第三章水體環(huán)境第二節(jié)污染物在水中的擴(kuò)散一、污染物在水中的運(yùn)動(dòng)特征二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解三、河流水質(zhì)模型第三章水體環(huán)境一、污染物在水中的運(yùn)動(dòng)特征（一）推流遷移（二）分散遷移（三）污染物的衰減和轉(zhuǎn)化（一）推流遷移1、何謂推流遷移？污染物在水流作用下產(chǎn)生的遷移作用。第三章水體環(huán)境2、作用：推流作用只改變水流中污染物的位置，并不能降低污染物的濃度。第三章水體環(huán)境xyzu3、推移通量計(jì)算公式：fx=uxc，fy=uyc，fz=uzcfx，fy，fz——x、y、z方向上污染物推移通量ux，uy，uz

——在x、y、z方向上的水流速度分量c——污染物濃度第三章水體環(huán)境（二）分散作用1、分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散湍流擴(kuò)散彌散由分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)點(diǎn)的分散現(xiàn)象。分子的擴(kuò)散過程服從斐克第一定律：分子擴(kuò)散的質(zhì)量通量與擴(kuò)散物質(zhì)的濃度梯度成正比。（假定污染物質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)特性和水質(zhì)點(diǎn)是一致的）分子擴(kuò)散是各向同性的,上式中的負(fù)號(hào)表示質(zhì)點(diǎn)的遷移指向負(fù)梯度方向第三章水體環(huán)境2、湍流擴(kuò)散在河流水體的湍流場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的各種狀態(tài)（流速、壓力、濃度等）的瞬時(shí)值相對(duì)于平均值的隨機(jī)脈動(dòng)而導(dǎo)致的分散現(xiàn)象。當(dāng)水流體的質(zhì)點(diǎn)的紊流瞬時(shí)脈動(dòng)速度為穩(wěn)定的隨機(jī)變量時(shí),湍流擴(kuò)散規(guī)律可以用費(fèi)克第一定律表達(dá),即湍流擴(kuò)散系數(shù)是各向異性的。湍流擴(kuò)散作用是由于計(jì)算中采用時(shí)間平均值描述湍流的各種狀態(tài)導(dǎo)致的,如果直接用瞬時(shí)值計(jì)算,就不會(huì)出現(xiàn)湍流擴(kuò)散項(xiàng)。第三章水體環(huán)境3、彌散由空間各點(diǎn)湍流流速時(shí)平均值和流速時(shí)平均值的空間平均值的系統(tǒng)差別所產(chǎn)生的分散現(xiàn)象。分子的彌散過程可以用斐克第一定律來描述——分子彌散的質(zhì)量通量與彌散物質(zhì)的湍流平均濃度梯度成正比。第三章水體環(huán)境三種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散系數(shù)在河流中的取值數(shù)量級(jí)分別為:分子擴(kuò)散系數(shù)為10-5—10-4m2/s；湍流擴(kuò)散系數(shù)為10-2—100m2/s；彌散系數(shù)為101—104m2/s。第三章水體環(huán)境（三）污染物的衰減和轉(zhuǎn)化1、進(jìn)入水體中的污染物類型（根據(jù)在水中轉(zhuǎn)移和衰減形式）保守物質(zhì)：

進(jìn)入水體后，隨著水流改變空間位置，由于分散作用不斷向周圍擴(kuò)散而降低其初始濃度，但不會(huì)改變總量。如重金屬和很多高分子有機(jī)化合物。應(yīng)嚴(yán)格控制排放，因?yàn)樗h(huán)境對(duì)其沒有凈化能力。非保守物質(zhì)：進(jìn)入水體后，隨著水流改變空間位置，由于分散作用不斷向周圍擴(kuò)散而降低其初始濃度，還因污染物的自身衰減而加速濃度下降，減少總量。兩種方式衰減：自身的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律決定的；另一種是在水環(huán)境因素的作用下，由于化學(xué)的或生物的反應(yīng)而不斷衰減，如可以生化降解的有機(jī)物在水體中的微生物作用下的氧化分解過程。試驗(yàn)和實(shí)際觀側(cè)數(shù)據(jù)都證明，污染物在水環(huán)境中的衰減過程基本上符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即第三章水體環(huán)境2、河流水的推移作用、分散作用和衰減作用過程IIIIII圖I為推流遷移：a=A，?x1=?x0

，只改變位置，不改變分布圖II為推流遷移+分散：a=A，?x1>?x0

改變位置，改變分布圖III為推流遷移+分散+衰減：a<A，?x1>?x0改變位置，改變分布，改變總量Aaxx0x1?x0?x1Axx0x1?x0?x1Axx0x1?x0a?x1a第三章水體環(huán)境二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解（一）一維模型（二）二維模型（略）在河流水處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)、污染源連續(xù)穩(wěn)定排放的條件下，水中的污染物分布狀況也是穩(wěn)定的，這時(shí)，污染物在某一空間位置的濃度不隨時(shí)間變化。這種不隨時(shí)間變化的狀態(tài)稱穩(wěn)態(tài)。第三章水體環(huán)境（一）一維模型1、穩(wěn)態(tài)在水流處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)污染源連續(xù)穩(wěn)定排放水中的污染物分布狀況穩(wěn)定河流充分混合段河流恒定流動(dòng)廢水連續(xù)穩(wěn)定排放非持久性污染物2、河流一維穩(wěn)態(tài)模式的適用條件第三章水體環(huán)境第三章水體環(huán)境3、一維模型（穩(wěn)態(tài)）：xyz河流某一斷面上一點(diǎn)的污染物濃度C的相關(guān)條件：河流流量——Q(m3/s)斷面的平均流速——ux

(m/s)縱向彌散系數(shù)——Dx

(m2/s)排入污水的流量——q(m3/s)污水中某種污染物的濃度——c2(mg/L)河流中某種污染物的本底濃度——c1(mg/L)排放點(diǎn)完全混合后的初始濃度——c0(mg/L)污染物的衰減速度常數(shù)——k第三章水體環(huán)境例1：向一條河流穩(wěn)定排放污水，污水流量q=0.15m3/s，BOD5濃度為30mg/L，河流流量Q=5.5m3/s，流速ux=0.3m/s，本底BOD5濃度為0.5mg/L，BOD5的衰減速度常數(shù)K=0.2/d，縱向彌散系數(shù)為Dx=10m2/s，試求排放點(diǎn)下游10Km處的BOD5濃度。解：1、求其始點(diǎn)初始濃度：2、考慮縱向彌散作用條件下的下游10Km處的濃度：3、不考慮縱向彌散作用條件下的下游10Km處的濃度：（二）二維模型（略）第三章水體環(huán)境程生通主編，環(huán)境系統(tǒng)分析教程，化學(xué)工業(yè)出版社2006年，P55-87xyz第三章水體環(huán)境三、河流水質(zhì)模型（二）生物化學(xué)分解（三）大氣復(fù)氧（四）簡單河段水質(zhì)模型（一）污染物與河水的混合（一）污染物與河水的混合

當(dāng)污染物排入河流后，從污水排放口到污染物在河流橫斷面上達(dá)到均勻分布，通常要經(jīng)過豎向混臺(tái)與橫向混合兩個(gè)階段。豎向混臺(tái)：由于河流的深度通常要比其寬度小很多，污染物排入河流后，在比較短的距離內(nèi)就達(dá)到豎向的均勻分布，亦即完成豎向混合過程。完成豎向混合所需的距離大約是水深的數(shù)倍至數(shù)十倍。在豎向混合階段，河流中發(fā)生的物理作用十分復(fù)雜，它涉及到污水與河水之間的質(zhì)量交換、熱量交換與動(dòng)量交換等問題。在豎向混合階段也發(fā)生橫向的混合作用。橫向混合：從污染物達(dá)到豎向均勻分布到污染物在整個(gè)斷面上達(dá)到均勻分布到污染物在整個(gè)斷面上達(dá)到均勻分布的過程稱為橫向混合階段。在直線均勻河道中，橫向混合約主要?jiǎng)恿κ菣M向彌散作用。在河曲中，由于水流形成的橫向環(huán)流，大大加速了橫向混合的進(jìn)程，完成橫向混合所需的距離要比豎同混合大得多。在橫向混合完成之后，污染物在整個(gè)斷面上達(dá)到均勻分布。如果沒有新的污染物輸入，保守性污染物質(zhì)將一直保持恒定的斷面濃度；非保守性物質(zhì)則由于生物化學(xué)等作用產(chǎn)生濃度變化，但在整個(gè)斷面上的分布始終是均勻的。在豎向混合階毆，由于研究的問題涉及到空間三個(gè)方向。豎向混合問題又稱為三維混合問題。相應(yīng)的橫向混合問題稱為二維混合問題，完成橫向混合以后的問題稱為一維混合問題。如果研究的河段很長，而水深．水面寬度都相對(duì)較小，一般可以簡化為一維混合問題，處理一維混合問題要比二維、三維混合問題簡單得多。第三章水體環(huán)境（二）生物化學(xué)分解1、一級(jí)反應(yīng)式：L——t時(shí)刻的有機(jī)物的剩余生物化學(xué)需氧量L0——初始時(shí)刻有機(jī)物的總生物化學(xué)需氧量K——有機(jī)物降解速度常數(shù)若取T1=20oC，以K20為基準(zhǔn)，那么KT=K20θT-20

θ=1.047（T=10—35oC）衰減常數(shù)Kr的確定：第三章水體環(huán)境2、河流中BOD的衰減規(guī)律：LA——A斷面處的BOD濃度LB——B斷面BOD的濃度t——A、B斷面間的流行時(shí)間若符合一級(jí)反應(yīng)規(guī)律在穩(wěn)態(tài)河流中BOD的變化規(guī)律：L——河流中任意斷面處的BOD濃度L0——河流中起始斷面BOD的濃度x——自起始斷面到下游的距離ux——自起始斷面到測(cè)定點(diǎn)的流速第三章水體環(huán)境（三）大氣復(fù)氧1、來源：水中綠色植物的光合作用大氣中的溶解2、模型：CS——河流中飽和溶解氧的濃度C——河流溶解氧的濃度（DO）（CS–

C）——溶解氧不足量（又稱氧虧值D）要恢復(fù)的溶解氧含量的最大值即復(fù)氧一般河流的溶解氧在7ppm以上，5ppm以下，各種浮游生物不能生存；4ppm以下魚類生存極限；2ppm水體發(fā)臭。（四）簡單河斷水質(zhì)模型——S-P模型1、條件：只有一個(gè)排放口的單一河段；將排放口的作為河段起點(diǎn)，x=0；將上游河段的水質(zhì)作為河段水質(zhì)底值；河流中的BOD衰減和溶解氧的復(fù)氧都是反應(yīng)恒定的一級(jí)反應(yīng)；河流中的耗氧決定于BOD。第三章水體環(huán)境河流中的溶解氧來自于大氣復(fù)氧。耗氧與復(fù)氧的反映速度定常。第三章水體環(huán)境2、S-P模型基本形式：解析解為：用溶解氧來表達(dá)為：0溶解氧DO飽和溶解氧濃度Cst氧垂曲線復(fù)氧曲線耗氧曲線DODcL0tc第三章水體環(huán)境3、氧垂曲線根據(jù)S-P模型繪制的溶解氧沿程變化曲線為氧垂曲線。則：那么：污水排放點(diǎn)河流BOD第三章水體環(huán)境例題：河流起始端面污水的濃度分布比較均勻，該斷面的BOD濃度為22mg/L，相當(dāng)于當(dāng)時(shí)水溫對(duì)應(yīng)的飽和溶解氧為10.5mg/L。起始斷面的缺氧量為0.91mg/L，河水中的BOD衰減常數(shù)為2.81/