水環(huán)境演化原理111

第三章水環(huán)境演化原理授課人：李暢游史小紅污染物在水中的遷移轉化水體的耗氧過程和復氧過程水質遷移轉化基本方程及其解第三章水環(huán)境演化原理第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化一、污染物在水中的遷移過程（1）污染物隨水流的推移與混合（2）受泥沙顆粒和底岸的吸附與解吸，沉淀與再懸?。?）底泥中污染物的輸送污染物在河流中稀釋擴散過程

按擴散，稀釋、混合過程發(fā)展的時間和空間狀態(tài)把它分為三個階段：階段名稱起止位置空間特性時間特性起止第一階段完成垂向混合階段（摻混段，近區(qū)）污染源進入河流的排放口，或釋放點污染物的濃度分布在整個水深都適當均勻垂直擴散短時間內完成第二階段完成橫向混合階段（遠區(qū)）垂向混合均勻以后，向下游延伸很遠污染源濃度在河流橫向開始充分混合出現(xiàn)扇形帶狀污染帶，并逐漸展寬消失所需時間較長第三階段縱向污染階段橫斷面上充分混合以后向下隨延伸到污染物濃度監(jiān)測位置河流某斷面上各水質濃度偏差遠遠小于各橫斷間的斷面平均濃度偏差

時間長重要公式：

河流平均寬度河流平均流速河流平均水深摩阻流速河流水力坡降重力加速度中心排放岸邊排放第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化1、稀釋擴散的作用

平流：由于水流的平移運動而形成非平流：在水中的質點和水流之間的相互混合的作用污染物質在河流中的遷移可分為兩類：擴散作用彌散作用定義、公式表達引起污染物遷移的幾種作用

（1）平流作用：是指以時均流速為代表的水體質點的遷移運動，習慣上也稱對流運動、移流運動。某點污染物的時均濃度,mg/L過水斷面上某點沿X、Y、Z方向的污染物輸移通量,mg/(m2.s)某點沿x、y、z方向的時均流速,m/s微分算符,表示X、Y、Z方向的梯度（2）擴散作用：分子擴散：紊動擴散：流體中分子或質點的隨機運動所產(chǎn)生的分散現(xiàn)象。

分子的無序運動所產(chǎn)生的分散現(xiàn)象。流體中由于隨機紊動（渦旋的脈動）所引起的質點分散現(xiàn)象。分子擴散所傳遞溶質的濃度,mg/L分子擴散系數(shù)溶質在X、Y、Z方向的分子擴散的單位通量紊動擴散所傳遞溶質的平均濃度,mg/L紊動擴散系數(shù)溶質在X、Y、Z方向的紊流擴散的單位通量（3）彌散作用：由于斷面非均勻流速作用，而引起的污染物離散現(xiàn)象為剪切流中的縱向離散或彌散。斷面平均濃度,mg/L離散系數(shù)污染物沿X、Y、Z方向的離散輸送通量縱向離散起主導作用10-9～10-8m2/s10-2～10-1m2/s10～103m2/s第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化2、吸附與解吸作用

引起污染物遷移的幾種作用

水中溶解的污染物或膠狀物，當與懸浮于水中的泥沙等固相物質接觸時，將被吸附在泥沙表面，并在適宜的條件下隨泥沙一起沉入水底，使水的污染濃度降低，起到凈化作用；相反，被吸附的污染物，當水體條件（溫度、濃度、流速等）改變時，也可能又溶于水中，使水體的污染濃度增加。前者稱吸附，后者稱解吸。復雜的物理化學過程

弗勞德利希吸附等溫式（Freundlich）海納利吸附等溫式（Henery）吸附達到平衡時水中泥沙的吸附濃度，等于泥沙吸附的污染物總量除以泥沙總量吸附平衡時水體的污染物濃度經(jīng)驗常數(shù)第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化3、沉淀與再懸浮

引起污染物遷移的幾種作用

按照河流動力學原理，計算河段含沙量變化過程和沖淤過程，泥沙對污染物的吸附—解吸作用，污染物的沉淀與再懸浮。沉淀與再懸浮系數(shù)，沉淀時取正號，表示水中污染物減少；再懸浮時取負號，表示該項作用使水體污染物濃度增加。水中污染物在t時的濃度第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化二、天然水流的擴散系數(shù)和離散系數(shù)1、分子擴散系數(shù)（Em）

2、紊動擴散系數(shù)（Et）3、河流縱向離散系數(shù)（Ed）

a.用斷面流速分布資料推算b.用現(xiàn)場示蹤劑試驗資料推算c.用經(jīng)驗公式估算a.用斷面流速分布資料推算縱向離散系數(shù)過水斷面面積水面寬第i塊面積的水面寬河流縱坡降第i塊面積的橫向紊動擴散系數(shù)分別為第i塊面積的左邊、右邊及平均水深第i塊面積的摩阻流速斷面平均流速第i塊面積的平均流速應用理論上，僅適用于斷面沿流程不變的均勻流動，應用于天然河道只是一種近。計算的結果只是某一斷面的Ed。對于較長河段應取若干個有代表性斷面求得的Ed進仃平均。b.用現(xiàn)場示蹤劑試驗資料推算以投放示蹤劑的斷面為起點至下游斷面處的距離以投放示蹤劑的時刻為零點起算的時間X處t時刻的示蹤劑濃度瞬時面源，等于投放的示蹤劑質量除以過水斷面面積河段平均流速縱向離散系數(shù)c.用經(jīng)驗公式估算費希爾劉享立麥克奎維-凱氟Mcquivey-keefer經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.5～0.6第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化三、水中有機物的降解與轉化1、水中有機物的好氧降解轉化過程水中有機物好氧生物降解轉化示意圖第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化三、水中有機物的降解與轉化2、水中有機物的厭氧降解過程有機污水厭氧降解轉化過程兩段模式示意圖第一節(jié)污染物在水中的遷移轉化三、水中有機物的降解與轉化水體中的有機污染物的降解轉化示意圖第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程一、水體的氧平衡1、水體中氧的消耗與供給①有機物在微生物作用下發(fā)生碳的氧化分解；②有機物的分解產(chǎn)物氨氮因硝化作用氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽；③沉積在河底的淤泥發(fā)生有機物的厭氧分解和水底分解后產(chǎn)生有機酸和還原性氣體，這些物質釋放在上面的水體中被氧化；④夜間光合作用停止時水生植物、藻類等的呼吸；⑤廢水中還原性物質耗氧；⑥水流挾帶一定的溶解氧輸送到下游。①水體和廢水中原來含有的氧；②大氣中氧向水中擴散溶解；③白天的光合作用放氧。各污染物及氧源對DO的影響-=D=Os-O氧虧溶解氧飽和溶解氧XcOsOcX(km)DcDO(mg/l)OsO0第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程一、水體的氧平衡2、氧垂曲線飽和溶解氧臨界氧虧臨界溶解氧最大氧虧值的臨界距離排污口水中溶解氧曲線所表明的過程為：當污染物進入河流后，在排放口處，有機物尚未來得急耗氧，因此開始河中溶解氧減少尚不多，隨著河水的流動，x的增加，有機物氧化分解過程消耗了較多的氧，耗氧速度大于復氧速度，因此曲線下垂，直到達到最大氧虧處xC時，耗氧速度等于復氧速度，此時DO最低，再往下游有機物數(shù)量減少，復氧速度大于耗氧速度，曲線逐漸回升。如不再受到新的污染，河水中的DO會恢復到原有的濃度，甚至超出原有狀態(tài)，達到飽和。氧垂曲線所表明過程的描述：第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程二、水體的耗氧過程1、有機物的耗氧過程有機物BOD的氧化降解曲線時間(d)BOD(mg/l)②①tcLN0LC0LCyCLNyN碳化曲線硝化曲線t時水中的剩余CBOD濃度

t時水中的剩余NBOD濃度（t>tC）已氧化降解的CBOD有機物已氧化降解的NBOD有機物t=0時水中的剩余CBOD濃度

t=tC時水中的剩余NBOD濃度

硝化過程比碳化過程滯后的時間①CBOD的耗氧

t時水中的剩余CBOD濃度，t時水中實際存在的有機物濃度剩余CBOD的降解速率系數(shù)，一般簡稱降解系數(shù)或耗氧系數(shù)，表示單位時間內Lc的相對衰減速率，單位：d-1積分得：②NBOD的耗氧

t-tC時水中的剩余NBOD濃度，t-tC時水中實際存在的NBOD濃度LN的降解系數(shù)或耗氧系數(shù)，單位：d-1積分得：③BOD的總耗氧過程

當NBOD的作用忽略時

第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程二、水體的耗氧過程2、底泥的耗氧底泥使水體增加的BOD，mg/L水深，m底泥耗氧系數(shù)，mg/（m2·d），表示單位面積底泥在單位時間向水中釋放有機物而增加的耗氧量。第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程二、水體的耗氧過程3、水生植物呼吸耗氧水生植物呼吸耗氧系數(shù)，mg/（L·d）。水生植物呼吸耗氧速率。第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程三、水體的復氧過程1、大氣對水體的復氧作用與復氧方程分子擴散理論、雙膜理論、薄膜更新理論、大漩渦模型等曝氣作用第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程三、水體的復氧過程1、大氣對水體的復氧作用與復氧方程氧分子擴散通量分子擴散理論的水體復氧模式氧在水中的分子擴散系數(shù)X方向的溶解氧濃度梯度分子擴散理論、雙膜理論、薄膜更新理論、大漩渦模型等飽和溶解氧濃度Os：是一定的大氣壓和水溫下溶解氧達到的平衡濃度。對于比較清潔的水體，如一般的河水、湖水可按下式計算：重要定義：第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程三、水體的復氧過程1、大氣對水體的復氧作用與復氧方程分子擴散理論、雙膜理論、薄膜更新理論、大漩渦模型等雙膜理論的水體復氧模式t時刻氧溶于水體的轉移速度，mg/d液膜厚度，m液膜中氧的分子擴散系數(shù)，水溫20℃時為1.762×10-4m2/d水體的溶解氧濃度隨時間的變化復氧系數(shù)，d-1大氣對水體的復氧速度與氧虧（Os-O）成正比三、水體的復氧過程2、光合作用對溶解氧的影響第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程光合作用產(chǎn)氧速率藻菌共生關系四、水體耗氧、復氧參數(shù)的估算第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程（一）水體耗氧參數(shù)的估算1.按照參數(shù)的物理含義，通過專門試驗確定2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測資料，通過模型擬合確定1.按照參數(shù)的物理含義，通過專門試驗確定由BOD的實驗室化驗資料估算t1t2t3…ti…tny1y2y3…yi…ynBOD的降解系數(shù)待估系數(shù)的近似值允許偏差量最小二乘法abab02.根據(jù)野外綜合監(jiān)測資料，通過模型擬合確定2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測資料，通過模型擬合確定取上斷面的L為LA，下斷面的L為LB，河段長為x則：取對數(shù)得：根據(jù)河段上下斷面監(jiān)測的BOD資料估算某河段長x=13km，中間既無支流，也無污水排放口，枯水期流量及污染物濃度穩(wěn)定。測得河段上下游斷面的BOD濃度：LA=30mg/L，LB=18.5mg/L平均流速u=10.5km/d，試求出k1

已知K2條件下，由氧垂曲線計算K1XcOsOcX(km)DcDO(mg/l)OsO00已測得某均勻河段在穩(wěn)態(tài)條件下的氧垂曲線——溶解氧沿程分布，和L0=15mg/L，u=100km/d，飽和溶解氧濃度為9.0mg/L，復氧系數(shù)為2，試求出k1

x010306090120150180200溶解氧7.56.485.34.845.136.326.336.897.221.由現(xiàn)場專門實驗資料確定2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測資料估算3.采用公式估算四、水體耗氧、復氧參數(shù)的估算第二節(jié)水體的耗氧過程和復氧過程（二）水體復氧參數(shù)的估算1.由現(xiàn)場專門實驗資料確定干擾平衡法示蹤劑法亞硫酸鈉、鈷

熒光染料、氚水、氪-852.根據(jù)野外綜合監(jiān)測資料估算已知K1條件下由氧垂曲線計算K2已知K1條件下由河段上下游斷面監(jiān)測的BOD、D資料估算0例題：2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測資料估算已知K1條件下由氧垂曲線計算K2已知K1條件下由河段上下游斷面監(jiān)測的BOD、D資料估算例題：3.采用公式估算理論模型公式半經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式3.采用公式估算理論模型公式半經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式3.采用公式估算理論模型公式半經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式下圖是根據(jù)試驗測得的一個均勻河段穩(wěn)態(tài)條件下的氧垂曲線，并測得河段中某上下游斷面的BOD濃度：LA=30mg/L，

LB=18.5mg/L平均流速u=10.5km/d，河段長x=13km。（1）試根據(jù)已知條件求出k1。（2）請描述該曲線所表明的過程。（3）若測得L0=15mg/L，請根據(jù)氧垂曲線及k1求k2。練習題：(Xc=60Os=9.0Oc=1.0X(km)(Dc)DO(mg/l)解：（1）（2）曲線所表明的過程為當污染物進入河流后，在排放口處有機物尚未來得急耗氧，因此開始河中溶解氧減少尚不多，隨著河流的流動，x的增加，有機物氧化分解過程消耗了較多的氧，耗氧速度大于充氧速度，因此曲線下垂，直到達到最大虧氧處xC時，耗氧速度等于復氧速度，此時DO最低，再往下游有機物數(shù)量減少，復氧速度大于耗氧速度，曲線逐漸回升。如不再受到新的污染，河水中的DO會恢復到原有的濃度，甚至超出原有狀態(tài)，達到飽和。（3）第三節(jié)水質遷移轉化基本方程及其解水質遷移轉化基本方程—反映污染物在水中運動，變化基本規(guī)律的方程稱之為水質遷移轉經(jīng)基本方程。它是針對微元水體由水流連續(xù)原理，能量守恒方程，物質轉化與平衡原理而建立的，是建立水質模型最基本的方程。在此基礎上，結合不同污染物的不同特點，可進一步建立相應的水質數(shù)學模型。零維模型一維模型二維模型三維模型一、零維水質遷移轉化基本方程入流流量污染物濃度混合后濃度流出流量源漏項根據(jù)水量平衡原理污染物質量平衡原理零維水質遷移轉化基本方程第三節(jié)水質遷移轉化基本方程及其解1、非穩(wěn)態(tài)情況水量平衡基本方程dt時間內由入口進入單元水體的水量-dt時間內從出口排出的水量=dt時間內反應單元的蓄水增量水量平衡基本方程水質遷移轉化基本方程dt時間內由入口進入單元的污染物量dt時間內從出口排出單元的污染物量dt時間內各種作用引起的污染物轉化增量dt時間內單元體內污染物的變化量-+=水質遷移轉化基本方程2、穩(wěn)態(tài)情況水量平衡基本方程水質遷移轉化基本方程二、一維水質遷移轉化基本方程微分河段水量、水質平衡示意圖第三節(jié)水質遷移轉化基本方程及其解1、水流運動基本方程入流量出流量區(qū)間入流量時段末蓄量時段初蓄量連續(xù)方程（水量平衡基本方程）連續(xù)方程動力方程動力方程水面坡降遷移加速度引起的慣性坡降當?shù)丶铀俣纫鸬膽T性坡降摩阻坡降區(qū)間入流對水面坡降的影響

dt時段內各種因素作用引起的微河段內某種污染物的質量增量：2、水質遷移轉化基本方程

（1）移流運動引起的質量增量dt內移流運動引起的上斷面污染物輸入量dt內移流運動引起的