天然河流纵向离散系数确定方法的研究进展.doc

6水环境影响预测与评价6.1水体中污染物的迁移与转化6.1.1水体中污染物迁移与转化概述水体中污染物的迁移与转化包括物理输移过程，化学转化过程和生物降解过程。6.1.1.1物理过程物理过程作用主要指的是污染物在水体中的混合稀释和自然沉淀过程。沉淀作用指排入水体的污染物中含有的微小的悬浮颗粒，如颗粒态的重金属、虫卵等由于流速较小逐渐沉到水底。污染物沉淀对水质来说是净化，但对底泥来说则污染物反而增加。混合稀释作用只能降低水中污染物的浓度，不能减少其总量。水体的混合稀释作用主要由下面三部分作用所致。（1）紊动扩散。由水流的紊动特性引起水中污染物自高浓度向低浓度区转移的紊动扩散。（2）移流。由于水流的推动使污染物迁移的随流输移。（3）离散。由于水流方向横断面上流速分布的不均匀（由河岸及河底阻力所致）而引起分散。6.1.1.2化学过程氧化还原反应是水体化学净化的重要作用。流动的水流通过水面波浪不断将大气中的氧气溶入，这些溶解氧与水中的污染物将发生氧化反应，如某些重金属离子可因氧化生成难溶物（如铁、锰等）而沉降析出；硫化物可氧化为硫代硫酸盐或硫而被净化。还原作用对水体净化也有作用，但这类反应多在微生物作用下进行。天然水体接近中性，酸碱反应在水体中的作用不大。天然水体中含有各种各样的胶体，如硅、铝、铁等的氢氧化物、黏土颗粒和腐殖质等，由于有些微粒具有较大的表面积，另有一些物质本身就是凝聚剂，这就是天然水体所具有的混凝沉淀作用和吸附作用，从而使有些污染物随着这些作用从水中去除。6.1.1.3生物过程生物自净的基本过程是水中微生物（尤其是细菌）在溶解氧充分的情况下，将一部分有机污染物当作食饵消耗掉，将另一部分有机污染物氧化分解成无害的简单无机物。影响生物自净作用的关键是：溶解氧的含量，有机污染物的性质、浓度以及微生物的种类、数量等。生物自净的快慢与有机污染物的数量和性质有关。生活污水、食品工业废水中的蛋白质、脂肪类等是极易分解的。但大多数有机物分解缓慢，更有少数有机物难分解，如造纸废水中的木质素、纤维素等，需经数月才能分解，另有不少人工合成的有机物极难分解并有剧毒，如滴滴涕、六六六等有机氯农药和用作热传导体的多氯联苯等。水生物的状况与生物自净有密切关系，它们担负着分解绝大多数有机物的任务。蠕虫能分解河底有机污泥，并以之为食饵。原生动物除了因以有机物为食饵对自净有作用外，还和轮虫、甲壳虫等一起维持着河道的生态平衡。藻类虽不能分解有机物，但与其他绿色植物一起在阳光下进行光合作用，将空气中的二氧化碳转化为氧，从而成为水中氧气的重要补给源。其他如水体温度、水流状态、天气、风力等物理和水文条件以及水面有无影响复氧作用的油膜、泡沫等均对生物自净有影响。6.1.2河流水体中污染物的对流和扩散混合废水进入河流水体后，不是立即就能在整个河流断面上与河流水体完全混合。虽然在垂向方向上一般都能很快地混合，但往往需要经过很长一段纵向距离才能达到横向完全混合。这段距离通常称为横向完全混合距离（x1）。纵向距离（x）小于x1的区域称为横向混合区，大于x1的区域称为断面完全混合区。如图6.1-1所示。在某些较大的河流中，横向混合可能达不到对岸，横向混合区不断向下游远处扩展，形成所谓“污染带”。在不同的区域，影响污染物的浓度和输移、转化特性的主要物理、化学过程也有差异。在横向混合区，排入的废水和上游来水的初始混合稀释程度，取决于排放口的各种特性和河流状况。随着水流携带污染物向下游输移，横向混合使污染物沿河流横向分散，进一步与上游来水混合稀释。图6.1-1污染物在河流中的混合示意在横向混合以下的完全混合区，污染物在河流断面上完全混合。在该区域，通过一系列的物理、化学和生物的输移、转化过程，污染物的浓度被进一步降低。这些过程通常采用质量输移、扩散方程、一级动力学反应方程来描述。在大多数的情况下，扩散系数、反应速率都可能随空间和时间的变化而变化。在河流中，影响污染物输移的最主要的物理过程是对流和横向、纵向扩散混合。对流是溶解态或颗粒态物质随水流的运动。可以在横向、垂向、纵向发生对流。在河流中，主要是纵向的。所要求的数据只是上游来流量。河流流量可以通过测流、示踪研究或曼宁公式计算得到。对于较复杂的水流，要获得可靠的流量数据，需要进行专门的水动力学实测及模拟计算。横向扩散指是由于水流中的紊动作用，在流动的横向方向上，溶解态或颗粒态物质的混合。可以根据包含河流水深、流速以及河道的不规则性的公式来估算横向扩散系数EL。在横向混合区内，对流和横向扩散混合是最重要的，有时纵向混合也不能忽略。纵向离散是由于主流在横、垂方向上的流速分布不均匀而引起的在流动方向上的溶解态或颗粒态质量的分散混合。纵向离散系数EX包括多个因素。目前大多数的计算公式都包含流速、河宽、水深、河床粗糙系数。不同的计算公式得到的数值不同。较可靠的数值是使用示踪研究得到的数值。6.1.3海水中污染物的混合扩散排放到海洋中的污水，一般是含有各种污染物的淡水。它的密度都比海水小，入海后一面与海水混合而稀释，一面在海面向四周扩展。图6.1-2给出了污水入海后混合扩散的一个剖面。反映弱混合海域，即潮汐较小，潮流不大，垂直混合较弱海域的扩散状况。从图6.1-2中可以看出，排放到海中的污水浮在海洋表层向外扩展，它的稀释是海水通过它的底面逐渐混入到污水中进行的。随着离排污口距离的增加，稀释倍数也逐渐增加。污水层的厚度在排放口附近较深，然后逐渐减小。向外扩展到一定程度，即污水的密度达到一定界限值即形成扩展前沿一锋面，这时污水的稀释倍数达到60100倍左右。锋面外侧的海水明显向污水层下方潜入，形成清晰的界面，即所谓锋面，这样的界面在污水层的底部也清晰可见。锋面受到风和潮的作用，其形状和出现的地点会不断变化，有时会变得模糊不清。污水层的厚度通常为12m，污水从排出口到达它的前沿约需12小时。根据大量的实测资料，扩散域的面积与排放量之间有如下经验关系：1gA=1.2261gQ+0.0855式中A，若是淡水的情况，则表示稀释60100倍时的扩展范围（m2）；若是温排水的情况，则表示形成12温差的限界面积（m2），Q为排放量（m3/d）。图6.1-2污水在海面上的扩展温排水在海里的对流扩散规律与COD等一般污染物类似，但有不同点，温排水温度比海水高，热水总是会浮到冷水上面，如果浅海中潮流混合比较强烈，温排水入海后不久就和水体垂直混合均匀，如果垂直混合不是很强烈时，则温排水只影响到水的表层，这时需要用复杂的三维模型来描述，根据美、法科学家对温排水预测的研究结果，用修正后二维模型预测温排水的影响分布，同样可得到合理的结果，这时温排水只影响到浅表层24m。温排水携带的热量除了被潮流带走一部分，另一部分通过与大气的热交换释放到大气中。这个热交换的强度由R（表面综合散热系数）表示，一般与水温、水面风速等有关。溢油在海面上的变化是极其复杂的，其中主要有物理过程、化学过程和生物过程等，同时与当地海区气象条件，海水运动有着直接的关系。溢油动力学过程一般划分为扩展过程和漂移过程。扩展过程：对实际溢油事件的观测发现，在溢油的最初数十小时内，扩展过程占支配地位，这种支配地位随时间而逐渐变弱，扩展过程主要受惯性力、重力、粘性力和表面张力控制，扩展过程可分为三个阶段：惯性一重力阶段；重力一粘性阶段；粘性一表面张力阶段。扩展过程的一个明显特征是它的各向异性，如在主风向上，油膜被拉长，在油漠的迎风面上形成堆积等。漂移过程：漂移过程是油膜在外界动力场（如风应力、油水界面切应力等）驱动下的整体运动，其运动速度由三部分组成，即潮流、风海流、风浪余流，前二者不会因油膜存在而发生大的变化。天然河流纵向离散系数确定方法的研究进展引自水利水电科技进展第27卷第2期 发布时间：（2007-6-14 16:28:07）点击次数：857 作者：顾 莉，华祖林（河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京；河海大学环境科学与工程学院浅水湖泊综合治理与综合开发教育部重点实验室，江苏 南京） 摘要：对天然河流纵向离散系数的确定方法进行综述，详细分析了理论公式、示踪试验、经验公式这3种方法的研究现状和发展趋势。讨论了基于断面流速分布的理论