第3.3节 污染物在水中的扩散
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环境化学-第三章-水环境化学-第二节-水中无机污染物的迁移转化知识交流
之，pE越大，电子浓度越低，体系接受电子的倾向就越强。
(2)氧化还原电位E和pE的关系
Ox ＋ne→Red
(1)
根据Nernst方程
E＝E0-(2.303RT/nF)lg[Red]/[Ox] (2) 当反应达平衡时，定义
E0＝(2.303RT/nF) lgK
(3)
从上述化学方程式(1)，可写出
K= [Red]/{[Ox][e]n }
如果考虑到羟基配合作用，那么金属氧化物或氢氧化物的 溶解度（MeT）表征为：
MeT = [ Mez+ ] +∑[ Me(OH)nz-n ]
固体的氧化物和氢氧化物具有两性的特征，它们和质子或 羟基离子都发生反应，存在一个pH值，在该值下溶解度为最 小值。在碱性或酸性更强的pH值区域内，溶解度都会变得更 大。
因此，在 H2S 和硫化物均达到饱和的溶液中，溶液重金属离子 的饱和浓度为： [Me2+]=Ksp/[S2-]=Ksp [H+]2/Ksp´ =Ksp [H+]2/（0.1K1K2）
3、碳酸盐
——多相平衡，pH通过控制碳酸根浓度影响沉淀平衡
封闭体系： 只考虑固相和液相，把 H2CO3* 当作不挥发酸类处理。
吸附量随粒度增大而减少，并且当溶质浓度范围固定 时，吸附量随颗粒物浓度增大而减少。
温度变化、几种离子共存（竞争作用）等。
3、沉积物中重金属的释放——属于二次污染问题
诱发释放的主要因素有： （1）盐浓度升高：碱金属和碱土金属阳离子可将被吸附在固体颗
粒上的金属离子交换出来。
（2）氧化还原条件的变化：有机物增多，产生厌氧环境、铁锰氧 化物还原溶解，使结合在其中的金属释放出来。
2、它在中性表面甚至在与吸附离子带相同电荷符号的表面 也能进行吸附作用。
第三章水环境化学-第三节水中有机污染物的迁移
2005吉林石化苯爆炸
硝基苯
松花江
背景介绍：
2005年11月13日，中国石油吉林石化分公司双苯厂硝基 苯精馏塔发生爆炸，造成8人死亡，60人受伤，直接经济 损失6908万元。
事故形成的硝基苯污染带流经吉林、黑龙江两省引发松 花江水污染，在国内历时42天，12月25日进入俄罗斯。
水污染导致下游哈尔滨市供水中断，瓶装饮用水迅速脱 销，全市浴池、洗车行、美容院紧急封停；部分企业停工； 哈尔滨全市中小学被迫停课。
三线相交处，得到三个pH值IAN、INB、IAB
K K B KW I AN lg N K I NB log K A N
1 K K I AB log B W 2 KA
由此三式可计算KA、KB、KN
水解速率曲线呈U或V型；当KN=0，只出现点IAB
吸附作用 在非极性有机溶剂中，土壤矿物质对有机物的表面吸附， 或干土壤矿物质对有机物的表面吸附，前者靠范德华力， 后者是化学键力，如氢键、离子偶极键、配位键等。
吸附作用的特征:
Lambert 研究了农药在土壤－水间的分配，认为当土壤 有机质含量在0.5-40% 范围内其分配系数与有机质的含 量成正比 Karickhoff 研究了芳烃和氯代烃在水中沉积物中的吸
着现象，发现当颗粒物大小一致时其分配系数与有机质
的含量成正相关。
Chiou 进一步发现有机物的土壤－水分配系数与溶质在 水中的溶解度成反比（图3-27）
有机物的土壤－水分配系数与溶质溶解度的关系：
吸附等温线并非线性，不同污染物之间的吸附 存在竞争吸附关系，有放热现象。
分配作用
分配理论认为，土壤颗粒（或沉积物）对有机化合 物的吸着主要是溶质的分配过程（溶解），即有机化合 物通过溶解作用分配到土壤有机质中，并经过一定时间 达到分配平衡。
硝基苯
松花江
背景介绍：
2005年11月13日，中国石油吉林石化分公司双苯厂硝基 苯精馏塔发生爆炸，造成8人死亡，60人受伤，直接经济 损失6908万元。
事故形成的硝基苯污染带流经吉林、黑龙江两省引发松 花江水污染，在国内历时42天，12月25日进入俄罗斯。
水污染导致下游哈尔滨市供水中断，瓶装饮用水迅速脱 销，全市浴池、洗车行、美容院紧急封停；部分企业停工； 哈尔滨全市中小学被迫停课。
三线相交处，得到三个pH值IAN、INB、IAB
K K B KW I AN lg N K I NB log K A N
1 K K I AB log B W 2 KA
由此三式可计算KA、KB、KN
水解速率曲线呈U或V型；当KN=0，只出现点IAB
吸附作用 在非极性有机溶剂中，土壤矿物质对有机物的表面吸附， 或干土壤矿物质对有机物的表面吸附，前者靠范德华力， 后者是化学键力，如氢键、离子偶极键、配位键等。
吸附作用的特征:
Lambert 研究了农药在土壤－水间的分配，认为当土壤 有机质含量在0.5-40% 范围内其分配系数与有机质的含 量成正比 Karickhoff 研究了芳烃和氯代烃在水中沉积物中的吸
着现象，发现当颗粒物大小一致时其分配系数与有机质
的含量成正相关。
Chiou 进一步发现有机物的土壤－水分配系数与溶质在 水中的溶解度成反比（图3-27）
有机物的土壤－水分配系数与溶质溶解度的关系：
吸附等温线并非线性，不同污染物之间的吸附 存在竞争吸附关系，有放热现象。
分配作用
分配理论认为，土壤颗粒（或沉积物）对有机化合 物的吸着主要是溶质的分配过程（溶解），即有机化合 物通过溶解作用分配到土壤有机质中，并经过一定时间 达到分配平衡。
3.3海水的运动课件高一地理人教版必修一
➢ 潮汐发电的原理是在潮差较大的河流入海口和海湾处筑坝形 成水库，利用涨潮和落潮时潮水进出水库推动水轮发动机组发电。
➢ 潮汐能的能量与潮差大小和潮水量成正比。潮汐能是一种可 再生的洁净能源，人们称之为“蓝色能源”。
至今，我国沿海各地建造了数十座中小型潮汐电站，其中规 模最大、运行较好的是于1980年建成的浙江江厦潮汐试验电站， 总装机容量为3000千瓦，年发电量达700万千瓦时。
20℃ 15℃ 10℃
（四）洋流对地理环境的影响
1.洋流对海洋生物的影响
洋流对海洋生物资源和渔场的分布有显 著的影响；寒暖流交汇的海区，海水受到扰 动，可以将下层营养盐类带到表层，有利于 浮游生物大量繁殖，为鱼类提供饵料。
两种洋流汇合还可以形成“水障”，阻 碍鱼类游动，使得鱼群集中，易于形成大型 渔场。
海水的 运动
第三章 第三节
诺曼底登陆是第二次世界大战中的关键战 役。1944年,盟军在英国集结,计划在夜间横跨 英吉利海峡,登陆法国诺曼底地区。此战涉及多 兵种的合作,海军要求在海水水位最低时行动, 便于爆破队破坏德军在海岸带布置的障碍物,保 护登陆舰安全靠岸；陆军登陆部队要求在海水 水位最高时行动,减少士兵在海滩上暴露的时间; 空降部队要求行动时有明亮的月光,便于识别地 面目标。最终指挥部选择了6月6日(农历四月十 六)作为登陆日,为什么选择这一天?
➢ 出海捕捞、勘探、航行等海上活动处 于安全考虑，需要选择浪小的时候。
在海上活动要密切关注天气预报，选 择适宜活动的海浪条件。
冲浪 出海捕捞
国家海洋环境预报中心
国家海洋环境预报中心
2.海啸和风暴潮能量巨大，往往给沿岸地区带来灾难性后果。
海啸
风暴潮
第三章 第一节
海水的运 动
➢ 潮汐能的能量与潮差大小和潮水量成正比。潮汐能是一种可 再生的洁净能源，人们称之为“蓝色能源”。
至今，我国沿海各地建造了数十座中小型潮汐电站，其中规 模最大、运行较好的是于1980年建成的浙江江厦潮汐试验电站， 总装机容量为3000千瓦，年发电量达700万千瓦时。
20℃ 15℃ 10℃
（四）洋流对地理环境的影响
1.洋流对海洋生物的影响
洋流对海洋生物资源和渔场的分布有显 著的影响；寒暖流交汇的海区，海水受到扰 动，可以将下层营养盐类带到表层，有利于 浮游生物大量繁殖，为鱼类提供饵料。
两种洋流汇合还可以形成“水障”，阻 碍鱼类游动，使得鱼群集中，易于形成大型 渔场。
海水的 运动
第三章 第三节
诺曼底登陆是第二次世界大战中的关键战 役。1944年,盟军在英国集结,计划在夜间横跨 英吉利海峡,登陆法国诺曼底地区。此战涉及多 兵种的合作,海军要求在海水水位最低时行动, 便于爆破队破坏德军在海岸带布置的障碍物,保 护登陆舰安全靠岸；陆军登陆部队要求在海水 水位最高时行动,减少士兵在海滩上暴露的时间; 空降部队要求行动时有明亮的月光,便于识别地 面目标。最终指挥部选择了6月6日(农历四月十 六)作为登陆日,为什么选择这一天?
➢ 出海捕捞、勘探、航行等海上活动处 于安全考虑，需要选择浪小的时候。
在海上活动要密切关注天气预报，选 择适宜活动的海浪条件。
冲浪 出海捕捞
国家海洋环境预报中心
国家海洋环境预报中心
2.海啸和风暴潮能量巨大，往往给沿岸地区带来灾难性后果。
海啸
风暴潮
第三章 第一节
海水的运 动
水污染物迁移与转化机制
水污染物迁移与转化机制水是人类生活中不可或缺的重要资源，然而随着工业化和城市化进程的加速，水污染问题日益严重。
了解水污染物的迁移与转化机制，对于有效治理和预防水污染具有重要意义。
本文将就水污染物的迁移和转化机制进行探讨。
一、水污染物的迁移机制水污染物在环境中的迁移主要受到水体中的流动和扩散过程的影响。
在流动过程中，水污染物会随水流的运动而发生迁移，同时还受到沉积、悬浮和离解等过程的影响。
1.1 水流对污染物迁移的影响水的流动对于污染物的迁移具有重要作用。
在自然界中，水通常以河流、湖泊和海洋等形式存在。
当污染物排放至水体中后，流动的水会将其带走，使其迁移到不同的地点。
1.2 沉积作用对污染物迁移的影响沉积作用是指污染物在水体中沉积和积聚的过程。
在流动的河流或湖泊中，水流速度变化会导致沉积和悬浮物质的分离，从而影响污染物在水体中的迁移。
1.3 悬浮作用对污染物迁移的影响悬浮作用是指水中悬浮物质对污染物迁移的影响。
水中的悬浮物质能够吸附并携带污染物，使其一同迁移。
随着悬浮物质的沉降或被沉积物吸附，污染物也会发生迁移。
1.4 离解作用对污染物迁移的影响离解作用是指溶解在水中的污染物对迁移的影响。
溶解在水中的污染物会随着水流的运动，通过扩散和对流作用来迁移。
离解作用会影响污染物在水体中的有效浓度和迁移速率。
二、水污染物的转化机制水污染物的转化是指在水环境中，污染物经过化学、生物、物理等过程发生转变的过程。
水污染物的转化机制对于水体的净化和环境的修复至关重要。
2.1 化学转化化学转化是指水污染物在水环境中经过化学反应发生转变的过程。
例如，水中的有机物质可以通过氧化反应转化为二氧化碳和水，重金属离子可以发生沉淀反应沉积到底泥中。
2.2 生物转化生物转化是指水污染物在水环境中通过生物代谢过程发生转变的过程。
微生物在水中扮演着重要的角色，它们可以通过降解有机物质和吸收重金属等方式来转化水污染物。
2.3 物理转化物理转化是指水污染物在水环境中通过物理过程发生转变的过程。
环境流体力学第二章分子扩散
(Байду номын сангаас)
0
x0 x0
水倾注到大河里，可以认为起始浓 度集中于微小体积内。
狄拉克（Dirac） 函数
物理含义：
当t=0时，在通过x=0处且与x轴垂直的平面上，污染物质量 为M,它位于x=0处以无限大的浓度强度浓缩在无限小的空间
（2）边界条件：c(,t)=0, c(,t)/x=0
第五节 一维扩散方程的基本解
绝对的点源、无限长线源、无限大面源，只是一种近似处理 。 & 污染源（按时间）：瞬时源、时间连续源（事故排放、正常排 放）。 & 瞬时源是指污染物在瞬时内排放入水域，实际上一种近似，如 热核武器试验的核污染或者油轮事故突然泄漏的油污染。 & 连续源又分为恒定和非恒定源。 & 污染物扩散：根据水域是几维，对应一维、二维、三维扩散方 程。
第三节 费克定律
费克定律： 1855年德国生理学家费克（Fick）提出 静水中的污染物由于分子扩散作用，在单位时间内按一定方向通过单位面 积的扩散输送的物质与该方向的浓度梯度成正比。各向同性的介质。
对一维扩散，费克定律可表示为：
Q c x
用等号 Q D c x
x
一维费克扩散示意图
式中：Q是单位时间通过单位面积的扩散物质，也称为通量； C是扩散物质的浓度。 c x :x方向的浓度梯度。
c t
D(x2c2 y2c2
z2c2)
在扩散特性各向异性的液体中
ct Dx x2c2Dy y2c2Dz z2c2
第五节 一维扩散方程的基本解
第三节 一维扩散方程的基本解
& 扩散方程的定解条件（初始条件、边界条件）。 & 解的形式：解析解、数值解。 & 污染源（按空间）：点源、线源、面源、有限分布源、不存在
环境学概论 第三章水体环境解读
3.水资源的特性（与其它自然资源相比）
A B C D 资源的循环性 储量的有限性 分布的不均衡性 利用的多用性
E
利害的两重性(图)
5
4.地球上局部存在水荒的原因
A B C 淡水在地球上的分布极不平衡 城市、工业区高度集中，耗水量大。 水污染严重，“水质型缺水” 突出。(图A) (图B)
二.天然水的水质 1.天然水化学成份的形成 2.天然水的化学组成 3.各种类型的天然水质 4.天然水体的自净作用
*放射性类
来源：核武器试验；原子能工业排放或泄漏 。 危害：主要通过α、β、γ等射线损害人体组织，并可在人
体内蓄积，促成贫血、白血球增生、恶性肿瘤等病
症，严重的可导致生命危险。
19
第二节
污染物在水体中的扩散
一. 污染物在水体中的运动特征
1.推流迁移：指污染物在水流作用下产生的迁移作用 此过程中污染物质总量不变，浓度也不变 2.分散作用：包含分子扩散、湍流扩散和弥散三个方面。 此过程中污染物质总量不变，但浓度减小 3.污染物的衰减和转化 进入水环境中的污染物可以分为两大类： 保守物质和非保守物质 此过程中污染物质总量与浓度均发生变化
1.有机物生物化学分解 ①水解反应：指复杂的有机物分子与水电离出的H＋或OH－
结合生成较简单化合物的反应。
②氧化反应：包括脱氢作用和脱羧作用两类 2.耗氧有机物的生物降解
代表性有机物：碳水化合物；脂肪和油类；蛋白质 (1)碳水化合物
25
(2)脂肪和油类
(3)蛋白质
26
需氧有机物降解的共同规律是：首先在细胞体外发生水解， 然后在细胞内部继续水解和氧化。降解的后期产物都是生成各 种有机酸，在有氧条件下，可以继续分解，其最终产物是CO2、 H2O及NO3－等；在缺氧条件下则进行反硝化、酸性发酵等过程， 其最终产物除CO2、H2O外，还有NH3、有机酸、醇等。 2.耗氧有机物降解与溶解氧的平衡 在污染河流中耗氧作用和复氧作用影响着水中溶解氧的含量 耗氧作用：指有机物分解和有机体呼吸时耗氧，使水中溶解
3）污染物进入水体后的运动过程污染物进入水体后立即发生...
1）水体污染与自净水体污染(water body pollution)：主要是由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。
水体自净(self-purification of water body)广义的是指受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经一段时间后恢复到受污染前的状态；狭义的是指水体中微生物氧化分解有机污染物而使水质净化的作用。
影响水体净化过程的因素很多，主要有河流、湖泊、海洋等水体的地形和水文条件，水中微生物的种类和数量，水温和复氧状况，污染物的性质和浓度等。
水体自净机理包括沉淀、稀释、混合等物理过程，氧化还原、分解化合、吸附凝聚等化学和物理化学过程以及生物化学过程。
各种过程可同时发生、相互影响。
水体自净作用可分为三类：(1)物理自净。
污染物进入水体后，不溶性固体逐渐沉至水底形成污泥；悬浮物、胶体和溶解性污染物则因混合稀释而逐渐降低浓度。
(2)化学自净。
污染物进入水体后，经络合、氧化还原、沉淀反应等而得到净化。
如在一定条件下水中难溶性硫化物可以氧化为易溶性的硫酸盐。
(3)生物自净。
在生物的作用下，污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻、直至消失。
例如，悬浮和溶解在水体中的有机污染物，在需氧微生物作用下，氧化分解为简单、稳定的无机物，如二氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐等，使水体得到净化。
一般说来，物理和生物化学过程在水体自净中占主要地位。
对有机物来说，生物自净作用是最重要的。
水体自净作用可以在同一介质中进行，也可在不同介质之间进行。
例如，河水自净过程大致如下：当污水进入河流之后，首先是混合稀释、扩散，以及反应生成的沉淀物质和吸附有污染物的固体沉入水底，使水中污染物浓度下降；水的最终净化主要靠微生物的作用。
微生物把污染物质作为营养源，通过生物化学过程，把复杂化合物变成简单化合物，最终产物是二氧化碳、水等无机物。
污染物在水体中的扩散
h—水深；B—河宽；其它符号同前。
2.分散作用（扩散）
①分子扩散：由分子随机运动引起的质点分散现象。
c
c
c
Ix= -Em—, Iy= -Em—, Iz= -Em —
x
y
z
Ix， Iy， Iz，：扩散通量；Em：分子扩散系数；c：浓度。 分子扩散各向同性，“－”表示质点的迁移指向负状态瞬时值相对平均值的随机脉动引起；
第二节 污染物在水体中的扩散
一.污染物在水体中的运动特征
污染物在水体的运动形式有三种： ①推移迁移； ②扩散； ③衰减。 三种运动的作用使污染物浓度降低，称水体“自净
作用”。
1.推移
特点：只改变污染物位置，而不降低其浓度。 模式：
fx=uxc fy=uyc fz=uzc
fx，fy，fz为x,y,z方向上的污染物推流迁移通量； ux，uy，uz为水流速度分量；c为污染物在河流水体中的浓度。
3.衰减和转化
进入水体污染物有两大类：保守物质和非保守物质
保守物质：随水流运动而不断变换所处的空间位置，不断向 周围扩散而降低其初始浓度，但不改变总量。重金属，高分 子有机化合物
非保守物质：不断扩散而降低浓度外，因污染物自身衰减而 加速浓度的下降。衰减：自身运动变化规律决定的，在水环 境里由于化学的或生物的反应不断衰减。有机物在水体微生 物作用下的氧化分解过程。
1
4KDX u2 x
当x=0， c=c0 时， 上式的解为（ 取负值） C=c0exp{uxx/2Dx[1－(1+4kDx/ux2)1/2]} 弥散项忽略，则一维稳态模型 解为：c=c0exp(-Kxx/ux) 式中c0=(Qc1+qc2)/(Q+q)
Q为河流流量；c1为河流中污染物的本底浓度；q为排入河流的污水的流 量；c2为无水中的某污染物浓度；c为污染物的浓度；Dx纵向弥散系数； ux断面平均流速；K污染物的衰减速度常数
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2、河流水的推移作用、分散作用和衰减作用过程
I
II
III
➢图I为推流迁移：a=A ，∆x1=∆x0
➢图II为推流迁移+分散： a=A ，∆x1>∆x0
➢图III为推流迁移+分散+衰减： a<A ，∆x1>∆x0
第三章 水体环境
二、河流水体中污染物扩散的稳态解
（一）一维模型 （二）二维模型（略）
第三章 水体环境
第三章 水体环境
3、弥散
➢由空间各点湍流流速时平均值和流速时平均值的空间平均值的系统 差别所产生的分散现象。
➢分子的弥散过程可以用斐克第一定律来描述——分子弥散的质量 通量与弥散物质的湍流平均浓度梯度成正比。
第三章 水体环境
（三）污染物的衰减和转化
1、进入水体中的污染物类型（根据在水中转移和衰减形式）
（一）一维模型
1、何谓稳态？
在水流处于稳定流动状态、污染源连续稳定排放的条件下，水中的 污染物分布状况也稳定的。这时，污染物在某一空间位置的浓度不 随时间变化。这种状态称为稳态。
第三章 水体环境
2、一维模型（稳态）：
z
y
x
➢假设条件：假定只在X方向上存在污染物浓度梯度
➢河流某一断面上一点的污染物浓度C的相关条件：
第三章 水体环境
ppm 20 16
清洁区
水质恶化区
恢复区
清洁区
12
8
4
0 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (日)
-24 -12 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 (英里)
∆x0
∆x1
∆x0
A
a
A
x0
x1 x
x0
∆x1
∆x0
a
A
x1
x x0
∆x1
a
x1
L1
L2
第三章 水体环境
（二）生物化学分解
1、一级反应式：
L=L0e-Kt
L——t时刻的有机物的剩余生物化学需氧量 L0——初始时刻有机物的总生物化学需氧量 K——有机物降解速度常数
KT KT1
=
θT-T1
若取T1=20oC，以K20为基准，那么KT = K20θT-20 θ=1.047（T=1—30oC）
河流流量——Q (m3/s) 断面的平均流速——ux (m/s) 纵向弥散系数——Dx (m2/s) 排入污水的流量——q (m3/s) 污水中某种污染物的浓度——cz (mg/L) 河流中某种污染物的本底浓度——c1 (mg/L) 排放点完全混合后的初始浓度——c0 (mg/L) 污染物的衰减速度常数——K
第三章 水体环境
2、河流中BOD的衰减规律：
➢衰减常数Kr的确定：
Kr=
1 t
ln(
LA LB
)
LA——A断面处的BOD浓度 LB——B断面BOD的浓度 t——A、B断面间的流行时间
➢若符合一级反应规律在稳态河流中BOD的变化规律：
L——河流中任意断面处的BOD浓度 L0——河流中气始断面BOD的浓度 x——自起始断面到下游的距离 ux——自起始断面到测定点的流速
Ka——大气复氧常数 Kar=Ka20θ7-20
第三章 水体环境
（四）简单河断水质模型
1、条件：
2、模型曲线：
➢只有一个排放口的单一河段；
➢将排放口的作为河段起点，x=0；
L0
➢将上游河段的水质作为河段水质底值；
➢河流中的BOD衰减和溶解氧的复氧都是
反应恒定的一级反应；
➢河流中的耗氧决定于BOD。
解： 1、求其始点初始浓度：
2、考虑纵向弥散作用条件下的下游10Km处的浓度：
3、不考虑纵向弥散作用条件下的下游10Km处的浓度：
第三章 水体环境
三、河流水质模型
（一）污染物与河水的混合 （二）生物化学分解 （三）大气复氧 （四）简单河段水质模型
第三章 水体环境
（一）污染物与河水混合
1、竖向混合 2、横向混合
x
第三章 水体环境
第二节 污染物在水中的扩散
一、污染物在水中的运动特征 二、河流水体中污染物的稳态解 三、河流水质模型
第三章 水体环境
一、污染物在水中的运动特征
（一）推流迁移 （二）分散迁移 （三）污染物的衰减和转化
第三章 水体环境
（一）推流迁移
1、何谓推流迁移？
污染物在水流作用下产生的迁移作用。
2、作用：
推流作用只改变水流中污染物的位置，并不能降低污染物的浓度。
第三章 水体环境
3、推移通量计算公式：
fx=uxc，fy=uyc，fz=uzc
u
z
y
x
fx，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 ——污染物浓度
第三章 水体环境
（二）分散作用
1、分子扩散
➢分子扩散 ➢湍流扩散 ➢弥散
➢由分子的随机运动引起的质点的分散现象。
➢分子的扩散过程服从斐克第一定律——分子扩散的质量通量与扩 散物质的浓度梯度成正比。
2、湍流扩散
➢在河流水体的湍流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的 瞬时值相对于平均值的随机脉动而导致的分散现象。
第三章 水体环境
（三）大气复氧
1、来源： ➢水中绿色植物的光合作用
2、模型：
➢大气中的溶解
要恢复的溶解氧含 量的最大值即复氧
➢CS——河流中饱和溶解氧的浓度 ➢C——河流溶解氧的浓度（DO）
➢（CS – C）——溶解氧不足量（又称氧亏值D）
一般河流的溶解氧在7ppm以上，5ppm以 下，各种浮游生物不能生存；4ppm以下 鱼类生存极限；2ppm水体发臭。
第三章 水体环境 例1：向一条河流稳定排放污水，污水流量q=0.15m3/s，BOD5浓度为 30mg/L，河流流量Q=5.5m3/s ，流速ux=0.3m/s，本底BOD5浓度为 0.5mg/L ， BOD5的衰减速度常数K=0.2/d，纵向弥散系数为Dx=10 m2/s ， 试求排放点下游10Km处的BOD5浓度。
DO
饱和溶解氧浓度Cs
氧垂曲线
复氧曲线 耗氧曲线
0
tc
t
第三章 水体环境
单位：ppm
BOD D
பைடு நூலகம்
第一天 5 1
第二天 4 2
第三天 3 2.5
第四天 2 3.5
第五天 1 4.5
DO =L0 – BOD + D DO1 =L0 – 5 + 1= L0 - 4 DO2 = DO1 – 4 + 2= L0 - 6 DO3= DO2 – 3 + 2.5= L0 – 6.5 DO4= DO3 – 2 + 3.5 = L0 - 5 DO5= DO4– 1 + 4.5= L0 – 1.5
➢保守物质：进入水体后，随着水流改变空间位置，由于分散作用不 断向周围扩散而降低其初始浓度，但不会改变总量。应严格控制排 放，因为水环境对其没有净化能力。
➢非保守物质：进入水体后，随着水流改变空间位置，由于分散作用 不断向周围扩散而降低其初始浓度，还因污染物的自身衰减而加速 浓度下降，减少总量。
第三章 水体环境
I
II
III
➢图I为推流迁移：a=A ，∆x1=∆x0
➢图II为推流迁移+分散： a=A ，∆x1>∆x0
➢图III为推流迁移+分散+衰减： a<A ，∆x1>∆x0
第三章 水体环境
二、河流水体中污染物扩散的稳态解
（一）一维模型 （二）二维模型（略）
第三章 水体环境
第三章 水体环境
3、弥散
➢由空间各点湍流流速时平均值和流速时平均值的空间平均值的系统 差别所产生的分散现象。
➢分子的弥散过程可以用斐克第一定律来描述——分子弥散的质量 通量与弥散物质的湍流平均浓度梯度成正比。
第三章 水体环境
（三）污染物的衰减和转化
1、进入水体中的污染物类型（根据在水中转移和衰减形式）
（一）一维模型
1、何谓稳态？
在水流处于稳定流动状态、污染源连续稳定排放的条件下，水中的 污染物分布状况也稳定的。这时，污染物在某一空间位置的浓度不 随时间变化。这种状态称为稳态。
第三章 水体环境
2、一维模型（稳态）：
z
y
x
➢假设条件：假定只在X方向上存在污染物浓度梯度
➢河流某一断面上一点的污染物浓度C的相关条件：
第三章 水体环境
ppm 20 16
清洁区
水质恶化区
恢复区
清洁区
12
8
4
0 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (日)
-24 -12 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 (英里)
∆x0
∆x1
∆x0
A
a
A
x0
x1 x
x0
∆x1
∆x0
a
A
x1
x x0
∆x1
a
x1
L1
L2
第三章 水体环境
（二）生物化学分解
1、一级反应式：
L=L0e-Kt
L——t时刻的有机物的剩余生物化学需氧量 L0——初始时刻有机物的总生物化学需氧量 K——有机物降解速度常数
KT KT1
=
θT-T1
若取T1=20oC，以K20为基准，那么KT = K20θT-20 θ=1.047（T=1—30oC）
河流流量——Q (m3/s) 断面的平均流速——ux (m/s) 纵向弥散系数——Dx (m2/s) 排入污水的流量——q (m3/s) 污水中某种污染物的浓度——cz (mg/L) 河流中某种污染物的本底浓度——c1 (mg/L) 排放点完全混合后的初始浓度——c0 (mg/L) 污染物的衰减速度常数——K
第三章 水体环境
2、河流中BOD的衰减规律：
➢衰减常数Kr的确定：
Kr=
1 t
ln(
LA LB
)
LA——A断面处的BOD浓度 LB——B断面BOD的浓度 t——A、B断面间的流行时间
➢若符合一级反应规律在稳态河流中BOD的变化规律：
L——河流中任意断面处的BOD浓度 L0——河流中气始断面BOD的浓度 x——自起始断面到下游的距离 ux——自起始断面到测定点的流速
Ka——大气复氧常数 Kar=Ka20θ7-20
第三章 水体环境
（四）简单河断水质模型
1、条件：
2、模型曲线：
➢只有一个排放口的单一河段；
➢将排放口的作为河段起点，x=0；
L0
➢将上游河段的水质作为河段水质底值；
➢河流中的BOD衰减和溶解氧的复氧都是
反应恒定的一级反应；
➢河流中的耗氧决定于BOD。
解： 1、求其始点初始浓度：
2、考虑纵向弥散作用条件下的下游10Km处的浓度：
3、不考虑纵向弥散作用条件下的下游10Km处的浓度：
第三章 水体环境
三、河流水质模型
（一）污染物与河水的混合 （二）生物化学分解 （三）大气复氧 （四）简单河段水质模型
第三章 水体环境
（一）污染物与河水混合
1、竖向混合 2、横向混合
x
第三章 水体环境
第二节 污染物在水中的扩散
一、污染物在水中的运动特征 二、河流水体中污染物的稳态解 三、河流水质模型
第三章 水体环境
一、污染物在水中的运动特征
（一）推流迁移 （二）分散迁移 （三）污染物的衰减和转化
第三章 水体环境
（一）推流迁移
1、何谓推流迁移？
污染物在水流作用下产生的迁移作用。
2、作用：
推流作用只改变水流中污染物的位置，并不能降低污染物的浓度。
第三章 水体环境
3、推移通量计算公式：
fx=uxc，fy=uyc，fz=uzc
u
z
y
x
fx，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 ——污染物浓度
第三章 水体环境
（二）分散作用
1、分子扩散
➢分子扩散 ➢湍流扩散 ➢弥散
➢由分子的随机运动引起的质点的分散现象。
➢分子的扩散过程服从斐克第一定律——分子扩散的质量通量与扩 散物质的浓度梯度成正比。
2、湍流扩散
➢在河流水体的湍流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的 瞬时值相对于平均值的随机脉动而导致的分散现象。
第三章 水体环境
（三）大气复氧
1、来源： ➢水中绿色植物的光合作用
2、模型：
➢大气中的溶解
要恢复的溶解氧含 量的最大值即复氧
➢CS——河流中饱和溶解氧的浓度 ➢C——河流溶解氧的浓度（DO）
➢（CS – C）——溶解氧不足量（又称氧亏值D）
一般河流的溶解氧在7ppm以上，5ppm以 下，各种浮游生物不能生存；4ppm以下 鱼类生存极限；2ppm水体发臭。
第三章 水体环境 例1：向一条河流稳定排放污水，污水流量q=0.15m3/s，BOD5浓度为 30mg/L，河流流量Q=5.5m3/s ，流速ux=0.3m/s，本底BOD5浓度为 0.5mg/L ， BOD5的衰减速度常数K=0.2/d，纵向弥散系数为Dx=10 m2/s ， 试求排放点下游10Km处的BOD5浓度。
DO
饱和溶解氧浓度Cs
氧垂曲线
复氧曲线 耗氧曲线
0
tc
t
第三章 水体环境
单位：ppm
BOD D
பைடு நூலகம்
第一天 5 1
第二天 4 2
第三天 3 2.5
第四天 2 3.5
第五天 1 4.5
DO =L0 – BOD + D DO1 =L0 – 5 + 1= L0 - 4 DO2 = DO1 – 4 + 2= L0 - 6 DO3= DO2 – 3 + 2.5= L0 – 6.5 DO4= DO3 – 2 + 3.5 = L0 - 5 DO5= DO4– 1 + 4.5= L0 – 1.5
➢保守物质：进入水体后，随着水流改变空间位置，由于分散作用不 断向周围扩散而降低其初始浓度，但不会改变总量。应严格控制排 放，因为水环境对其没有净化能力。
➢非保守物质：进入水体后，随着水流改变空间位置，由于分散作用 不断向周围扩散而降低其初始浓度，还因污染物的自身衰减而加速 浓度下降，减少总量。
第三章 水体环境