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(zhuǎn)化水體的耗氧過程和復(fù)氧過程水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(kuò)散過程

按擴(kuò)散，稀釋、混合過程發(fā)展的時(shí)間和空間狀態(tài)把它分為三個(gè)階段：階段名稱起止位置空間特性時(shí)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(jìn)入河流的排放口，或釋放點(diǎn)污染物的濃度分布在整個(gè)水深都適當(dāng)均勻垂直擴(kuò)散短時(shí)間內(nèi)完成第二階段完成橫向混合階段（遠(yuǎn)區(qū)）垂向混合均勻以后，向下游延伸很遠(yuǎn)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(shí)間較長(zhǎng)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(cè)位置河流某斷面上各水質(zhì)濃度偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各橫斷間的斷面平均濃度偏差

時(shí)間長(zhǎng)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(zhuǎn)化1、稀釋擴(kuò)散的作用

平流：由于水流的平移運(yùn)動(dòng)而形成非平流：在水中的質(zhì)點(diǎn)和水流之間的相互混合的作用污染物質(zhì)在河流中的遷移可分為兩類：擴(kuò)散作用彌散作用定義、公式表達(dá)引起污染物遷移的幾種作用

（1）平流作用：是指以時(shí)均流速為代表的水體質(zhì)點(diǎn)的遷移運(yùn)動(dòng)，習(xí)慣上也稱對(duì)流運(yùn)動(dòng)、移流運(yùn)動(dòng)。某點(diǎn)污染物的時(shí)均濃度,mg/L過水?dāng)嗝嫔夏滁c(diǎn)沿X、Y、Z方向的污染物輸移通量,mg/(m2.s)某點(diǎn)沿x、y、z方向的時(shí)均流速,m/s微分算符,表示X、Y、Z方向的梯度（2）擴(kuò)散作用：分子擴(kuò)散：紊動(dòng)擴(kuò)散：流體中分子或質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的分散現(xiàn)象。

分子的無序運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的分散現(xiàn)象。流體中由于隨機(jī)紊動(dòng)（渦旋的脈動(dòng)）所引起的質(zhì)點(diǎn)分散現(xiàn)象。分子擴(kuò)散所傳遞溶質(zhì)的濃度,mg/L分子擴(kuò)散系數(shù)溶質(zhì)在X、Y、Z方向的分子擴(kuò)散的單位通量紊動(dòng)擴(kuò)散所傳遞溶質(zhì)的平均濃度,mg/L紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)溶質(zhì)在X、Y、Z方向的紊流擴(kuò)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(dǎo)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(zhuǎn)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(dāng)與懸浮于水中的泥沙等固相物質(zhì)接觸時(shí)，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(dāng)水體條件（溫度、濃度、流速等）改變時(shí)，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(fù)雜的物理化學(xué)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(dá)到平衡時(shí)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(shí)水體的污染物濃度經(jīng)驗(yàn)常數(shù)第一節(jié)污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)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(dòng)力學(xué)原理，計(jì)算河段含沙量變化過程和沖淤過程，泥沙對(duì)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(shí)取正號(hào)，表示水中污染物減少；再懸浮時(shí)取負(fù)號(hào)，表示該項(xiàng)作用使水體污染物濃度增加。水中污染物在t時(shí)的濃度第一節(jié)污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化二、天然水流的擴(kuò)散系數(shù)和離散系數(shù)1、分子擴(kuò)散系數(shù)（Em）

2、紊動(dòng)擴(kuò)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(chǎng)示蹤劑試驗(yàn)資料推算c.用經(jīng)驗(yàn)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?dāng)嗝婷娣e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(dòng)擴(kuò)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(yīng)用理論上，僅適用于斷面沿流程不變的均勻流動(dòng)，應(yīng)用于天然河道只是一種近。計(jì)算的結(jié)果只是某一斷面的Ed。對(duì)于較長(zhǎng)河段應(yīng)取若干個(gè)有代表性斷面求得的Ed進(jìn)仃平均。b.用現(xiàn)場(chǎng)示蹤劑試驗(yàn)資料推算以投放示蹤劑的斷面為起點(diǎn)至下游斷面處的距離以投放示蹤劑的時(shí)刻為零點(diǎn)起算的時(shí)間X處t時(shí)刻的示蹤劑濃度瞬時(shí)面源，等于投放的示蹤劑質(zhì)量除以過水?dāng)嗝婷娣e河段平均流速縱向離散系數(shù)c.用經(jīng)驗(yàn)公式估算費(fèi)希爾劉享立麥克奎維-凱氟Mcquivey-keefer經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.5～0.6第一節(jié)污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化三、水中有機(jī)物的降解與轉(zhuǎn)化1、水中有機(jī)物的好氧降解轉(zhuǎn)化過程水中有機(jī)物好氧生物降解轉(zhuǎn)化示意圖第一節(jié)污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化三、水中有機(jī)物的降解與轉(zhuǎn)化2、水中有機(jī)物的厭氧降解過程有機(jī)污水厭氧降解轉(zhuǎn)化過程兩段模式示意圖第一節(jié)污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化三、水中有機(jī)物的降解與轉(zhuǎn)化水體中的有機(jī)污染物的降解轉(zhuǎn)化示意圖第二節(jié)水體的耗氧過程和復(fù)氧過程一、水體的氧平衡1、水體中氧的消耗與供給①有機(jī)物在微生物作用下發(fā)生碳的氧化分解；②有機(jī)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(jī)物的厭氧分解和水底分解后產(chǎn)生有機(jī)酸和還原性氣體，這些物質(zhì)釋放在上面的水體中被氧化；④夜間光合作用停止時(shí)水生植物、藻類等的呼吸；⑤廢水中還原性物質(zhì)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(kuò)散溶解；③白天的光合作用放氧。各污染物及氧源對(duì)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(fù)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(dāng)污染物進(jìn)入河流后，在排放口處，有機(jī)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(dòng)，x的增加，有機(jī)物氧化分解過程消耗了較多的氧，耗氧速度大于復(fù)氧速度，因此曲線下垂，直到達(dá)到最大氧虧處xC時(shí)，耗氧速度等于復(fù)氧速度，此時(shí)DO最低，再往下游有機(jī)物數(shù)量減少，復(fù)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(huì)恢復(fù)到原有的濃度，甚至超出原有狀態(tài)，達(dá)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(fù)氧過程二、水體的耗氧過程1、有機(jī)物的耗氧過程有機(jī)物BOD的氧化降解曲線時(shí)間(d)BOD(mg/l)②①tcLN0LC0LCyCLNyN碳化曲線硝化曲線t時(shí)水中的剩余CBOD濃度

t時(shí)水中的剩余NBOD濃度（t>tC）已氧化降解的CBOD有機(jī)物已氧化降解的NBOD有機(jī)物t=0時(shí)水中的剩余CBOD濃度

t=tC時(shí)水中的剩余NBOD濃度

硝化過程比碳化過程滯后的時(shí)間①CBOD的耗氧

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

t-tC時(shí)水中的剩余NBOD濃度，t-tC時(shí)水中實(shí)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(dāng)NBOD的作用忽略時(shí)

第二節(jié)水體的耗氧過程和復(fù)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(shí)間向水中釋放有機(jī)物而增加的耗氧量。第二節(jié)水體的耗氧過程和復(fù)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(fù)氧過程三、水體的復(fù)氧過程1、大氣對(duì)水體的復(fù)氧作用與復(fù)氧方程分子擴(kuò)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(fù)氧過程三、水體的復(fù)氧過程1、大氣對(duì)水體的復(fù)氧作用與復(fù)氧方程氧分子擴(kuò)散通量分子擴(kuò)散理論的水體復(fù)氧模式氧在水中的分子擴(kuò)散系數(shù)X方向的溶解氧濃度梯度分子擴(kuò)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(dá)到的平衡濃度。對(duì)于比較清潔的水體，如一般的河水、湖水可按下式計(jì)算：重要定義：第二節(jié)水體的耗氧過程和復(fù)氧過程三、水體的復(fù)氧過程1、大氣對(duì)水體的復(fù)氧作用與復(fù)氧方程分子擴(kuò)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(fù)氧模式t時(shí)刻氧溶于水體的轉(zhuǎn)移速度，mg/d液膜厚度，m液膜中氧的分子擴(kuò)散系數(shù)，水溫20℃時(shí)為1.762×10-4m2/d水體的溶解氧濃度隨時(shí)間的變化復(fù)氧系數(shù)，d-1大氣對(duì)水體的復(fù)氧速度與氧虧（Os-O）成正比三、水體的復(fù)氧過程2、光合作用對(duì)溶解氧的影響第二節(jié)水體的耗氧過程和復(fù)氧過程光合作用產(chǎn)氧速率藻菌共生關(guān)系四、水體耗氧、復(fù)氧參數(shù)的估算第二節(jié)水體的耗氧過程和復(fù)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(yàn)確定2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測(cè)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(yàn)確定由BOD的實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)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(cè)資料，通過模型擬合確定2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測(cè)資料，通過模型擬合確定取上斷面的L為L(zhǎng)A，下斷面的L為L(zhǎng)B，河段長(zhǎng)為x則：取對(duì)數(shù)得：根據(jù)河段上下斷面監(jiān)測(cè)的BOD資料估算某河段長(zhǎng)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(cè)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(jì)算K1XcOsOcX(km)DcDO(mg/l)OsO00已測(cè)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(fù)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(chǎng)專門實(shí)驗(yàn)資料確定2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測(cè)資料估算3.采用公式估算四、水體耗氧、復(fù)氧參數(shù)的估算第二節(jié)水體的耗氧過程和復(fù)氧過程（二）水體復(fù)氧參數(shù)的估算1.由現(xiàn)場(chǎng)專門實(shí)驗(yàn)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(cè)資料估算已知K1條件下由氧垂曲線計(jì)算K2已知K1條件下由河段上下游斷面監(jiān)測(cè)的BOD、D資料估算0例題：2.根據(jù)野外綜合監(jiān)測(cè)資料估算已知K1條件下由氧垂曲線計(jì)算K2已知K1條件下由河段上下游斷面監(jiān)測(cè)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(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式3.采用公式估算理論模型公式半經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式3.采用公式估算理論模型公式半經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式下圖是根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的一個(gè)均勻河段穩(wěn)態(tài)條件下的氧垂曲線，并測(cè)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(zhǎng)x=13km。（1）試根據(jù)已知條件求出k1。（2）請(qǐng)描述該曲線所表明的過程。（3）若測(cè)得L0=15mg/L，請(qǐng)根據(jù)氧垂曲線及k1求k2。練習(xí)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(dāng)污染物進(jìn)入河流后，在排放口處有機(jī)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(dòng)，x的增加，有機(jī)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(dá)到最大虧氧處xC時(shí)，耗氧速度等于復(fù)氧速度，此時(shí)DO最低，再往下游有機(jī)物數(shù)量減少，復(fù)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(huì)恢復(fù)到原有的濃度，甚至超出原有狀態(tài)，達(dá)到飽和。（3）第三節(jié)水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程及其解水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程—反映污染物在水中運(yùn)動(dòng)，變化基本規(guī)律的方程稱之為水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)經(jīng)基本方程。它是針對(duì)微元水體由水流連續(xù)原理，能量守恒方程，物質(zhì)轉(zhuǎn)化與平衡原理而建立的，是建立水質(zhì)模型最基本的方程。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同污染物的不同特點(diǎn)，可進(jìn)一步建立相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。零維模型一維模型二維模型三維模型一、零維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)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(xiàng)根據(jù)水量平衡原理污染物質(zhì)量平衡原理零維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程第三節(jié)水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)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(shí)間內(nèi)由入口進(jìn)入單元水體的水量-dt時(shí)間內(nèi)從出口排出的水量=dt時(shí)間內(nèi)反應(yīng)單元的蓄水增量水量平衡基本方程水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程dt時(shí)間內(nèi)由入口進(jìn)入單元的污染物量dt時(shí)間內(nèi)從出口排出單元的污染物量dt時(shí)間內(nèi)各種作用引起的污染物轉(zhuǎn)化增量dt時(shí)間內(nèi)單元體內(nèi)污染物的變化量-+=水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程2、穩(wěn)態(tài)情況水量平衡基本方程水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程二、一維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程微分河段水量、水質(zhì)平衡示意圖第三節(jié)水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程及其解1、水流運(yùn)動(dòng)基本方程入流量出流量區(qū)間入流量時(shí)段末蓄量時(shí)段初蓄量連續(xù)方程（水量平衡基本方程）連續(xù)方程動(dòng)力方程動(dòng)力方程水面坡降遷移加速度引起的慣性坡降當(dāng)?shù)丶铀俣纫鸬膽T性坡降摩阻坡降區(qū)間入流對(duì)水面坡降的影響

dt時(shí)段內(nèi)各種因素作用引起的微河段內(nèi)某種污染物的質(zhì)量增量：2、水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程

（1）移流運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)量增量dt內(nèi)移流運(yùn)動(dòng)引起的上斷面污染物輸入量dt內(nèi)移流運(yùn)動(dòng)引起的