课件-(6水环境演化原理)

27
4. 水体耗氧、复氧参数估算
BOD降解耗氧系数K1的估算
1.由BOD的实验室试验资料估算 塞里奥特法、托马斯法
2.野外水质监测资料估算
u LA K1 ln x LB
28
4. 水体耗氧、复氧参数估算
复氧系数K2的估算
1.由现场专门试验资料估算 干扰平衡法、示踪剂法
9
1. 污染物在水中的迁移转化
2、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 1 吸。
S e kCen
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
水环境规划与管理
2012.03
1
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
2
1. 污染物在水中的迁移转化
1、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：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。
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。
21
3. 水体的复氧过程
M O MAdt M dx Adt O dt O Adx x t
代入 M
O Em x
dO K 2 Os O dt
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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
24
3. 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 水体污染对水的表面张力有所影响，从而影响大气对 水体的复氧速度 3.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。
11
2. 天然水流的扩离散系数
1、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Etz
Etz 0.068Hu*
式中：H为水深；u
*

gHJ
为摩阻流速。
式中：R为水生植物呼吸耗氧系数，mg/(L.d)；与藻类浓 度、温度等因素有关。
dO R dt
20
3. 水体的复氧过程
大气对水体的复氧作用及方程
1.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
O M Em x
12
2. 天然水流的扩离散系数
2.横向紊动扩散系数Ety
Ety Hu*
式中： 为经验性系数。灌溉渠道0.24~0.25；弯曲河道 0.4~0.8，若二次环流强烈， 1~3；其他情况0.1~0.2 3.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Ed
8
1. 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 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 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 3.纵向混合河段 横向混合河段之后的河段
33
5.1 零维水质迁移转化基本方程
稳态情况
1.水量平衡基本方程
dV Q1 Q 0, Q1 Q dt
2.水质变化基本方程
dC 0, Q Q1 , V为常数， C C1 V Si / Q dt
34
5.2 一维水质迁移转化基本方程
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。
随河流比降J的变化
J（m/km）

0.33 0.10
0.66 0.15
1.32 0.25
3.3 0.40
6.6 0.60
19
3. 水体的耗氧过程
4.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
yN LN 0 1 e KN t tC

LN0为t=tC时刻水中的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
17
3. 水体的耗氧过程
影响K1的主要因素与处理方法。
1.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 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
30
5.水质迁移转化基本方程及其解
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：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。
31
5.1 零维水质迁移转化基本方程
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。
C M mx E x 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10-9~10-8m2/s之间。
6
1. 污染物在水中的迁移转化
K1,T K1, 20 T 20
K1,T，K1,20分别为温度在T℃和标准状态温度20℃时的 为温度系数，一般取1.017. 耗氧系数，
18
3. 水体的耗氧过程
影响K1的主要因素与处理方法。
4.水力特征的影响
K1 K1, L
u
H
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
7
1. 污染物在水中的迁移转化
(4)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。 C M dx Edx x 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。
3
1. 污染物在水中的迁移转化
(1)移流作用的输移：河水移流运动，是指以时均 流速为带便的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
Fx uC
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/m3
得：
2O O Em 2 t x
22
3. 水体的复氧过程
大气对水体的复氧作用及方程
1.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：
23
3. 水体的复氧过程
1.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
4
1. 污染物在水中的迁移转化
污染物的输送率：
FA uC A QC
式中：FA为断面A上的污染物输送率，mg/s；为 u 断面平均流速，m/s； C 为断面平均浓度，mg/m3； A为过水断面面积，m2；Q为流量，m3/s.
5
1. 污染物在水中的迁移转化
(2)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。
(3)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 C M tx Etx x 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/s
32
5.1 零维水质迁移转化基本方程
非稳态情况
1.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
dV Q1 Q dt
dVC Q1C1 QC V Si dt
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
2.野外水质监测资料估算 BOD-DO耦合模型
K1 L Du K1 L D K2 D xD D t D
29
4. 水体耗氧、复氧参数估算
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-1， 求K2
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
10
1. 污染物在水中的迁移转化
3、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。
dC kcC dt
式中：kc为沉浮系数，沉淀取正号，，悬浮时取负号； C为水中污染物在t时的浓度
25
3. 水体的复氧过程
藻类对水体的复氧作用及方程
藻类光合作用产氧的速率可以用下式表达：
dO P dt
式中：t为时间；P为产氧速率；O为溶解氧浓度
26
4. 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
35
5.2 一维水质迁移转化基本方程
1.连续方程
2.动量方程
A Q q t x
z u u 1 u u 2 uq 2 x g x g t Cn R gA
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。
15
3. 水体的耗氧过程
1、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)。
13
3. 水体的耗氧与复氧过程
1、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。
14
3. 水体的耗氧与复氧过程
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。
16
3. 水体的耗氧与复氧过程
1.BOD耗氧过程
y L0 1 e K1t
2.CBOD耗氧过程


L0为起始时刻剩余BOD，K1为BOD降解的耗氧系数
yC LC 0 1 e KCt



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