课件-(6水环境演化原理)

1、1水环境规划与管理水环境规划与管理2012.032第四章 水环境演化原理 1 污染物在水中的迁移转化 2 水体的耗氧过程和复氧过程 3 水质迁移转化基本方程及其解31. 污染物在水中的迁移转化 1 1、污染物的水中迁移过程：、污染物的水中迁移过程：污染物在水中的物理迁移过程，主要包括污染物随水流的输移与混合，受泥沙颗粒和底岸的吸附与解吸、沉淀与再悬浮，底泥中污染物的输运等。 水环境数学模型：水环境数学模型：根据排入水体的污染物，即污染负荷，模拟预测受纳水体未来水质状况的一种数学手段和工具。 41. 污染物在水中的迁移转化 (1)移流作用的输移移流作用的输移：河水移流运动，是指以时均流速为带便的

2、水体质点的迁移运动，也称对流运动。对于某点污染物沿流向x的输移通量为 式中：式中：Fx为过水断面上某点沿x方向的污染物输移通量，mg/(m2.s)；u为该点沿x方向的时均流速，m/s；C为该点污染物的时均浓度，mg/m3uCFx51. 污染物在水中的迁移转化 污染物的输送率污染物的输送率： 式中：式中：FA为断面A上的污染物输送率，mg/s；为断面平均流速，m/s； 为断面平均浓度，mg/m3；A为过水断面面积，m2；Q为流量，m3/s.CQACuFAuC61. 污染物在水中的迁移转化 (2)分子扩散作用的输移分子扩散作用的输移：扩散是由于物理量在空间上存在梯度使之在空间上趋于均化的物质迁移现

3、象。水中污染物由于分子的无规则运动，从高浓度区向低浓度去的运动过程，称为分子扩散。 式中：式中：Mmx某点在x方向由于分子扩散作用污染物于单位时间通过单位面积的质量，称为分子扩散通量，mg/(m2.s)；C为该点的污染物浓度，mg/m3；Em为分子扩散系数，一般在10-910-8m2/s之间。xCEMmx71. 污染物在水中的迁移转化 (3)紊动扩散作用的输移紊动扩散作用的输移：紊动扩散是由于紊流中涡旋的不规则运动一起的。紊动扩散通量，可用类似分子扩散通量的Fick定律表达 式中：式中：Mtx为沿x方向污染物的紊动扩散通量，mg/(m2.s)；Etx为x方向的紊动扩散系数，m2/sxCEMtx

4、tx81. 污染物在水中的迁移转化 (4)离散（弥散）作用的输移离散（弥散）作用的输移：由于断面流速不均匀导致的污染物沿纵向的离散现象。 式中：式中：Mdx为污染物沿x方向的离散输送通量，mg/(m2.s)；C为断面平均污染浓度，mg/m3；Edx为纵向离散系数，m2/s。xCEMdxdx91. 污染物在水中的迁移转化 由于移流和扩离散作用的存在，使废水排入河流后，在河流中一般出现三种不同混合状态的区段。 1.垂向混合河段垂向混合河段 从排污口到下游污染物沿垂直（水深）方向达到混合均匀的断面所经历的区段。2.横向混合河段横向混合河段 从垂向均匀混合断面到下游污染物在整个过水断面上均匀混合的区段

5、 3.纵向混合河段纵向混合河段 横向混合河段之后的河段101. 污染物在水中的迁移转化 2 2、吸附与解吸：、吸附与解吸：污染物或胶状物吸附在河岸、河床，降低水体的污染浓度；当水体条件改变时，再溶解于水中的过程称为解吸。 式中：Se为吸附达到平衡时水中泥沙的吸附浓度，常以ug/g计；Ce为吸附平衡时水体的污染物浓度，常以ug/L计；k、n为经验常数一般吸附能力远大于解吸能力，因此总的趋势是使水体污染浓度减少neekCS1111. 污染物在水中的迁移转化 3 3、沉淀与再悬浮：、沉淀与再悬浮：水中悬浮的泥沙既是一种污染物，也是可溶性污染物吸附剂，水质计算中经常需要考虑。 式中：kc为沉浮系数，沉

6、淀取正号，悬浮时取负号；C为水中污染物在t时的浓度CkdtdCc122. 天然水流的扩离散系数 1、分子扩散系数、分子扩散系数Em：主要与温度、溶质、压力有关，与水的流动特性无关，即表现为各项同性（10-8-10-9）。 2、紊动扩散系数、紊动扩散系数Et：主要与水流的紊动特性有关，各向异性。 1.垂向紊动扩散系数垂向紊动扩散系数Etz 式中：H为水深； 为摩阻流速。*068. 0HuEtzgHJu*132. 天然水流的扩离散系数2.横向紊动扩散系数横向紊动扩散系数Ety 式中： 为经验性系数。灌溉渠道0.240.25；弯曲河道0.40.8，若二次环流强烈，13；其他情况0.10.2*HuEt

7、y3.纵向紊动扩散系数纵向紊动扩散系数Etx 由于纵向离散系数Ed远比纵向紊动扩散系数大（几十至上百倍），所以并入纵向离散系数中考虑P70断面流速资料推求Ed143. 水体的耗氧与复氧过程 1、水体的氧平衡：、水体的氧平衡：水中溶解氧的变化是一个不断消耗又不断补充的动态平衡过程。在随水流向下游迁移扩散的同时，由于有机物的氧化分解、藻类呼吸作用等使水中的溶解氧不断消耗；另一方面，由于复氧作用和光合作用，使水在流动中的溶解氧不断得到补充。 3. 水体的耗氧与复氧过程15耗氧和复氧的共同作用，使水中的溶解氧在距离排污口下游的一段距离内，因耗氧超过复氧而沿程逐渐下降，直至最低点，而后随着复氧作用逐渐大

8、于耗氧，溶解氧沿程不断增加，并逐渐趋于溶解氧的饱和浓度，这个过程称氧垂曲线氧垂曲线。163. 水体的耗氧过程 1、水体的有机物耗氧：、水体的有机物耗氧：首先是CBOD氧化分解过程yC(t)，如线(1)；然后是NBOD氧化分解过程yN(t)，如线(2)。 前者称碳化阶段的降解耗氧过程，后者称硝化阶段的降解耗氧过程。后者一般滞后前者10d左右。3. 水体的耗氧与复氧过程171.BOD耗氧过程耗氧过程 L0为起始时刻剩余BOD，K1为BOD降解的耗氧系数2.CBOD耗氧过程耗氧过程 LC0为起始时刻水中的CBOD， KC为CBOD降解的耗氧系数3.NBOD耗氧过程耗氧过程 LN0为t=tC时刻水中的

9、NBOD， KN为NBOD降解的耗氧系数，tC为硝化过程比碳化过程滞后的时间tKeLy110tKCCCeLy10CNttKNNeLy10183. 水体的耗氧过程 影响影响K1的主要因素与处理方法的主要因素与处理方法。 1.污水特性的影响污水特性的影响 来源不同，碳水化合物、脂肪、蛋白质不同，降解速率不同，一般去原水试验测定。2.pH值的影响值的影响 生物降解具有酶的催化性质，受到pH值的影响3.水温的影响水温的影响 K1,T，K1,20分别为温度在T和标准状态温度20时的耗氧系数， 为温度系数，一般取1.017.2020, 1, 1TTKK193. 水体的耗氧过程 影响影响K1的主要因素与处理

10、方法的主要因素与处理方法。 4.水力特征的影响水力特征的影响 K1为由实际检测资料分析的值，K1,L为该河流水样实验室条件下测定的值，并按河流实际水温做了修正；u为该监测河段的平均流速，m/s；H为该监测河段的平均水深，m 随河流比降J的变化 HuKKL, 11J（m/km）0.330.661.323.36.60.100.150.250.400.603. 水体的耗氧过程204.底泥耗氧底泥耗氧 沉积底泥耗氧：深层底泥厌氧分解物进入水体耗氧；底泥再悬浮耗氧：水流速度大时，如暴雨洪水，会增加使底泥悬浮增加耗氧5.水生植物呼吸耗氧水生植物呼吸耗氧 式中：R为水生植物呼吸耗氧系数，mg/(L.d)；与

11、藻类浓度、温度等因素有关。RdtdO3. 水体的复氧过程211.分子扩散理论分子扩散理论 大气对水体的复氧作用，可以看作是一种气相和液相之间的分子扩散运动，其扩散通量可以表示为 大气对水体的复氧作用及方程大气对水体的复氧作用及方程xOEMm式中：M为氧分子扩散通量；Em为氧在水中的分子扩散系数；O为溶解氧浓度；x为水面面积A下的深度。3. 水体的复氧过程22AdxOdttOOAdtdxxMMMAdtxOEMm代入 得：22xOEtOm3. 水体的复氧过程231.双膜理论双膜理论 惠特曼-刘易斯提出在气相和液相之间的界面上，存在气体和液体两层薄膜，如图所示： 大气对水体的复氧作用及方程大气对水体

12、的复氧作用及方程3. 水体的复氧过程241.双膜理论双膜理论 气膜、液膜处于停滞状态，属层流区，气体通过分子扩散从气膜进入液膜；膜外为紊流（即湍流）区，属紊动扩散混合。水体大气复氧方程OOKdtdOs2该式表明：水体的大气复氧速度与氧亏（Os-O）成正比。该式在水质模拟预测中得到普遍应用个，但确定K2的方法却是经验性的，因为液膜厚度l，既没有办法实测，也没有理论可以证明253. 水体的耗氧过程 环境因素对K2的影响与修正 1.水温影响水温影响 水体温度的升高提高了水分子扩散的动能，从而使K2随温度上升而增加2.水体污染的影响水体污染的影响 水体污染对水的表面张力有所影响，从而影响大气对水体的复

13、氧速度3.风浪影响风浪影响 风对水面的直接影响是产生波浪，尤其在大的湖泊和水库中。3. 水体的复氧过程26藻类光合作用产氧的速率可以用下式表达： 藻类对水体的复氧作用及方程藻类对水体的复氧作用及方程PdtdO式中：t为时间；P为产氧速率；O为溶解氧浓度274. 水体耗氧、复氧参数估算 水体耗氧、复氧方程中的耗氧系数K1、大气复氧参数K2是水体有机污染预测中常用到的两个参数，必须进行确定。 确定方法主要有三类：1.按照参数的物理含义，通过专门试验确定；2.根据检测资料，通过水质模型模拟率定；3.采用经验公式和理论公式估算4. 水体耗氧、复氧参数估算281.由由BOD的实验室试验资料估算的实验室试

14、验资料估算 塞里奥特法、托马斯法2.野外水质监测资料估算野外水质监测资料估算 BOD降解耗氧系数降解耗氧系数K1的估算的估算BALLxuKln14. 水体耗氧、复氧参数估算291.由现场专门试验资料估算由现场专门试验资料估算 干扰平衡法、示踪剂法2.野外水质监测资料估算野外水质监测资料估算 BOD-DO耦合模型 复氧系数复氧系数K2的估算的估算DtDDLKDxDuDLKK1124. 水体耗氧、复氧参数估算30 例题：例题：已知某河段始端河水的L1=31mg/L，D1=6.8mg/L,流经时间dt=0.2d，到达末端时河水的L2=28.5mg/L,D2=7.2mg/L，并知该河段K1=0.43d

15、-1，求K2315.水质迁移转化基本方程及其解 水质迁移转化基本过程：水质迁移转化基本过程：反映水体污染物在水中运动、变化基本规律的方程称水质迁移转化基本方程。 方程的简化方程的简化：可以根据污染物的混合情况，将某些水体的水质计算简化为二维、一维甚至零维模型来处理。 5.1 零维水质迁移转化基本方程32可根据水量平衡和质量平衡原理建立稳态、非稳态的基本方程。5.1 零维水质迁移转化基本方程331.水量平衡基本方程(已知Q1，V=f(Q)，解出V(t)、Q(t)2.水质变化基本方程 非稳态情况QQdtdV1iSVQCCQdtdVC11式中：C为反应单元内t时的污染物浓度；C1为流入反应单元的水流

16、污染物浓度；Q1，Q分别为t时流入、流出反应单元的流量；V为反应单元内水的体积；Si为反应单元的源汇项5.1 零维水质迁移转化基本方程341.水量平衡基本方程2.水质变化基本方程 稳态情况QQQQdtdV11, 0QSVCCVQQdtdCi/, 011为常数，5.2 一维水质迁移转化基本方程35已知流量Q，断面面积A，dx间的单位河长入流流量q，污染物浓度C，污染物分子扩散通量M1、紊动扩散通量M2、纵向离散通量M3，根据水量平衡和质量平衡原理建立一维水量平衡机水质迁移转化基本方程。5.2 一维水质迁移转化基本方程361.连续方程2.动量方程qxQtAgAuqRCutugxuguxzn221式

17、中：z为水位；u为流速；Cn为谢才系数；R为水力半径；q为区间入流5.2 一维水质迁移转化基本方程373.水质变化基本方程（移流、分子扩散、紊动扩散、水流离散）idtmSxCEEExxCQtCA对于均匀河段，断面A为常量，同时Q=uA，另外E约等于Ed，所以有：iSxCExCutC22386.水质迁移转化基本方程解析解 零维模型零维模型1.稳态条件2.非稳态条件TKCQVKCC11111/1tKTtKTeCeTKRCC111011111式中：C为污染浓度；C1为入流污染浓度；Q为流入流出流量；T为滞留时间；R=Q1/Q396.水质迁移转化基本方程解析解 一维模型一维模型1.连续均匀排污情况稳态

18、解uxKCC10exp6.水质迁移转化基本方程解析解40tKEtutxEtAMtxC124exp4,式中：C为污染浓度；M为污染物质量；E为离散系数；K1为耗氧系数；x为起点距；u为流速；t为时间2.瞬时排污动态解4. 水体耗氧、复氧参数估算41 例题：例题：某均匀河段始端瞬时投放M=10kg的示踪剂，该河段u=0.5m/s,离散系数E=50m2/s，河流的过水断面面积A=20m2。试求该河段下游500m处河水中示踪剂浓度随时间的变化过程C(500,t).426.水质迁移转化基本方程有限差分解 假设河流为均匀河段，令假设河流为均匀河段，令1.迁移转化方程变为2.非稳态条件tKTtKTeCeTKRCC111011111式中：C为污染浓度；C1为入流污染浓度；Q为流入流出流量；T为滞留时间；R=Q1/QCKSi1CKxCExCutC122432ix在有些情况下要求自变量的增量本身是变化的，如图1中的1ix1iixx 和是不相等的，相应的差