多沙河流中石油类污染物迁移的一维数学模型(Ⅱ-解吸模型).pdf

水水 利利 学学 报报 2004 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 10 期 1 文章编号 0559 9350 2004 10 0125 04 多沙河流中石油类污染物迁移的一维数学模型 解吸模型 黄廷林 1 任磊2 1 西安建筑科技大学 环境与市政工程学院 陕西 西安 710055 2 中国石油规划总院 环保安全所 北京 100083 摘要 摘要 本文建立了一维河流石油类污染物 解吸为主 的动态水质模型 模型方程中考虑了河流悬移质 推移质 泥沙和底泥与石油类之间发生的吸附 解吸的动态过程 以及河流弥散作用对石油类污染物在多沙河流中迁移的影 响 模型还考虑了底泥解吸与泥沙解析在速率上的差别 使模型更加精确实用 运用拉普拉斯变换 求得了模型 方程法的解析解 用室内烧杯试验的方法确定出了研究区域内的污染底泥解吸常数kdw 结合室内水槽动态试验 对解吸模型进行了验证 结果表明 该模型能够较好地描述一维多沙河流污染沉积物中石油类污染物的解吸过程 关键词 关键词 石油类污染物 多沙河流 迁移模型 解吸模型 中图分类号 中图分类号 TV142 文献标识码 文献标识码 A 石油类污染物在河流中的迁移过程主要受河流水文条件 水力条件 污染物性质和水体沉积物性质的 影响 1 2 根据污染方式和污染过程的不同 可将模型分为两类 第一类是描述 含油废水以点源形式进 入河流后 用于描述石油类污染物被泥沙和底泥所吸附的 吸附模型 第二类是描述 采油井场内或油 田开发区内受石油类污染的表层土在降雨径流条件下解吸石油类进入水相的过程 可称为 解吸模型 在解吸模型中必然伴随相对洁净泥沙对石油类污染物的吸附作用 所以这里的 解吸模型 描述的是一个 解吸 吸附的动态平衡过程 并且以解吸为主 1 解吸模型的建立与求解 1 1 基本迁移方程的建立1 1 基本迁移方程的建立 根据石油类污染物在径流中的分布特点 3 4 以及水相中 径流泥沙颗粒上 及底泥上的石油类污染物吸附平衡关系和物料平衡方程 考虑到延河水文与径流特征 可建立一维多沙河 流石油类污染物迁移转化基本方程 5 t C At C A A S t C A A S x C D xx C V t C ssswww 322 2 11 1 1 式中 Cw为水相中水油类污染物浓度 A A1 A2为分别为河流过水断面面积 悬移质与推移质过流断面面 积 A A1 A2 V为河流断面平均流速 S1为悬移质泥沙的断面平均浓度 S2为推移质泥沙的断面平均浓度 Cs1为单位重量悬移质泥沙对水相石油类污染物的吸附量 Cs2为单位重量推移质泥沙对水相石油类污染物的 吸附量 Cs3为单位面积底泥对水相石油类污染物的吸附量 D为河流纵向弥散系数 为湿周 1 2 解吸模型 的 建 立1 2 解吸模型 的 建 立 解吸为主的河流水质模型中解吸源主要是地表径流下被石油类污染物污染的底 泥和随水流迁移的泥沙 收稿日期 2003 05 20 基金项目 教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助 作者简介 黄廷林 1963 男 山东潍坊人 教授 从事水资源保护与微污染控制等研究 水水 利利 学学 报报 2004 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 10 期 2 底泥与上覆水体主要是通过水 底泥界面完成传质 而水流中悬移质和推移质泥沙主要是通过水流的 紊动作用在水固两相充分掺混的状态下完成传质 基于以上原因 底泥与上覆水体间的解吸过程进行较缓 慢 其达到平衡需要的时间比径流泥沙完成相应的过程长的多 这一点可以通过室内模拟试验得到证实 6 时间长达48h的室内动态模拟结果表明 试验结束后底泥的污染强度为实验初始污染强度的85 以上 说明 在解吸过程中底泥的污染强度下降非常缓慢 可认为在该时段内底泥的污染强度不变 水相中石油类污染物浓度变化速率主要决定于水相在t时刻的浓度与平衡浓度的差值和沉积物在t时 刻的污染强度与平衡污染强度的差值 即 dCw dt kdw Cwe Cw kds Cs Cse 2 式中 Cw为水相在t时刻的石油类浓度 Cwe为水相平衡石油类浓度 Cs为底泥在t时刻的石油类污染强度 Cse为底泥石油类平衡污染强度 kdw kds为研究流域内实际条件下的解吸速率常数 式 2 右端第二项表示沉积物污染强度变化对水相污染过程的影响 在实际污染过程中 水相浓度从 开始到平衡的时段内 沉积物中石油类浓度变化很小 式 2 可以简化为 dCw dt kdw Cwe Cw 3 底泥中的石油类解吸进入水相后 与水相中的泥沙发生吸附作用 而得到重新分配 所以主要由解吸 造成的水体石油类污染必然是涉及吸附和解吸作用的动态过程 结合式 3 和式 1 可得到以解吸为主的河流石油类污染模型基本方程为 wwedw sswww CCk t C A A S t C A A S x C D xx C V t C 22 2 11 1 4 把悬移质和推移质泥沙合并为总含沙量S 并把平衡关系 Cs1 k1Cw Cs2 代入式 4 简化得 wwedw wwww CCk t C Sk x C D x C V t C 1 2 2 5 解吸过程中底泥石油污染物浓度变化很小 而且本文模型模拟的是上覆水体受影响最严重的底泥解吸 初期 可认为在该时段内底泥的污染强度近似恒定 另外 假定水流在流经污染河床前未受石油类污染 则模型方程的边界条件为 Cw x 0 0 Cw 0 t 0 Cw t 0 Cs x t Cs0 6 式中 Cs0为常数 这样方程 5 6 就构成了描述解吸过程的一维多沙河流中石油类污染物迁移方程的定 界问题 1 3 解吸模型 的 求 解1 3 解吸模型 的 求 解 对方程 5 进行化简 wwedw www CCk x C D x C V t C Sk 2 2 1 1 7 令k d kdw 1 Sk1 a V 1 Sk1 M D 1 Sk1 式 7 可进一步简化为 水水 利利 学学 报报 2004 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 10 期 3 wwed www CCk x C M x C a t C 2 2 8 式 8 进行拉普拉斯变换 得 CkpCkCMCaCp dedxxx 9 解得 d wewe d d wedwe d we d wewed d d we d e d wed d d wed kp C p C M kp M M kp M a x M ax pM Ck M aC kpM aC kp C p C M kp M a M kp M a M kp M a x M ax p C kp C kpp Ck x M kpMaa kpp Ck C 4 4 exp 2 exp 4 4 4 4 4 exp 2 exp 2 4 exp 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 10 用卷积公式 平移公式 放大公式等对式 10 进行拉普拉斯逆变换 可得 tkd tM x erfct M a tk M a M k d tM x erfct M a tk M a M a d tM x erfct M a tk M a MC txC dd d d d we w exp1 24 2 exp 24 2 exp 4 24 2 exp 4 0 2 2 0 2 22 0 2 22 11 方程 11 简化可得 tkd tM x erfct M a tk M a M k M a d tM x erfct M a tk M a M a C txC dd d d we w exp1 24 2 exp 4 24 2 exp 4 0 2 22 0 2 22 12 水水 利利 学学 报报 2004 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 10 期 4 上式即为解吸为主的一维多沙河流石油类污染物迁移转化模型的解析解 2 模型的验证 2 1 参数 kdw的 确 定2 1 参数 kdw的 确 定 在1000ml大烧 杯中 把已经被水饱和的含有定量石油 类污染的泥沙 由采自延安当地的地表 土壤制备而成 均匀铺设于杯底 厚度为 5 0cm 在其上缓缓加入未受石油类污染 的蒸馏水 形成简单的解吸体系 在上 覆水体中加以搅拌 强度以使泥沙不大 量悬起而造成底泥结构的破坏为准 分 时段监测水体石油类污染物浓度 分析 方法同前 结果如表1 表 1 底 泥 解 吸 污 染 强 度6796mg kg 静 态 试 验 结果表 1 底 泥 解 吸 污 染 强 度6796mg kg 静 态 试 验 结果 序号解吸时间 min Cw Cwe序号解吸时间 min Cw Cwe 1 5 0 317 35 0 94 2 10 0 628 40 0 95 3 15 0 719 45 0 96 4 20 0 8510 60 0 97 5 25 0 9111 120 1 6 30 0 9312 240 1 积分解吸时水相石油类浓度的简化动力学式 式 3 得 tkCC dwwew 1exp1 13 根据试验结果和式 13 可以拟合本试验条件下的kdw 1 3 10 3 2 2 动态模拟结 果 分 析2 2 动态模拟结 果 分 析 以室内闭路循环水槽内进行的动态试验结果对模型进行验证 动态试验系统主要由有机玻璃水槽 加压设备 管路系统 流量调节系统 量测系统和补给水源等几 部分组成 实验时首先在槽内均匀铺设已污染的黄土沉积物 沉积物采自研究区域内 以模拟受污染底泥 然后在 水槽内通入未受污染的清水 并通过泵和回水管路使其循环 动态试验装置的主要水力参数为 宽度 b 78mm 水深h 50mm 坡度i 0 008 平均流速V 0 332m s D 4 5m 2 s 试验条件为 底泥污染强度C s0分 别为864 6796mg kg 图1 2为实测和模型预测水相污染强度比较结果 由图可知 实测值与计算值拟合 均较好 表明所建立的一维多沙河流底泥中石油类解吸为主的污染过程的模拟方程具有较强的模拟与预测 功能与实用性 图1 解吸为主的河流水质模型的验证 V 0 332m s Cs0 864mg kg 图2 解吸为主的河流水质模型的验证 V 0 332m s Cs0 6796mg kg 3 结论 水水 利利 学学 报报 2004 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 10 期 5 1 建立了一维多沙河流石油类污染物解吸模型方程 运用拉普拉斯变换求得了方程解析解 2 在试 验水槽宽度为78mm 水深50mm 坡度0 008 平均流速V 0 332m s D 4 5m 2 s 底泥污染总石油污染浓度 Cs0为864 6796mg kg条件下进行了室内水槽动态试验 利用试验结果对模型进行了检验 结果表明本文建 立的一维多沙河流底泥中石油类解吸模型具有较强的模拟 预测功能与实用性 参考文献 参考文献 1 黄廷林 解岳 延河沉积物的石油污染调查与分析 J 环境工程 2000 18 4 2 黄廷林 任磊 黄土地区石油类污染物的径流污染模拟及模型预测 J 中国环境科学 2000 20 4 3 Douligeris C Iakovou E Englehardt J D et al Development of a national marine oil transportation system model J Spill Science 2 Planning and Engineering Institute Petrochina Company Limited Beijing 100083 China Abstract The 1 D mathematical model describing the water quality of river polluted by oil characterized by desorption effect is established In the model the dynamic process of adsorption desorption interaction between sediment and oil as well as the dispersion effect of flow on oil pollution transport are taken into account The Laplace transformation is adopted to deduce the analytical solution of t