第三章水環(huán)境化學(xué)-第四節(jié)水質(zhì)模型

1、n 水質(zhì)模型，是一個(gè)用于描述物質(zhì)在水環(huán)境中的混合、水質(zhì)模型，是一個(gè)用于描述物質(zhì)在水環(huán)境中的混合、遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化過程（包括物理、化學(xué)、生物作用過遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化過程（包括物理、化學(xué)、生物作用過程）的數(shù)學(xué)方程（或方程組）程）的數(shù)學(xué)方程（或方程組） .第四節(jié)第四節(jié) 水質(zhì)模型水質(zhì)模型n 水質(zhì)模型的基本原理是質(zhì)量守恒原理；建立水質(zhì)模水質(zhì)模型的基本原理是質(zhì)量守恒原理；建立水質(zhì)模型的目的是用來描述污染物數(shù)量與水環(huán)境影響因素之間型的目的是用來描述污染物數(shù)量與水環(huán)境影響因素之間的定量關(guān)系，從而為水質(zhì)分析、預(yù)測(cè)和水環(huán)境管理提供的定量關(guān)系，從而為水質(zhì)分析、預(yù)測(cè)和水環(huán)境管理提供基礎(chǔ)的量化依據(jù)?；A(chǔ)的量化依據(jù)。 n

2、本節(jié)討論的水質(zhì)模型主要是：氧平衡模型、湖泊富本節(jié)討論的水質(zhì)模型主要是：氧平衡模型、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化模型和有毒有機(jī)污染物歸趨模型。營(yíng)養(yǎng)化模型和有毒有機(jī)污染物歸趨模型。1. 1. Streeter-PhelpsStreeter-Phelps（S-PS-P）模型（河流水質(zhì)自凈模型）模型（河流水質(zhì)自凈模型）nS-PS-P模型的建立基于兩項(xiàng)假設(shè)：模型的建立基于兩項(xiàng)假設(shè)：（1 1）只考慮好氧微生物參加的有機(jī)物降解反應(yīng)，并）只考慮好氧微生物參加的有機(jī)物降解反應(yīng)，并認(rèn)為該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。認(rèn)為該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。（2 2）河流中的耗氧只是有機(jī)物降解反應(yīng)引起的。有）河流中的耗氧只是有機(jī)物降解反應(yīng)引起的。有機(jī)物的降解反應(yīng)

3、速率與河水中溶解氧機(jī)物的降解反應(yīng)速率與河水中溶解氧( (DO)DO)的減少速的減少速率相同，大氣中的氧進(jìn)入水體的復(fù)氧速率與河水中率相同，大氣中的氧進(jìn)入水體的復(fù)氧速率與河水中的虧氧量的虧氧量 D D 成正比。成正比。一、氧平衡模型一、氧平衡模型式中式中:L河水中的河水中的BOD值，值，mg/L；D河水虧氧值，河水虧氧值，mg/L,是飽和溶解氧濃度是飽和溶解氧濃度Cs （mg/L）與實(shí)際溶解氧濃度與實(shí)際溶解氧濃度C（mg/L）的差值的差值D=CS-C；k1河水河水耗氧速度常數(shù)，耗氧速度常數(shù)，1d；k2河水復(fù)氧速度常數(shù)，河水復(fù)氧速度常數(shù)，1d；u u河水平均流速河水平均流速km/d;x-順河水流動(dòng)方

4、向的縱向距離順河水流動(dòng)方向的縱向距離km。S-PS-P模型的基本方程為：模型的基本方程為：0,0,00 xCCxLL)()(/2101/0/02121uxkuxkuxkssuxkeekkLkeCCCCeLL當(dāng)邊界條件當(dāng)邊界條件S-PS-P模型基本方程模型基本方程的解析解為的解析解為:05101520250246810012345678X kmL mg/LL mg/LDOmg/LDOmg/LS-P 模型的臨界點(diǎn)和臨界點(diǎn)氧濃度模型的臨界點(diǎn)和臨界點(diǎn)氧濃度n 以以S-P解析解中溶解氧解析解中溶解氧C對(duì)距離作圖可得一條下垂曲線，對(duì)距離作圖可得一條下垂曲線，稱為氧垂曲線。稱為氧垂曲線。n 氧垂曲線最低點(diǎn)所

5、對(duì)應(yīng)的溶解氧，稱為極限溶解氧氧垂曲線最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溶解氧，稱為極限溶解氧Cc，出出現(xiàn)現(xiàn)Cc的距離稱為極限距離的距離稱為極限距離xc；n 在極限距離處在極限距離處xc，溶解氧變化率為零，由，溶解氧變化率為零，由S-P方程可得：方程可得：極限距離：極限距離：極限溶解氧：極限溶解氧：（DC為極限氧虧）為極限氧虧）2 2托馬斯托馬斯(Thomas)模型模型n對(duì)于一維靜態(tài)河流，在對(duì)于一維靜態(tài)河流，在S SP P模型的基礎(chǔ)上考慮沉淀、絮模型的基礎(chǔ)上考慮沉淀、絮凝、沖刷和再懸浮過程對(duì)凝、沖刷和再懸浮過程對(duì)BODBOD變化的影響，引入了變化的影響，引入了BODBOD沉沉浮系數(shù)浮系數(shù)k k3 3DkLkdxdD

6、uLkkdxdLu2131)(n 當(dāng)邊界條件當(dāng)邊界條件0,0,00 xCCxLL求取解析解可得：求取解析解可得：二、水體富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型二、水體富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型1 1水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題n 水的停留時(shí)間較長(zhǎng)（可達(dá)數(shù)月至數(shù)年），屬于緩流水域，水的停留時(shí)間較長(zhǎng)（可達(dá)數(shù)月至數(shù)年），屬于緩流水域，其中的化學(xué)和生物學(xué)過程保持一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。其中的化學(xué)和生物學(xué)過程保持一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。n 進(jìn)入湖泊和水庫(kù)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在其中容易積累，致使水進(jìn)入湖泊和水庫(kù)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在其中容易積累，致使水質(zhì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。質(zhì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。n 在水深較大的湖、庫(kù)中，水溫和水質(zhì)是豎向分層的。在水深較大的湖、庫(kù)中

7、，水溫和水質(zhì)是豎向分層的。湖泊湖泊(水庫(kù)水庫(kù))的水質(zhì)特征：的水質(zhì)特征：n 指在人類活動(dòng)的影響下，氮、磷等生物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大指在人類活動(dòng)的影響下，氮、磷等生物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、水庫(kù)、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮量進(jìn)入湖泊、水庫(kù)、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，引起魚游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，引起魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。 雨水：雨水： 雨水中硝酸鹽的含量在雨水中硝酸鹽的含量在 0.16 -1.06 0.16 -1.06 mg/Lmg/L間，氨氮間，氨氮含量在含量在 0.04 - 1.70 0

8、.04 - 1.70 mg/Lmg/L間，大面積湖泊和水庫(kù)從雨水間，大面積湖泊和水庫(kù)從雨水受納氮數(shù)量相當(dāng)可觀。受納氮數(shù)量相當(dāng)可觀。 農(nóng)業(yè)排水：農(nóng)業(yè)排水： 土壤中的氮、磷通過地表水徑流被引入到湖土壤中的氮、磷通過地表水徑流被引入到湖泊、水庫(kù)。泊、水庫(kù)。 水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來源水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來源城市污水：城市污水：包括：排泄物、食品污物，含磷洗滌劑。污水廠包括：排泄物、食品污物，含磷洗滌劑。污水廠通過厭氧處理污泥的方法可去除通過厭氧處理污泥的方法可去除20205050的氮和大部分的磷的氮和大部分的磷，但在污水處理中也使用到多種含氮、磷的化學(xué)試劑，如氯，但在污水處理中也使用到多種含氮、磷的化學(xué)試劑，如氯

9、胺、有機(jī)絮凝劑、無機(jī)助絮凝劑、多聚磷酸鈉等。胺、有機(jī)絮凝劑、無機(jī)助絮凝劑、多聚磷酸鈉等。其他來源：其他來源：包括工業(yè)廢水等。包括工業(yè)廢水等。湖泊水質(zhì)模型的類型：湖泊水質(zhì)模型的類型：n 湖泊水質(zhì)模型可劃分為：多元相關(guān)模型；輸入輸出湖泊水質(zhì)模型可劃分為：多元相關(guān)模型；輸入輸出模型；富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型和擴(kuò)散模型，這里僅討論富模型；富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型和擴(kuò)散模型，這里僅討論富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型。營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型。2. 富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型n 對(duì)于停留時(shí)間很長(zhǎng)、水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的中小對(duì)于停留時(shí)間很長(zhǎng)、水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的中小型湖泊和水庫(kù)，可視為一個(gè)均勻混合的水體。型湖泊和水庫(kù)，可視為一個(gè)均勻混合的

10、水體。n 沃蘭偉德假定，湖泊中某種營(yíng)養(yǎng)物的濃度隨時(shí)間的沃蘭偉德假定，湖泊中某種營(yíng)養(yǎng)物的濃度隨時(shí)間的變化率，是輸入、輸出和在湖泊內(nèi)沉積的該種營(yíng)養(yǎng)物量變化率，是輸入、輸出和在湖泊內(nèi)沉積的該種營(yíng)養(yǎng)物量的函數(shù)，用質(zhì)量平衡方程表示就是：的函數(shù)，用質(zhì)量平衡方程表示就是：cVqcIdtdcVPP)(cPVIdtdcPWP)(簡(jiǎn)化可得：簡(jiǎn)化可得：湖泊富營(yíng)湖泊富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的養(yǎng)物質(zhì)的變化變化=單位時(shí)間輸單位時(shí)間輸入湖泊營(yíng)養(yǎng)入湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量物質(zhì)的量單位時(shí)間輸單位時(shí)間輸出湖泊營(yíng)養(yǎng)出湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量物質(zhì)的量單位時(shí)間單位時(shí)間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉積的量沉積的量即：即：式中：式中：c - c - 湖水平均總磷濃度湖水平均總磷濃

11、度 mg/L, mg/L, I IP P 輸入湖泊磷的濃度輸入湖泊磷的濃度 g/dg/d P PW W - - 水力沖刷系數(shù)水力沖刷系數(shù) P PW W = q / V (d= q / V (d-1-1) ) q - q - 出湖河道流量出湖河道流量 m m3 3/d, V/d, V 湖泊容積湖泊容積 m m3 3 P P - - 磷的沉降速率常數(shù)磷的沉降速率常數(shù) d d-1-1 t - t - 河水入湖時(shí)間河水入湖時(shí)間 d d令邊界條件令邊界條件: t = 0, C = C0 ； t=t, C = C對(duì)上式積分可得對(duì)上式積分可得:n 當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，利用上面的積分解可求取湖泊、當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，利用

12、上面的積分解可求取湖泊、水庫(kù)中污染物水庫(kù)中污染物(營(yíng)養(yǎng)物營(yíng)養(yǎng)物)的平衡濃度的平衡濃度.n 在水質(zhì)分析和水質(zhì)預(yù)測(cè)中在水質(zhì)分析和水質(zhì)預(yù)測(cè)中,利用該式可求出湖泊、利用該式可求出湖泊、水庫(kù)中污染物達(dá)到一指定濃度水庫(kù)中污染物達(dá)到一指定濃度CT所需時(shí)間所需時(shí)間t0。表征環(huán)境特征：取決于實(shí)際水環(huán)境。表征環(huán)境特征：取決于實(shí)際水環(huán)境。( (水流量水流量, ,流速流速, ,pH,pH,水溫水溫, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,細(xì)菌數(shù)細(xì)菌數(shù), ,光強(qiáng)等）光強(qiáng)等）三、有毒有機(jī)物的歸趨模型三、有毒有機(jī)物的歸趨模型n 通過研究水環(huán)境中各種有機(jī)毒物的動(dòng)力學(xué)模型，可通過研究水環(huán)境中各種有機(jī)毒物的動(dòng)力學(xué)模型，可以預(yù)測(cè)污染物在環(huán)境中濃度的時(shí)空

13、分布，以及通過各種以預(yù)測(cè)污染物在環(huán)境中濃度的時(shí)空分布，以及通過各種遷移轉(zhuǎn)化過程后的最終歸趨，這對(duì)合理使用有機(jī)有毒物遷移轉(zhuǎn)化過程后的最終歸趨，這對(duì)合理使用有機(jī)有毒物質(zhì)意義重大。質(zhì)意義重大。有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)機(jī)理有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)機(jī)理表征化合物固有性質(zhì)：可由實(shí)驗(yàn)室測(cè)得。表征化合物固有性質(zhì)：可由實(shí)驗(yàn)室測(cè)得。（溶解度（溶解度, ,蒸汽蒸汽 壓，辛醇水分配系數(shù)等）壓，辛醇水分配系數(shù)等）模型中的水模型中的水質(zhì)參數(shù)：質(zhì)參數(shù)：化合物遷移轉(zhuǎn)化過程：化合物遷移轉(zhuǎn)化過程：n負(fù)載過程（輸入過程）負(fù)載過程（輸入過程）來源：污水人為排放，來源：污水人為排放，大氣沉降，陸地徑流大氣沉降，陸地徑流等將有機(jī)毒物

14、引入水等將有機(jī)毒物引入水體。體。n遷移過程遷移過程 沉淀沉淀- -溶解作用：有機(jī)或無機(jī)物溶解度對(duì)其遷移轉(zhuǎn)化可溶解作用：有機(jī)或無機(jī)物溶解度對(duì)其遷移轉(zhuǎn)化可利用性的影響，將改變遷移的速率。利用性的影響，將改變遷移的速率。 對(duì)流作用：水流作用使污染物進(jìn)入（排出）特定水生對(duì)流作用：水流作用使污染物進(jìn)入（排出）特定水生生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)。 揮發(fā)作用：大氣、水中濃度分布。揮發(fā)作用：大氣、水中濃度分布。 沉積作用：底部沉積物的吸附沉積作用：底部沉積物的吸附- -解吸。解吸。n 形態(tài)過程形態(tài)過程 酸堿平衡：酸堿平衡：PHPH值、有機(jī)酸堿分?jǐn)?shù)值、有機(jī)酸堿分?jǐn)?shù)( (離子、分子離子、分子) )，揮發(fā)，揮發(fā)作用等。作用

15、等。 吸著吸著- -解吸平衡：有機(jī)物滯留在懸浮顆粒物或沉積物上解吸平衡：有機(jī)物滯留在懸浮顆粒物或沉積物上的過程最終將影響其歸趨。的過程最終將影響其歸趨。n轉(zhuǎn)化過程轉(zhuǎn)化過程 生物降解：微生物代謝將改變污染物和它們的毒性。生物降解：微生物代謝將改變污染物和它們的毒性。 光解作用：破壞有毒有機(jī)物分子的結(jié)構(gòu)。光解作用：破壞有毒有機(jī)物分子的結(jié)構(gòu)。 水解作用：使污染物分子變成簡(jiǎn)單分子，低毒或無毒化水解作用：使污染物分子變成簡(jiǎn)單分子，低毒或無毒化合物。合物。 氧化還原：微生物催化氧化氧化還原：微生物催化氧化, ,光催化氧化光催化氧化, ,均將改變有機(jī)均將改變有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)。分子的結(jié)構(gòu)。n 生物積累過程生物積

16、累過程 生物濃縮：通過可能的生物濃縮手段（如魚腮吸附），生物濃縮：通過可能的生物濃縮手段（如魚腮吸附）， 攝取有機(jī)物進(jìn)入生物體。攝取有機(jī)物進(jìn)入生物體。 生物放大：高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物以低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物為食物，使生生物放大：高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物以低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物為食物，使生 物體中有機(jī)毒物的濃度隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)的提高而逐步增大。物體中有機(jī)毒物的濃度隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)的提高而逐步增大。污染物歸趨模式研究思路污染物歸趨模式研究思路n從研究單個(gè)的主要遷移轉(zhuǎn)化過程著手，建立單個(gè)過程從研究單個(gè)的主要遷移轉(zhuǎn)化過程著手，建立單個(gè)過程的模式，作為整體模式的基礎(chǔ)。的模式，作為整體模式的基礎(chǔ)。n假設(shè)某化合物從水環(huán)境消失的總速率，是各個(gè)單過程假設(shè)某化合物從水

17、環(huán)境消失的總速率，是各個(gè)單過程消失速率之和，每個(gè)單過程的速率均是一級(jí)反應(yīng)過程，消失速率之和，每個(gè)單過程的速率均是一級(jí)反應(yīng)過程，總速率亦同。總速率亦同。 n模式中環(huán)境具有固定特征，環(huán)境參數(shù)不變，速率方程為模式中環(huán)境具有固定特征，環(huán)境參數(shù)不變，速率方程為準(zhǔn)一級(jí)方程，并假定有機(jī)污染物不會(huì)改變環(huán)境參數(shù)。準(zhǔn)一級(jí)方程，并假定有機(jī)污染物不會(huì)改變環(huán)境參數(shù)。n假定吸著過程不是瞬間能完成的，但其速率遠(yuǎn)快于揮發(fā)假定吸著過程不是瞬間能完成的，但其速率遠(yuǎn)快于揮發(fā)和其他過程轉(zhuǎn)化速率。因此，模式不適用于污染源近地和其他過程轉(zhuǎn)化速率。因此，模式不適用于污染源近地距離，只適用于長(zhǎng)時(shí)間大范圍。距離，只適用于長(zhǎng)時(shí)間大范圍。模型建立

18、步驟：模型建立步驟：1.1.計(jì)算有機(jī)物因轉(zhuǎn)化和揮發(fā)從水環(huán)境中消失速率計(jì)算有機(jī)物因轉(zhuǎn)化和揮發(fā)從水環(huán)境中消失速率CEKRRtiiiKi表示表示i過程速率常數(shù)，過程速率常數(shù)，Ei表示表示i過程環(huán)境參數(shù)過程環(huán)境參數(shù)KT=Kvm (揮發(fā)揮發(fā))+Kb(生物降解生物降解)+KP (光光 降解降解)+Kh (水解水解)CKCKRTiT當(dāng)當(dāng)Ei固定時(shí)，固定時(shí)，n有機(jī)物在顆粒物上的吸著會(huì)降低有機(jī)物在水中的濃度，有機(jī)物在顆粒物上的吸著會(huì)降低有機(jī)物在水中的濃度，吸著也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化（如微生物轉(zhuǎn)化代謝），但在這里吸著也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化（如微生物轉(zhuǎn)化代謝），但在這里不考慮轉(zhuǎn)化過程或轉(zhuǎn)化很慢（比溶液中慢），并且吸不考慮轉(zhuǎn)化過程或轉(zhuǎn)化很慢（比溶液中慢），并且吸著過程具有可逆性。著過程具有可逆性。2.2.吸著過程對(duì)有機(jī)物消失的影響吸著過程對(duì)有機(jī)物消失的影響WSPCCKWPSTCCCCn 當(dāng)有機(jī)物含量很低時(shí)，它在水和顆粒物之間的分配往當(dāng)有機(jī)物含量很低時(shí)，它在水和顆粒物之間的分配往往可以用分配系數(shù)往可以用分配系數(shù)(