一维混合问题，处理一维混合问题要比二维、三维混合问题简单得多。第三章水体环境（二）生物化学分解1、一级反应式：L——t时刻的有机物的剩余生物化学需氧量L0——初始时刻有机物的总生物化学需氧量K——有机物降解速度常数若取T1=20oC，以K20为基准，那么KT=K20θT-20θ=1.047（T=10—35oC）KteLL011TTTTKK衰减常数Kr的确定：第三章水体环境2、河流中BOD的衰减规律：LA——A断面处的BOD浓度LB——B断面BOD的浓度t——A、B断面间的流行时间若符合一级反应规律在稳态河流中BOD的变化规律：L——河流中任意断面处的BOD浓度L0——河流中起始断面BOD的浓度x——自起始断面到下游的距离ux——自起始断面到测定点的流速)ln(BArLLtK1)][exp(XuXKrLL0第三章水体环境（三）大气复氧1、来源：水中绿色植物的光合作用大气中的溶解2、模型：CS——河流中饱和溶解氧的浓度C——河流溶解氧的浓度（DO）（CS–C）——溶解氧不足量（又称氧亏值D）要恢复的溶解氧含量的最大值即复氧一般河流的溶解氧在7ppm以上，5ppm以下，各种浮游生物不能生存；4ppm以下鱼类生存极限；2ppm水体发臭。（四）简单河断水质模型——S-P模型1、条件：只有一个排放口的单一河段；将排放口的作为河段起点，x=0；将上游河段的水质作为河段水质底值；河流中的BOD衰减和溶解氧的复氧都是反应恒定的一级反应；河流中的耗氧决定于BOD。第三章水体环境河流中的溶解氧来自于大气复氧。耗氧与复氧的反映速度定常。第三章水体环境2、S-P模型基本形式：解析解为：河流的复氧速度常数。衰减速度常数；河流的河流的氧亏值；值；河流的adaddkBODkBODLDkLkdtdDLkdtdLD河流起点的氧亏值。值；河流起点的00000D][BODLeDeekkLkDeLLtktktkdadtkaadd用溶解氧来表达为：河流饱和溶解氧。stktktkdadssOeDeekkLkODOOaad00][TOs6.314680饱和溶解氧浓度Cst氧垂曲线复氧曲线耗氧曲线DOL0tc第三章水体环境3、氧垂曲线根据S-P模型绘制的溶解氧沿程变化曲线为氧垂曲线。0cadDkLkdtdD])(1[ln1000ddadadactkadckLkkDkkkkteLkkDcd则：那么：污水排放点河流BOD第三章水体环境例题：河流起始端面污水的浓度分布比较均匀，该断面的BOD浓度为22mg/L，相当于当时水温对应的饱和溶解氧为10.5mg/L。起始断面的缺氧量为0.91mg/L，河水中的BOD衰减常数为2.81/d，河水的复氧常数为6.61/d，河水流速为1.2m/s。求：河流中溶解氧浓度最低处距起始断面的距离？该处溶解氧的浓度是多大？LmgDeeLkkkLkkDkkkktdkdkLmgLLmgDctkadddadadacdacd/8922.27.6085.10OOm7569.653600240.073012.1vtSmg/L7.608226.68.2Dd0.07301]8.222)8.26.6(91.01[8.26.6ln8.26.61])(1[ln1,8.2;6.6;/22;/91.0Sc0.073018.20c001100则：解：已知：第三章水体环境0-1-2123456789(日)0481216ppm200-12-241224364860728496108(英里)清洁区水质恶化区恢复区清洁区